电流变体实验用高压直流电源的设计

摘要

电流变体是一种其表观粘度和抗剪切屈服应力会随外加电场强度大小而变化的新型智能软材料。由于电流变体的电流变效应能够通过控制外加电场强度的大小实现快速、可逆、无级调节，因此基于电流变效应的电流变技术在车辆工程，航空航天工程，生物医药工程等多种领域具有广阔的发展前景。
　　本文主要设计一款能够为电流变体实验研究提供可控电场的高压直流电源，实现输出电压0～10kV可调，额定输出功率100W，纹波电压小于1％。该电源系统采用两级式变换结构，能够实现电压的宽范围输出。通过对前级Buck电路连续和断续两种不同工作状态的比较分析，确立了Buck电路DCM工作模式，并通过对后级半桥串并联谐振变换电路等效模型的建立，绘制出电压增益与谐振电容和频率之间的关系曲线，为LCC谐振参数的图表法设计提供了理论依据;在理论分析的基础上，对Buck电路，半桥逆变电路，SG3525驱动电路，TL494驱动电路，电压电流检测电路等电源主电路结构进行了设计，通过优化绕组结构，对高频变压器进行分段式结构设计来减小其漏感和分布电容参数对电源性能的影响;并以89C51单片机为核心对A/D、D/A转换电路，键盘输入电路，LCD显示电路进行了设计和软件编程，以此来实现高压直流电源的电压、电流采样和数字化控制。
　　通过Saber软件仿真和对电流变体试样测试，该高压直流电源能够通过单片机数字控制实现输出电压0～10kV连续可调，闭环控制实现了稳压输出，电压纹波最大为0.8％，半桥串并联谐振电路实现了功率开关管的ZVS，电源性能满足电流变体实验研究的需要。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电流变技术的发展应用

1．1．1 电流变技术的发展历史

1．1．2 电流变技术的工程应用

1．1．3 电流变效应的影响因素

1．2 电流变体实验用高压电源的发展现状

1．2．1 开关稳压电源的发展现状

1．2．2 电流变体领域高压直流电源的发展现状

1．3 论文的选题思想与主要研究内容

1．3．1 论文的选题思想

1．3．2 论文的主要研究内容

2 电流变体实验用高压电源的电路结构

2．1 电流变元件的等效电气模型

2．2 高压电源的总体电路结构

2．3 电源两级式结构设计

2．4 电路闭环控制设计

2．5 Buck电路DCM工作模式

2．6 半桥串并联谐振变换结构

2．6．1 半桥变换器的工作原理

2．6．2 LCC半桥谐振变换COM工作模式

2．6．3 LCC半桥谐振变换电路模型分析

2．6．4 LCC谐振参数图表法设计

2．7 本章小结

3 高压电源电路设计

3．1 输入整流滤波电路设计

3．2 Buck电路设计

3．2．1 功率开关管V的选择

3．2．2 续流二极管VD的选择

3．2．3 储能电感的选择

3．2．4 输出滤波电容的选择

3．3 半桥变换电路设计

3．3．1 半桥功率开关管的选择

3．3．2 分压电容的计算

3．3．3 LCC谐振参数的选取

3．3．4 输出整流滤波电路设计

3．4 驱动控制电路设计

3．4．1 Buck隔离驱动电路

3．4．2 半桥逆变隔离驱动电路

3．5 采样检测电路设计

3．6 过压过流保护电路设计

3．7 单片机数字电路设计

3．7．1 DAC转换电路设计

3．7．2 LCD显示电路设计

3，7．3 按键输入电路设计

3．8 本章小结

4 高压电源变压器设计

4．1 高频变压器分布参数模型建立

4．2 漏感对高压直流电源的影响分析

4．3 分布电容对高压直流电源的影响分析

4．4 绕组结构对变压器分布参数的影响

4．5 高频高压变压器优化设计

4．6 本章小结

5 仿真与实验结果

5．1 电源主电路仿真

5．1．1 Buck电路仿真

5．1．2 半桥谐振电路仿真

5．2 电源实验结果分析

5．2．1 驱动电路实验波形

5．2．2 功率开关管实验波形

5．2．3 高压电源输出电压测试

5．3 本章小结

结论

参考文献

附录 电源模块实物图

致谢