脉冲功率电源设计毕业论文开题报告

脉冲功率电源设计毕业论文开题报告（共4篇）

篇1：脉冲功率电源设计毕业论文开题报告

压敏电阻器是1种电阻值对外加电压敏感的电子元件，随着电压的增高阻值下降，因此i-v特性不是1条直线。所以压敏电阻器也称为非线性电阻器。zno非线性电阻器由于其优异的非线性特性和良好的保护性能，已经逐步取代碳化硅非线性电阻器，在电力系统、电子电路和1般家用电气设备中都得到了广泛应用，尤其在过电压、高能浪涌的吸收以及高压稳压等方面的应用更为突出，成为决定电力系统绝缘配合水平的新1代保护装置。过压保护又分为大气过压保护和操作过压保护。1979年日本研制出第1个标称电压值为4。2～280kv的无间隙避雷器;标称500kv的无间隙避雷器也已通过了各种试验。在我国，zno避雷器带串连间隙4星接法(tbp)的提出，成功的解决了我国3～66kv中性点非有效接地系统的保护问题。

在zno非线性电阻的生产过程中，必须测试zno非线性电阻的i-v特性并进行能量冲击试验。通过所测定的对所测定的特性曲线的计算，分析其电参数是否满足保护要求，从而检测出zno非线性电阻是否合格。这些电参数主要是非线性系数α、材料c值、通流容量、漏电流和电压温度系数。课题要设计脉冲功率电源即为测试电源，将模拟实际过压保护时可能出现的高功率脉冲大电流，对非线性电阻进行能量冲击试验，同时测试出非线性电阻的i-v特性和电参数。

毕业设计主要完成的工作内容包括脉冲测试电源的主电路设计、参数选择、储能电抗器参数计算及工程设计等。该脉冲电源由储能电感、换流开关和控制测量等部分组成。需要通过整流桥先将3相交流电整流成直流电对储能电抗器进行充电，然后通过控制开关使电抗器与整流桥断开并对zno放电。电感储能是以磁场方式储能，储能密度高、传输功率大，装置体积小、成本低，电感储能在脉冲功率技术中有着极大的应用潜力。电抗器设计是整个电源设计的核心，其参数计算的正确性是电源性能工作可靠性的保证。采用了低压电器保护同时控制环流时间，1方面保护变流电子元件，另1方面是使控制电感冲放电的开关损耗最小，从而使储存在电感中的能量全部用来产生所需脉冲源。另外，因为测量对象为脉冲波不是传统的50周正弦波，所以参数的测量需要使用霍尔器件传感器，本文使用的是北京莱姆公司的lem电流电压传感器模块。霍尔传感器即时再现非线性电阻两端电压和通过的电流，为测量带来方便。

篇2：脉冲功率电源设计毕业论文开题报告

电气工程及自动化

大功率开关电源的设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

开关电源的前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前，各种电子装置、电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。随着电子技术的迅猛发展，集成度的不断增加，计算机等各种电子设备体积越来越小而功能却越来越强大，因此，迫切需要重量轻、体积小、效率高的新型电源，这就为开关电源技术的发展提供了强大的动力。

可以说，开关电源技术的发展是随着电力电子器件的发展而发展的。新型电力电子器件的发展为开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，耐高压、大电流的双极型电力晶体管（亦称巨型晶体管，BJT、GTR）的问世使得采用高工作频率的开关电源的出现称为可能。

早期的开关电源开关频率仅为几千赫兹，随着磁性材料及大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短，开关电源工作频率逐步提高。到了1969年，终于做成了25千赫兹的开关电源。由于它突破了人耳听觉极限的20千赫兹，这一变化甚至被称为“20千赫兹革命”。

在20世纪80年代以前，开关电源作为线性稳压电源的更新换代产品，主要应用于小功率场合。而中大功率直流电源则以晶闸管相控整流电源为主。但是，这一格局从20世纪80年代起，由于绝缘栅极双极型晶体管（简称IGBT）的出现而被打破。IGBT属于电压驱动型器件，与GTR相比前者易于驱动，工作频率更高，有突出的优点而没有明显的缺点。因而，IGBT迅速取代了GTR，成为中等功率范围的主流器件，并且不断向大功率方向拓展。

开关电源开关频率的提高可以使电源重量减轻、体积减小，但使开关损耗增大，电源效率降低，电磁干扰问题变得突出起来。为了解决因提高开关电源工作频率而带来的负面影响，同样在20世纪80年代，出现了软开关技术。软开关技术采用准谐振技术的零电压开关（ZVS）电路和零电流开关(ZCS)电路。在理想情况下，采用软开关技术，可使开关损耗降为零。正是软开关技术的应用，使开关电源进一步向效率高、重量轻、体积小、功率密度大的方向发展。经过近30年的发展，对软开关技术的研究可谓方兴未艾，它已成为各种电力电子电路的一项基础性技术。迄今为止，软开关技术应用最为成功的领域非开关电源莫属。

最近几年，“绿色电源”这一名词开始进入人们的视野。所谓“绿色”是指，对环境不产生噪声、不产生电磁干扰，对电网不产生谐波污染。为了提高开关电源的功率因数，降低开关电源对电网的谐波污染，在20世纪90年代，出现了功率因数校正（Power

Factor

Correction——PFC）技术。目前，单相PFC技术已比较成熟，相关的控制芯片已在各种开关电源中广泛应用，相比之下三相PFC技术则还处在起步阶段。

高频化是开关电源轻、薄、小的关键技术，国外各大开关电源制造商都在功率铁氧体材料上加大科技创新，并致力于开发新型高智能化的元器件，尤其是改善整流器件的损耗，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。另外，电容器的小型化和表面粘着（SMT）技术的应用为开关电源向轻、薄、小型化发展奠定了良好的技术支持。目前市场上出售的采用双极性晶体管制成的100千赫兹开关电源和用场效应管制成的500千赫兹开关电源虽已使用化，但其工作频率还有待进一步的提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，实现并联方式的容量扩展。

选择本课题可以使我掌握开关电源的工作原理，进一步加深对开关电源的理解。并把所学的专业知识（包括单片机原理与应用技术、电力电子技术、大学物理、计算机辅助设计等）应用到具体实例中，有效地巩固所学的基础理论知识，真正做到学有所用。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

1、研究的基本内容包括：开关电源的工作原理，大功率开关电源中普遍采用的全桥型电路及其驱动电路以及高频变压器的设计与制作等。

2、计划将此系统分成四部分——功率因数校正（PFC）电路、辅助电源模块、主电路以及控制电路。

3、功率因数校正电路用来提高整流电路的功率因数，防止大量的谐波分量涌入电网，造成对电网的谐波污染，干扰其它用电设备的正常运行。

4、辅助电源模块用来为控制电路提供电能。拟用单片集成开关电源芯片（TOP204）来实现。

5、控制电路用场效应管集成驱动芯片IR2155,驱动全桥电路。

6、主电路的设计主要包括高频变压器的设计和全桥型电路中功率管的选型。

三、研究步骤、方法及措施：

步骤：

（1）查阅相关的技术资料，制定初步的方案；

（2）利用适当的计算机辅助设计软件（如Proteus、PI

Expert

6.5、Multism等）对设计方案进行模拟仿真；

（3）四个模块设计的先后顺序为功率因数校正电路、辅助电源模块、控制电路和主电路。

方法：化繁为简，将整个系统分解成四个部分，方便设计、调试。对局部电路预先进行仿真，对结果有所预期。

措施：查阅于毕业设计有关资料和文献（图书馆、超星电子图书阅览室等）。经常与指导老师取得联系，一起探讨有关电路的设计方案等问题。

四、参考文献

[1]

康华光.电子技术基础.模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]

周志敏，周纪海，纪爱华.高频开关电源设计与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2004.[3]

张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2000.[4]

蒋玉萍，倪海东.高频开关电源与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.[5]

翟亮，凌民.基于MATLAB有控制系统计算机仿真[M].北京：清华大学出版社，2006.[6]

王庆.Protel

SE及DXP电路设计教程[M].北京：电子工业出版社，2006.[7]

刘国权，韩晓东.Protel

DXP

电路原理图设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2003.[8]

篇3：恒功率激光脉冲电源的设计

目前激光切割机中主要使用大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器, 使用计算机软件控制工件或激光束运动, 辅以高压气体。激光切割技术已广泛应用到各种领域, 激光电源的研究与设计[1,2]也引起了人们的重视。脉冲激光电源是专门为脉冲Nd:YAG激光器设计的电源, 内部是由单片机控制, 通过触摸式操作面板选择激光输出功率、频率和脉宽等参数, 是多功能激光切割机的理想配置, 具有误操作和超温自动保护等功能。脉冲激光电源实现了非线性化, 取代了线性倍压整流技术, 使得整体的转换效率、体积、重量及充放电时间等重要参数均有了较大的改善。

数字与模拟共存是电源的发展趋势[3], 只有充分发挥数字和模拟的各自优势, 才能设计出高性能的电源解决方案。本文设计的就是一种模拟与数字相结合的激光脉冲电源, 其输出的频率:20 Hz～1 000 Hz;脉冲宽度t:30 μs～999 μs;平均功率P:0.5 kW～8 kW, 输出电压范围:200 V～400 V。

1脉冲电源的设计原理

激光切割机脉冲电源采用单片机技术对电流设定、逻辑功能及接口信号进行控制, 并使调试、检测更简单。考虑电磁兼容问题, 在供电电源进线采用LC元件减少内外的电磁串扰。外接口采用光电隔离或共模抑制比较好的输入输出方式, 提高抗干扰能力。脉冲电源的电路总框图如图1。

脉冲电源采用两级功率器件IGBT构成前级功率控制及后级输出单元, 可使电源工作效率达95%以上。前级功率控制单元采用专用恒流控制模块实现快速电流控制, 并对功率器件IGBT进行安全可靠的保护, 电源输出电流的波纹极小, 电流稳定度高。电源工作频率在超声频段, 无电流噪声。后级采用恒频恒脉宽功率输出, 单片机8051F020采样前级输出的电流及电压值, 可得到前级输出功率P=U*I, 而后级是恒频恒脉宽输出, 所以只要控制前级的功率输出与设定一致, 就可实现脉冲电源的恒功率输出。

1.1引燃点灯电原理

根据氙灯管的伏安特性曲线, 需要一个一万伏左右的高压脉冲将氙灯管的气体击穿, 并使工作电流大于最低燃弧电流 (I1) , 这时氙灯被点燃, 工作电流越大发光越强。引燃点灯电原理图见图2, 约1 600 V的交流电源经二极管D2整流后通过R11、R10、L2向C8、C7充电, 点灯时J3-2接通, C8上的电能通过高压包B1的原边急速释放时, 高压包的副边输出一个高压脉冲, 将氙灯管的气体击穿。由于这一高压脉冲的能量很小, 击穿电流不足以维持到C4、C5放电, 故而接入了C7和L2维持放电电流到C4、C5放电为止。C4、C5放电后恒流源开始工作, 提供工作电流, 这时点灯成功。如果点灯失败, 工作电流为零, 自动点灯装置将断开J3-2, 重新向C8、C7充电, 并在点灯保护延时时间内重复点灯过程, 直至点灯成功为止。引燃点灯电原理图如图2所示。

1.2电源的电流调节

采用独特的PWM控制技术, 通过专用智能恒流模块来实施。电流调节原理图见图1, 通过控制IGBT1导通和截止来调节电流的大小。IGBT1工作在脉宽调节的开关状态, 当它开通时间加长, 关断时间变短时, 电流则增大;反之电流则减小。智能恒流模块根据霍尔电流传感器反馈的实际电流值、实际电流的上升斜率以及给定电流值来快速调节IGBT1导通和截止的时间, 实现高速电流内环的闭环控制。在此基础上, 本电源引入的高精度的电流外环可对电流实施精密控制。

由于存在平波电感L及回路电感, 当IGBT关断时, 流经C极的电流要在1 μs的时间迅速降为零, 平波电感上储存的能量势必在IGBT的CE两端产生过高的过电压而击穿IGBT, 因此接入了续流快速恢复二极管D1。L和C3组成的LC平波回路, 更加减小了机器输出电流的纹波。

2脉冲电源恒功率控制的实现

采用恒功率算法去控制电源, 可以使输出仍然是脉冲波形, 而对电源本身, 因为负载的等效电阻是不变的, 所以电源输入端的电压及电流是稳定的。

脉冲电源控制参数有:

脉冲频率f:脉冲电源输出的频率, 范围20 Hz～1 000 Hz;

脉冲宽度t:范围30 μs～999 μs;

单脉冲能量J:2 J～100 J;

平均功率P:0.5 kW～8 kW。

换算公式:

公式一: P=f×J=UO×IO. (1)

由实验数据得到负载氙灯的等效阻值R约为1.5 Ω, 则:

undefined. (2)

由此可得到:当平均功率P确定后, UO或IO就确定了。

公式二:占空比为⊿t, 脉冲宽度为τ, 单脉冲周期为T:

⊿t=τ/T=τ×f. (3)

公式三:峰值功率为p,

p=P/⊿t=J/τ. (4)

采用C8051F020单片机来实现数据的运算及整个电源的控制。由公式一可知, 当前级输出功率P恒定且后级输出频率f及脉宽恒定时, 整个脉冲电源的输出也是恒定的。C8051F020单片机提供12位的DA及AD接口, 前级的电压、电流值可通过相应的采样电路从12位AD口转化为对应的数值:输入电压UI、输入电流II。经单片机与设定的功率值比较, 通过电流PID运算得到一个控制电流输出值IO, 由DA接口输出一相应的模拟信号到电流输出控制电路 (PWM控制器) , 改变前级输出电流的大小。从而控制前级输出功率与设定一致且恒定, 达到恒功率输出。

3结束语

在激光切割机作业时, 要求其脉冲电源的电压或电流输出是脉冲波形, 如果在电源内部没有处理好, 不但电源本身会有很大的电感啸叫声, 而且还会对电网电压产生很大影响, 严重时会使电网上的其它设备不能正常工作。文献[4]作者设计的是输出为6A的脉冲激光电源, 文献[5]作者设计的是激光焊接机所用的脉冲电源。专门用于激光切割机的数字与模拟相结合的实用的脉冲电源的研究还不多见。因此, 研制适合激光切割机用的高性能的脉冲电源有着十分重要的意义。

摘要：设计与实现了用于激光切割机的脉冲电源, 采用功率器件IGBT构成功率驱动单元, 利用单片机实现电流的恒功率算法快速控制输出电流, 并对功率器件IGBT进行安全可靠的保护。该电源工作频率在超声频段, 无电流噪声, 输出电流的波纹极小, 电流稳定度高。

关键词：脉冲电源,恒功率,单片机,IGBT

参考文献

[1]金永镐, 郑春善.基于恒流驱动模式的宽电压输入串联型开关电源[J].电子技术应用, 2007 (12) :166-168.

[2]陈黎敏, 王全忠.PIC单片机在激光电源中的应用[J].激光杂志, 2009, 30 (1) :67-69.

[3]余莲.电源管理发展趋势-数字与模拟共存[J].电子技术应用, 2008 (4) :8.

[4]杨林森, 刘俊.大电流窄脉冲激光器电源的设计[J].激光杂志, 2006, 27 (6) :78-79.

篇4：脉冲功率电源设计毕业论文开题报告

1 国内的研究现状

现如今, 我国现有的高功率脉冲磁控溅射电源有2种: (1) 没有经过预处理, 而使高功率脉冲信号加为负载。不足之处在于:难以使高功率脉冲信号的峰值功率保持不变, 电流过大可能会引起起弧打火; (2) 用并联或者串联的形式来设计脉冲电源叠加直流。其缺点是低频脉冲占空大和预处理时间长, 但是由于很难控制直流部分占空比, 出现高功率脉冲部分 (对于金属离子的沉积具有实际意义的部分) 占空比相对较低的情况, 导致沉积效率在实际应用中也不理想。

2 研究现状分析

目前在国内外广泛的研究是高功率脉冲磁控溅射技术, 这种技术具有溅射粒子离化率和能够沉积出非常致密且具有高性能薄膜两大优点。成为目前在制造耐蚀和光学及其他各种功能薄膜领域内一种新的突破的。

目前研制高功率脉冲磁控溅射电源的系统的技术有以下2种: (1) 具有高功率脉冲峰值和没有预处理两大特点的高功率脉冲电源, 这种电源容易产生起弧打火现象并且电压和功率很难被控制; (2) 具有不易起弧打火和有稳定的工作状态直流形式的脉冲叠加电源, 这种电源靠直流部分来实现起弧预处理, 但由于高功率脉冲占空比少于直流部分的占空比, 金属离子沉积效率在应用中也相对比较低。

3 电源的设计与研究

调制脉冲电源包括主电路、控制电路和保护电路。主电路包括高电压 (低频预处理部分) 和低电压 (磁控溅射部分) 2部分, 电路结构的模式是直流串联。控制电路可以通过CD4098改变脉冲信号脉宽、峰值密度、峰值电流。保护电路有主回路和功率器件2部分。

3.1 主电路设计思路

主电路脉冲信号的产生分为2个步骤:

(1) 初始脉冲信号的产生靠驱动电路和斩波电路来完成; (2) 在控制电路中, 改变脉冲信号脉宽可以依据调整电路参数来控制电路, 从而2个不同宽矩形脉冲信号, 单稳态触发电路 (如CD4098) 参数控制电路继续调整, 2个宽矩形脉冲被转换为2个尖峰值高频触发脉冲信号。

3.2 控制电路设计

初始脉冲、预放电脉冲和主放电脉冲信号的产生需要靠不断改变电路内部的参数来控制电路, 从而使各部分脉冲信号可控, 控制电路有主放电脉冲宽度设定电路、主放电IGBT保护电路、振荡及预放电脉宽控制电路、电流反馈保护电路等4种。

3.2.1 振荡电路

振荡电路被用来控制初始脉冲频率和预放电时长、主放电脉冲频率和脉宽、预放电脉冲频率和脉宽, 通过各个CD4098振荡电路对信号进行控制。

3.2.2 主放电脉冲宽度的设定

CD4098为下降沿触发需要和预放电脉冲后的主放电脉冲相连接, 初始脉冲振荡电路中设定预放电脉冲宽度的触发器10脚 (Q端) 连接11脚下降并沿触发端, 预放电脉冲结束时, 10脚 (Q端) 为下降沿。

3.2.3 电流反馈保护电路

为了与设定基准值进行比较, 因此用从信号采集电路采集到的反馈信号输入比较器LF353的负输入端得出结论, 如果表征电路中电流的反馈信号过小, 那么比较器的输出端输出就会为正, 电路关断, 起到了一定的保护作用。电位器的设定值与比较器输出的电位值相比, 如果反馈电位超过设定电位, 比较器输出电位就会翻转, 再通过CD4098翻转来达到输出负电位, 起到保护作用。

3.2.4 预放电IGBT驱动电路设计

需要把预放电IGBT电路合成到控制电路板上是因为预放电设计电流值较低 (1~10A) , 电压高达甚至超过500V。通过采用光耦对2部分的电路来进行物理隔离可以使驱动电路与控制电路互不影响和干扰。当光耦后面的电路出现短路或者过流时不会对前级电路造成影响, 从而也方便对电路的检查, 同时也提高了电路的安全与稳定性能。为了保险起见, 采用2个IGBT并联的方式以减少单管的电流, 并采用高压光容和其他的方式一起进行保护。

3.2.5 主放电IGBT驱动电路设计

本文采用的是基于M57962L的IGBT驱动电路保护设计方案, 光电耦合是一种可以用来实现输入与输出的电气隔离的方法, 由于隔离电压高达2500V, 因此需要配置短路/过载保护电路, 以确保IGBT工作更加可靠。

电源输出脉冲信号的波形如图1所示, 从该波形可以得出输出脉冲信号是符合设计思路的, 说明此设计电路具有一定的可靠性。

4 结语

本文设计了一台中频调制脉冲高功率磁控溅射电源, 对电源输出参数进行了测试。通过上述研究得出如下结论: (1) 该电源保护功能具有一定的合理性和完善性, 与设计要求相符合。各项实验指标显示与设计指标相接近。在电源设计的调试过程中, 为了有效地提高电源的可靠性和稳定性, 需要通过不断测试来调整和改善电源的输入输出的信号波形; (2) 本电源与普通高功率脉冲磁控溅射电源一样的地方是本电源预处理部分直流是用调制脉冲来替代, 在完成溅射实验的过程中, 低频脉冲和高功率脉冲的占空比需要通过调整电路的参数控制, 提高高功率脉冲的所占比例并且可以有效的预处理, 从而提高了溅射效率。

摘要：文章指出叠加直流的HPPMS技术有直流部分占空比较高和不可控制2大缺点, 在做沉积薄膜实验时无法提供溅射所需的高功率, 导致空比较低, 溅射效率稍低的高功率脉冲产生。为了解决问题, 需要研制一台电源, 并且该电源可以用中频调制脉冲高功率磁控溅射MPP (Modulated pulsed power) , 普通高功率磁控溅射系统中的直流部分可以用低频脉冲来代替, 尽可能减少低频脉冲占空比并且可以确保充分预处理, 使高功率脉冲占空比尽可能最大, 提高系统的溅射效率。

关键词：调制脉冲,磁控溅射,HPPMS,MPP

参考文献

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[2]高如云, 陆曼茹, 张企民, 等.通信电子线路[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

[3]王吉.全金属环波导CO2激光器射频电源的研究与实践[D].厦门:厦门大学, 2006.

[4]杨霓清.高频电子线路[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[5]余东海, 王成勇, 成晓玲, 等.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空科学与技术学报, 2009 (2) :19-25.