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1、 低温等离子体消毒灭菌研究毕业论文目 录摘要I第一章低温等离子体消毒灭菌设备的概述11.1消毒灭菌的定义和介绍11.2低温等离子体的形成11.4低温等离子体的消毒机理11.5等离子空气消毒21.6低温等离子体的用途21.7低温等离子灭菌的优势2第二章低温等离子体发生器电源方案论证32.1 电源的系统结构32.2 工频整流滤波电路32.3 单相半控桥感性负载电路52.4 整流电路的选择72.5 滤波电路的选择72.5.1 滤波的基本概念72.5.2 电容滤波电路82.5.3 滤波电路工作原理112.6 DC/AC逆变电路112.6.1逆变电路的选择122.6.2电压型逆变电路的原理132.6.3
2、逆变方案论证152.6.4脉宽调制（PWM）型逆变电路15第三章控制电路的论证163.1整流控制电路163.1.1 单结晶体管触发电路原理163.2 LM4651的引脚功能183.2.1 LM465主要参数与特点213.2.2 LM4651原理和应用电路213.3脉宽调制（PWM）型逆变电路233.4 LC滤波电路243.5变压器的计算253.6 基准正弦波电路的设计283.7输出电压显示仪的选择333.8频率表的选择343.9设计电路的计算36第四章系统总设计图元器件清单394.1元器件清单394.2系统设计原理图4241 / 43 第一章 低温等离子体消毒灭菌设备的概述1.1消毒灭菌的定义
3、和介绍所谓消毒，就是用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。常用的消毒剂种类很多，有75%酒精、碘酒、红溴汞（红药水）、龙胆紫（紫药水）、氯等。消毒剂一般只对细菌的营养体有效，而对芽孢很少有杀死作用。所谓灭菌，就是用理化方法杀死一定物质中的微生物的微生物学基本技术。灭菌的彻底程度受灭菌时间与灭菌剂强度的制约。 微生物对灭菌剂的抵抗力取决于原始存在的群体密度、菌种或环境赋予菌种的抵抗力。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。1.2低温等离子体的形成等离子体是指不断从外部对物质施加能量而使其离解成阴、阳电荷粒子的物质状态。由于按照能级顺序，物质状态依次为固
4、态、液态、气态、等离子体，因此等离子体习惯又称为第四态。除存在于自然界外，等离子体也能通过人工方式获得。通常是对气体施加电场，使荷粒子加速。由于离子较重，所以被加速的都是电子。通过电子与较重粒子碰撞而引起电离，最终形成等离子体。在中低压状态下，作为等离子体质量主体的较重粒子（ 中性基团和离子）其温度要比电子低至少一个数量级，因此这种等离子体称之为低温等离子体或冷等离子体。根据离子温度与电子温度是否达到热平衡，可把等离子体分为平衡等离子体和非平衡等离子体。在平衡等离子体中，各种粒子的温度几乎相等。在非平衡等离子体中电子温度与离子温度相差很大。通常把电离度小于 0.1的气体称弱电离气体，也称低温等
5、离子体；电离度大于 0.1的称为强电离等离子体，也称高温等离子体。1.4低温等离子体的消毒机理关于低温等离子的杀菌消毒机理，迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。根据早期的试验，相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说，无论是从物理还是化学方面对杀菌消毒机理进行探索，归根到底不外乎又一下三种：等离子体形成过程中产生的大量紫外线直接破坏微生物的基因物质;紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键，最后生成挥发性的化合物如CO、CHx；通过等离子的蚀刻作用，即等离子体中活性物质与微生物体的电白和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能。研究说明，在单一气体中，气体对细菌孢子的杀
6、灭作用不尽相同，按杀菌效果强弱依次为O 2 、CO 2 、H 2 、Ar 和N 2 ；而利用混合气体激发等离子体，其杀菌消毒效果往往比单一中性气体好。1.5等离子空气消毒当前，空气消毒原理国外通用的方法主要采用紫外线直接照射、臭氧消毒、喷洒消毒剂、层流洁净通风、等离子、静电吸附等技术。1.6低温等离子体的用途低温等离子体用于切割.焊接.和喷涂以与制造各种新型的电光源与显示器等。在军事上，采用等离子体对武器装备进行隐身具有许多使用其他物质所不具备的优点：第一，具有较大的吸波带宽,高于等离子体频率的雷达波都能进入等离子体并被衰减，强烈吸收雷达波，使飞行器隐身；第二，等离子体还能折射雷达波，这将使雷
7、达回波进一步减弱，而且等离子体对雷达波造成的频谱离散和交叉调制，都不利于雷达发现目标；第三，在隐身的同时能够产生假目标；第四，利用专门设计的具有锐边界的等离子体还能作为转发器和天线，能够将与它共振的雷达波经延迟后转发回去。在农业上，经过农业科技人员进行了不断地探索和研究。在医学上，低温等离子体灭菌器适用于大中小型医院的供应室，手术室，牙科，肛肠科，美容科，急救中心，社区医疗，牙科门诊，消毒供应中心等企事业单位。1.7低温等离子灭菌的优势优势：可取代传统的灭菌器,其灭菌速度快，可大大提升被灭菌器械的利用率，同时，灭菌后的器械没有药物残留，对医护人员没有伤害。第二章 低温等离子体发生器电源方案论证
8、2.1 电源的系统结构低温等离子体发生器电源主要有主电路和控制电路两部分组成，如图2-1所示。其中，主电路由工频整流滤波电路、直流斩波电路、SPWM控制的DC/AC高频逆变电路、LC滤波电路与高频升压电路组成。控制电路由SPWM产生的电路、隔离驱动电路、基准正弦波电路、频率调节电路、过流保护电路、过压保护电路以与相应的显示电路组成。2-1 电源系统结构图.2.2 工频整流滤波电路将交流电转换成直流电的变换称为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。整流器的主开关元件一般采用整流为二极管或晶闸管。由整流二极管构成的整流器，由于其输出电压不可控的，称之为不可控整流；由晶闸管构成的整流器，其输出电压是
9、可控的，故称为可控整流。可控整流的电路一般由整流器的主电路（常简称为整流电路）与其触发控制电路组成。在整流变换过程中，其平均功率（或能量）是从交流侧流向直流负载。根据设计产品的方便性,可行性。本设计整流部分选用单相桥式整流电路单相桥式可控整流电路设计单相桥式整流电路将交流电转换成直流电，且通过改变a触发角来改变输出电压的大小。单相桥式可控整流电路又可分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全控整流电路。电阻负载单相半控桥式整流电路可控整流电路的作用就是把交流电能变换成电压大小可调的直流电能，而且其输出电压可以根据需要进行调节。可控整流有多种电路形式，如单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路等。当功
10、率比较大时，常常采用三相交流电源组成三相半波或三相桥式可控整流电路。本节主要以单相桥式电路为例来讨论其工作原理。单相桥式可控电路如图2-2（a）所示，用晶闸管V1、V2代替了不可控整流电路中的二极管。在电源电压的正半周，V1、V4承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，V1不导通，此时负载中没有电流流过。当t=时，控制极加上触发脉冲，V1导通，电流流经V1、V4。由于晶闸管导通时管压降很小，所以负载上的电压。这时V2和V3因承受反向电压而处于阻断状态。当t=时，降为零，V1又变为阻断。在的负半周，V2、V3承受正向电压，当t=+时，触发V2而导通，电流流经V2、V3，负载上的电压仍然为。这时V
11、1和V4因承受反向电压而处于阻断状态。当t=2时，V2恢复阻断状态。由以上分析可见，在的一个完整周期，流过负载的电流方向是相同的，负载上的电压和电流波形如图2-2（b）所示。图2-2 单相桥式可控整流电路2.3 单相半控桥感性负载电路图2-3 大电感负载单相半控桥式整流电路在过p进入负半周时，V3承受正向电压而导通，V4承受反向电压而截止。如果电路中没有接入二极管V5，那么由于电感L感应电动势的作用，V1仍将维持导通状态，负载电流经V1和V3继续流通（续流），形成一个不经过变压器二次绕组的自然续流回路，此时电感释放能量，如果是大电感负载，储能很多，晶闸管V1将维持导通到进入下一个周期的正半周，
12、V4承受正向电压而导通，V3承受反向电压而截止。电流又流经V1、L、R、V4，电感储能，如此不断循环下去，进而导致处于直通状态的晶闸管因过热而损坏。这种不需要外部触发脉冲，出现的一个晶闸管直通，另两个整流二极管轮流导通180的异常工作状态称为失控现象。为避免失控现象，在负载两端并联一个续流二极管V5，这样在过p进入负半周时，在电感感应电动势作用下，续流二极管承受正压导通，负载电流经过V5流通，电感释放能量，V5上的压降不足以使V1维持导通而令V1阻断。如忽略V5的压降，在续流期间负载上的整流输出电压，这一续流过程一直持续到负半周期间触发V2导通时为止。当在的负半周t=+时，触发V2导通，电流流
13、经V2、L、R、V3，负载上得到与正半周相同波形的整流输出电压。这时V1和V4因承受反向电压而处于阻断状态。当过2p进入正半周时，负载电流又经V5形成续流，V2恢复阻断状态。当t=时，又触发V1导通，如此不断循环下去。晶闸管和整流二极管的导通角为q=p-a，电路的工作波形如图2-4 所示参照电路工作波形图，可计算出如下数量关系：输出电压平均值 (2-2-5)晶闸管与整流二极管电流的平均值、与有效值、 (2-2-6) (2-2-7)续流二极管电流的平均值与有效值 (2-2-8) (2-2-9)变压器二次绕组的有效值 (2-2-10)2.4 整流电路的选择普通二极管整流电路存在一个局限性：在输入的
14、交流电压一定时，输出流电压也是一个固定值，不能任意调节，但在许多情况下，都要求直流电压能进行调节，即有可控、可调的特点，可控硅的出现有效地解决了这个问题，使半导体器件从弱电领域进入强电领域。单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高
15、，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 鉴于消毒灭菌设备应用广泛，既可以用于工业、医疗机构、餐饮业等地的消毒灭菌，也可用与普通家庭。因此选择单相电源会更加适宜。本设计采用单相桥式半控整流电路（阻感性负载）2.5 滤波电路的选择2.5.1 滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既
16、可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。2.5.2 电容滤波电路现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图2-5所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图2-5 电容滤波电路（1） 滤波原理 若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦波。 当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍
17、然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图2-6。 图2-6 电容滤波电路波形需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图2-7滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲
18、线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 图2-7电容滤波的效果 （2）电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=（35）的条件下，近似认为VO=1.2V2。（3）外特性整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图2-8所示。图2-8 电容滤波外特性曲线在大电流的情况下，由于负载电阻RL很小。若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大，在此情况下应采用电感滤波。如图2-9所示，由于电感线圈的电感量要足够大
19、，所以一般需要采用有铁心的线圈。图2-9 单相桥式整流电电感滤波2.5.3 滤波电路工作原理当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流与电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。 在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RLL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤
20、波效果愈好。 另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管电流，从而延长了整流二极管的寿命。电容滤波电路有一下的优点：其适用于小电流负载；电容滤波电路的外特性比较软；且电路简单、体积小、成本低。但其缺点是采用它时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。电感滤波的优点有：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。但其缺点是：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适应于低电压、大电流的场合。 综上所述，可知电容滤波器适用于大电压小电流负载，而电感滤波器适用于大电流低电压负载。本设计中电源是要产生高频高压电源，因而易使用电容滤波。2.
21、6 DC/AC逆变电路开关电源中的一个重要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的交流电。实现这种变换可以有不同的电路结构。逆变器是将直流电变换成交流电的变换器直流变成交流的逆变过程可分为有源逆变和无源逆变。逆变器输出接到交流电网的逆变称为有源逆变；逆变器的输出直接接到交流负载的逆变称为无源逆变。无源逆变是把交流电供给不同频率的负载，无源逆变就是通常说的变频.因此设计中所要用到的是无源逆变。2.6.1逆变电路的选择电源根据直流电源的性质不同，可以分为电流型、电压型逆变电路。（1）电压型逆变电路（电路图如图2-11所示）图2-11 电压型逆变电路原理电压型逆变电路的基本
22、特点：（1）直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。 图2-14 电压型逆变电路（2） 输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。（3） 电感性负载时，需要提供无功功率。为了有无功功率通道，逆变桥臂需要并联二极管。（2）电流型逆变电路（电路图如图2-12所示）电流型逆变电路的主要特点：（1）直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 （2）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑起缓冲无功能量的作用。
23、因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。从上述可得出直流边电压无脉动能输出稳定矩形波的电压型逆变电路更适合本设计的需求。 图2-12 电流型逆变电路原理2.6.2电压型逆变电路的原理如图2-13所示，电压型逆变电路的特点有：1、共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。2、两对桥臂交替导通180。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。图2-13 电压型逆变电路原理图（a） 电压型逆变电路 （b） 电压型逆变电路波形图（1）纯电阻负载时111同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍
24、。（2）电感负载时0t4， /2t3 4期间，、导通起负载电流续流作用，在此期间、均不导通。（3）阻感负载RL时0t期间，和有驱动信号，电流为负值，和不导通，、导通起负载电流续流作用， 。t期间，为正值，和才导通。t+期间，和有驱动信号，由于电流为负值，、不导通，、导通起负载电流续流作用，。+t2期间，和才导通。2.6.3逆变方案论证1. 电路上储存的能量，通过有源器件返回到电网或系统中，而且反馈回去的交流电必须与电网中的电同频同压同相。2.单相电流型逆变电路的优点：电感L上电流很大，而且电压很小。可以使用晶闸管。缺点：频率不高。要辅助启动电路才能启动。远程控制不好引线（要用空心铜管，还要通水
25、冷却）。3.单相电流型逆变电路的工作过程，一个周期中，有两个导通阶段和两个换流阶段。对换流过程的分析都基于电路进入稳定状态，换流电容器已充电到足够的电压值，但在实际电路中，电路刚起动时存在换流电压不足的问题，只有增加辅助充电电路或预充电电路，待换流电容器充电完毕后，电路才能开始投入正常的工作状态。4.电压型逆变电路使用器件较少，结构简单，价格便宜。2.6.4脉宽调制（PWM）型逆变电路逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，G
26、TO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。（2）可获
27、得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速围，提高系统性能。（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。第三章 控制电路的论证3.1整流控制电路3.1.1 单结晶体管触发电路原理要使晶闸管导通，除了加上正向阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电压与电流。为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路。对晶闸管触发电路来说，首先触发信号应该具有足够的触发功率（触发电压和触发电流），以保证晶闸管可靠导通；其次触发脉冲应有一定的宽度
28、，脉冲的前沿要陡峭；最后触发脉冲须与主电路晶闸管的阳极电压同步并根据电路要求在一定的移相围移相。图3-1所示为半控桥整流中的单结晶体管触发电路，其方式采用了单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管的型号为BT33。图3-1所示为半控桥整流中的单结晶体管触发电路当把单结晶体管触发电路用于可控整流电路时，主电路中的晶闸管在每次承受正向电压的半周，承受第一个触发脉冲的时刻应该相同。如果在电源电压每个正半周的控制角不同，输出电压平均值就会不稳定，使发出触发脉冲的时间与电源电压互相配合，称为触发电路与主电路同步。在图3-1中，主电路和触发电路通过变压器都取自同一个交流电源，这样就保证了两者电压的频率相同，
29、而且同相。在触发电路中，变压器副边电压经单相桥式整流后得到电压u，再经电阻R1和稳压管D2组成的稳压电路，在稳压管D2两端得到一个近似的梯形波Uz。梯形电压供给RC电路充电。当uc上升到单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通，使电容器上的电荷经R1迅速放电，而在R1两端产生第一个尖脉冲电压。当uc低于谷点电压Uv时，单结晶体管回复截止。电容器再次充、放电，产生第二个尖脉冲电压，当因此在一个梯形波产生一组脉冲，并在梯形波电压降到零时，电容器上的电荷也放完。这一组脉冲中的第一个用于触发晶闸管。当第二个梯形波开始后，又从头开始产生第二组脉冲。显然每组脉冲的第一个脉冲发出的时间都相同，即1=2=3
30、=。因此负载RL上得到可控全波电压uo。电路中各处的电压波形如图3-2所示。下面说明图3-2电路中的几个元件的作用。（1） 稳压管的削波作用：稳压管将整流所得的全波电压u削去顶上一块，得到近似的梯形波uz。顶部稳定的电压uz使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲的时间不受电网电压波动的影响。图3-2 电路中各处的电压波（2） 变压器的同步作用：通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，每当主电路的交流电源电压过零值时，稳压管上的电压uz也过零值，两者同步。因此变压器又称为同步变压器。在uz过零值时，单结晶体管两基极间的电压UBB也为零。这时电容C上如果还有电荷，它将向R1很快放掉，
31、保证电容C在每一个半波开始时从零开始充电，使每个半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。（3） 改变Rp的移相作用：如欲调节输出电压的大小，可以通过改变Rp的大小，即改变电容器充电时间常数来实现。若使电位器Rp阻值减小，C的充电变快，因而每半周出现一个脉冲的时间前移，即角减小，角增大，输出电压的平均值随之变大。所以，改变Rp可以移相，调整输出电压。3.2 LM4651的引脚功能LM4651是一种PWM控制/驱动器IC,置振荡器、PWM比较器、误差放大器、反馈测量放大器、数字逻辑与保护电路与驱动器等,表1列出了LM4651的引脚功能。图3-5 28脚DIP
32、封装的LM4651脚号引脚符号功 能 描 述1OUT1输出到功率MOSFET栅极驱动电路的基准脚1,27BS1,BS2为驱动上面的栅极HG1、HG2提供额外偏置的自举脚3HG1半桥中#1高端栅极驱动输出4HG2半桥中#2高端栅极驱动输出5,15GND模拟地6+6VBYP模拟电路部调节正电压输出,该脚仅用作部调整器旁路7+VccIC正电源电压输入8-6VBYP模拟电路部调节负电压输出,该脚仅用作部调整器旁路9FBKVo反馈测量放大器输出脚10ERRIN误差放大器反相输入脚。该脚上的输入音频信号与反馈信号相加11ERRVo误差放大器输出脚12TSD热关闭输入脚,连接LM4652的热关闭输出13ST
33、BY待机功能输入脚14FBK1反馈测量放大器,该脚必须连接到来自VO1（LM4652脚15）的反馈滤波器16OSC开关频率振荡脚,调节电阻从15.5k到0变化,开关频率从75kHz到225kHz变化17Delay延迟时间调整脚18SCKT短路设定脚,最小设定值是10A19FBK2反馈测量放大器脚,该脚必须连接到来知VO2（LM4652的脚7）的反馈滤波器20,21-VDDBYP供数字单元电路使用的调整器输出,该脚仅作旁路用22,23-VEEIC负电源电压24START启动电容输入脚。可调节调制器的诊断时序启动时间25LG1半桥中#1低端栅极驱动器输出26LG2半桥中#2低端栅极驱动器输出28O
34、UT2输出到功率MOSFET栅极驱动器电路的基准脚图3-5 28脚DIP封装的LM46513.2.1 LM465主要参数与特点a.极限参数LM4651的最高电源电压为22V,其功耗分别为1.5W和32W,最高结温为150,工作温度围为-40+85。b.电气特性LM4651的总静态电流（在LM4652不连接时的典型值）为36mA,待机状态时的输入电压（典型值）为2V,开关频率围（在Rosc从15k变为0时）为65200kHz,死区时间为27ns,调制保护时间（典型值）为310ns。LM4651的主要技术参数为：总揩波失真（THD）（在10W、4和10500Hz下）0.3%;输出功率（4、75kH
35、z、10%THD时）为170W; 最大效率（在125W和1%THD下）为85%;待机状态衰减100dB。c. 主要特点LM4651的主要特点如下：具有常规的脉冲宽度调制（LM46451）;开关频率外部可控,围为75200kHz;含集成误差放大器和反馈放大器;可导通软启动和欠电压闭锁;具有过调制保护（软削波）功能;可进行短路电流限制和热关闭保护;具有自检查保护诊断功能。3.2.2 LM4651原理和应用电路（1） 待机（Standby）功能LM4651的CMOS兼容性允许通过关闭脉冲宽度波形去关断所有功率MOSFET。由于待机状态关闭了脉冲宽度波形,因而EMI被限制到最小限度,当脚13不逻辑“1
36、”功5V时,待机功能有效;脚13为逻辑“0”或0V时,待机无效,允许利用输入信号调制。（2） 启动程序和定时LM4651具有部软启动功能,该软启动功能可保证系统的可靠和协调启动,在启动周期,系统保持待机模式。启动时间的调节可通过连接到START脚的电容（CSTSRT）来控制。（3） 电流限制和短路保护连接在SCKT脚与GND之间电阻用来决定最大输出电流。一旦输出电流高于设定限制,短路保护将关断所有功率MOSFET电流限制最小设备在10A,但调节数值可以适当使电流增大,在输出端短路或场声器失效（出现短路）的情况下,IC将执行安全保护功能。（4） 死区时间设定LM4651上的DELAY脚可用来设定
37、系统死区时间。通常的推荐值为5k。的单位为秒。（5） 过调制保护当输入信号幅值高于部三角波时,过调制条件发生,如果缺少过调制,将导致功率MOSFET永久性毁坏。在正统波顶部,过调制保护还提供一个软削波（soft clip）型响应。对于给定的相同的电压和负载,这种限幅将使输出功率降低。（6） 反馈放大器和滤波器反馈放大器用来进行差动取样输出信号并为误差放大器提供一个单端反馈信号,反馈信号直接取自LC滤波器之前的开关输出,从而避免了输出滤波器引起的相移。来源于桥式输出的差动信号经单极点或双极点的RC滤波器进入到作为反馈放大器使用的高输入阻抗测量放大。反馈测量放大器的部固定增益为1。图3-6 LM4
38、651原理图3.3脉宽调制（PWM）型逆变电路逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为
39、四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速围，提高系统性能。（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。3.4 LC滤波电路图4-8 滤波器电路图滤波器输出设计,如图4-8所示设：F为
40、逆变器输出频率(10KHz).Fk最低次谐波电压频率（30 KHz）。Fc滤波器的截至频率。Fc=2Fk/(EBOE-BO)Bo=lnUkim/UkomUkim:滤波器输入端最低次谐波的电压幅值Ukom：滤波器输出端最低次谐波的电压幅值F=10KHz Fk=30KHz （FcFK）设Ukim=10V Ukom=3VBo=lnUkim/Ukom=1.204EBO=E-BO=3.333+0.2999=3.6329Fc=230/3.6329=16.5KHz元件的计算LoCo=1/(2f)2Lo/Co=（0.50.8R）2选择Lo/Co（0.6R）2Lo=0.6R/22fUo1=168V 令150VK
41、=150/1000=0.15R=K2RL=0.152100M=2.25MLo=0.62.25K/216.5103=13mHCo/Lo=1/（0.6R）2Co=0.07uf结论电容选择CY22/23-4，电感选择SDCL2012-D TYPE。3.5变压器的计算1. 变压器设计的前提输入给定条件:1）、输入给定 2）、计算变压器总功率 其中：变压器效率=0.8 输出功率 3）、确定工作磁感应强度选择E、E型磁芯材料（R2KB）；选双极性变压器4）、确定电流密度系数Kj查表18-18，得允许温升25，Kj=3665）、确定窗口填充系数T一般在0.20.4之间，选=0.36）、计算乘积按式18-12
42、8计算：由磁芯决定的常数，见表18-18，=-0.12查表18-15得到磁芯尺寸，如图4-9所示图4-9 双E型磁芯图7）.计算原、副线圈的匝8）、计算电流有效值=7AI2=0.1A9)、电流密度计算J依照18-12710）、导线面积计算11）、取导线直径12）、计算导线根数13）、平均匝数14）、=N1L11=6.78m 取7m=N2L21=371mm3.6 基准正弦波电路的设计一、RC串并联式正弦波振荡电路1、RC串并联网络的选频特性 RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成, 如图4-2 所示。图 4-2 RC串并联网络设R1、 C1的串联阻抗用Z1表示, R2和C2的并联阻
43、抗用Z2表示, 那么 （4-3-1） 输出电压与输入电压之比为RC串并联网络传输系数, 记为, 则 （4-3-2） 在实际电路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 则上式可简化为令 幅频特性 （4-3-3） 相频特性 （4-3-4）由上式可得：当时，,当时，当时，幅频特性和相步进特性曲线如下：图4-3 幅频特性和相步进特性曲线2. RC串并联式正弦波振荡电路1） 电路组成 图4-4为集成运放构成的RC桥式正弦波振荡电路， 其中的放大电路是由集成运放构成的同相比例电路。 RC串并联网络的输出端接在集成运放的同相输入端， 将反馈信号送给放大电路。 图4-4 集成运放构成的RC桥式正弦波振荡电路2）振荡频率3）起振条件当R2 = 2R1 时， A = 3，则AF=3 1/3 =1 ，满足自激振荡的幅值条件。若R2 2R1 ，则AF 1，可以满足自激振荡的起振条件。4）常用的稳幅措施（1）采用热敏电阻（2）利用二极管的非线性实现自动稳幅，如图4-5所示图4-5 采用二极管的非线性实现自动稳幅（3）采用场效应管进行自动稳幅图4-6 采用场效应管进行自动稳幅的RC串并联式正弦波振荡电路设C=1000P F ，f=10kHz，R=1/(2*1000*10-12*10*103 )=16kK=RF/Rf=3，RF =10 k，Rf=R3+RG， R3=2.2 k令RG=0.51 k，