高效率宽频正弦电磁场发生器的研究毕业设计.docx

高效率宽频正弦电磁场发生器的研究毕业设计目录中文摘要IABSTRACTII1绪论11.1 高效率宽频正弦电磁场发生器用途11.2 国内发展水平11.3 研究意义22正弦电磁场发生器基本工作原理32.1种类32. 1. IRC正弦波振荡电路32. 1. 2LC正弦波振荡电路42.1. 3石英晶体正弦波振荡电路72. 2信号发生器新技术83高效率宽频正弦电磁场发生器设计任务、设计方案 123. 1方案选择123. 2原理方框图143. 3系统设计143. 3.1信号源143. 3. 2功率放大器183. 3.3串联谐振电路213. 3. 4控制开关234仿真研究253.1 仿真软件254. 2仿真结果254. 2.1半桥串联谐振电路及仿真254. 2. 2全桥串联谐振电路及仿真314. 3仿真结论3752言论385.1实验说明385. 1. 1M0SFET386. 1.2 4个频点385. 1.3 死区385. 2总结39参考文献40重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论1绪论1.1 高效率宽频正弦电磁场发生器用途随着现代电子技术的发展，正弦电磁场在军事、医学、通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测、电子测量、地质勘察等领域得到了广泛的应用。雷达侦测、研制新型相控雷达、军事通信、电磁炮等新型武器研制和开发；细胞增殖与分化、促进细胞愈合、抗癌、超声波以及防治骨质疏松；钻孔在线检测、示波器、抗电磁干扰。正弦信号源在线性系统测试中应用十分广泛，例如，电子放大器增益的测量、相位差的测量、非线性失真的测量、以及系统频域特性的测量等等，都需要正弦信号源。具有频率稳定度很高的正弦信号源还可以作为标准频率源来与其它各种频率源进行对比。载波频率可调的已调波（包括调幅的或调频的、脉冲调制的）信号源，对于接受设备的调试、维修则是不可缺少的。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用，时变场中的大块导体内将产生涡流及集肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是正弦电磁场的直接应用。各类信号源虽然都能输出正弦波，但是由于频率不同，其结构原理是不同的。通常，低频和视频正弦信号源产生正弦信号，而高频和超高频信号源，除了有纯正弦波（载波）输出外，还有调制波形的输出，习惯上成为信号发生器。1.2 国内外发展水平光触发晶闸管的主体结构与一般电触发晶闸管没有什么区别。其门极区对光敏感,在光缆传送过来的光信号作用下产生载流子注入，导致晶闸管被触发，从阻断状态转入导通状态。以上是传统概念的光触发晶闸管。几年前,Eupcc公司研制出有自保护功能的光触发晶闸管,方法是在制作晶闸管的同一硅片上,集成一个转折二极管（BOD）,并将该BOD的转折电压设计得低于晶闸管的正向转折电压，从而实现BOD对晶闸管遭遇到过电压时的保护作用。公司开发的带BOD保护二极管的LTT,几年前已成功应用于西门子公司在北美承建的一个电力系统。GTO是上个世纪60年代初问世的,在此后的三四十年内得到了很大的发展，至今仍是重要的电力半导体器件。为了改善关断特性,器件均采用多个子器件并联的方式,即在同一硅片上,制作成千上万个细小的子器件，他们有共同的门极电极,而阴极则是相互分开独立的采用适当的封装结构，将这些子器件并联在一起，器件外观和大功率普通晶闸管完全一样。传统GTO器件存在固有的缺陷。特别是在关断过程中，各子器件关断不均匀，很可能造成关断过程拖尾时间长，电流甚至集中在某些子器件上，这种电流局部集中现象一电流丝化现象，将导致局部热点的产生，严重时会使器件被烧毁。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是电力半导体与微电子精细工艺相结合的产物。IGBT器件一经问世，即得到飞速发展。它除了具有MOS器件输入阻抗高、控制功率小的优点以外，更重要的是它同时具备双极器件通态压降低的特点，从而受到电力电子工程师的青睐。1988年第一代IGBT进入市场，5年后第三代IGBT问世。上世界90年代后期，1200A, 2000V以下的IGBT已实现工业规模生产，并开发出45005000V的高压IGBT,与此同时，外形与普通高压大电流晶闸管类似的1000A, 2500V平板型IGBT也研制成功。反向开关4层2端晶闸管（RSD）,它是前苏联科学家在上世界80年代中期研制成功的。RSD由同意硅片上成千上万个晶闸管和晶体管交替排列组合而成，每一单元的特征尺寸小于N型长基区的宽度。RSD基本工作原理是，晶闸管和晶体管共用的集电结阻断外电压，当此电压极性反转时。晶体管及相邻的晶闸管的n基区内形成等离子体。由于交替分布的晶体管、晶闸管的尺寸比n基区的宽度还小，上述等离子体相互交叉重叠，从而在n基区内形成非常均匀的等离子区。当控制电流脉冲结束且外电压极性复员以后，外电场将把基区内的载流子归荡出去。接下来便引发两边发射极的少子注入，导致器件在整个面积上均匀地通过，能产生数量级达106A的脉冲开关电流。国内已研制出匕尔,达40004800V和20004_3000V的RSDo对于巾40mm的RSD,峰值电流可达10 A,而di/dt可高达10“/仲1.3 研究意义由于正弦电磁场在各个领域的重要作用，目前，对正弦电磁场的研究日益引起国内外学术界和产业部门的极大重视。我国也在正弦电磁场领域的研究取得了一定的成就。由于我国的电力电子科学研究开始得比较晚，很多技术和国外还有一定的差距，主要是在各种电子器件及芯片上的制造工艺较落后。各种仪器在性能上不如国外。随着人们对电磁波的应用越来越深入，对电磁波的要求也越来越高，如频率越来越高，功率越来越大，波形还要尽量不变形。本课题研究的意义在于利用DDS合成技术（AD9852芯片），设计一种高效率宽频正弦电磁场发生器，使得产生的正弦电磁场在质量上得到保证并且效率高，功耗小。重庆大学本科学生毕业设计（论文）正弦电磁场发生器基本工作原理2正弦电磁场发生器基本工作原理2. 1种类正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般是在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路四个部分我们在分析正弦振荡电路时，先要判断电路是否振荡。方法是：是否满足相位条件，即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；是p膏足幅度条件，检验M,若：园<i则不可能振荡；振荡，但输出波形明显失真；明产生振荡。振荡稳定后冈此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小。按选频网络的元件类型，把正弦振荡电路分为：RC正弦波振荡电路；LC正弦波振荡电路；石英晶体正弦波振荡电路。3. 1. 1 RC正弦波振荡电路常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振串并联网络在此作为选频和反馈网络。它的电路图如图2-1所示：它的起振条件为：R/>2Xi。它的振荡频率为:图2-1重庆大学本科学生毕'也设计（论文）正弦电磁场发生器基本工作原理它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。它的振荡频率为：' a®石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。4. 1.2 LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当户为时:放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从面形成正弦波振荡。由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路。LC正弦波振荡电路中的选频网络采用LC并联网络，如图所示。图2-2为理想电路，无损耗，谐振频率为工比屈X E 1在信号频率较低时，电容的容抗（°无）很大，网络呈感性；在信号频率较高时，电感的感抗（*<=，"）很大，网络呈容性；只有当上/泗寸，网络才呈纯阻性，且阻抗最大。这时电路产生电流谐振，电容的电场能转换成磁场能，而电感的磁场能又转换成电场能，两种能量相互转换。图2-312实际的LC并联网络总是有损耗的，各种损耗等效成电阻R,如图2-3所示。电路的导纳为:回路的品质因数上式表明，选频网络的损耗愈小，谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。当.片力时，电抗当网络的输入电流为/0时,电容和电感的电流约为根据式ZR+JaL可得适用于频率从零到无穷大时lc并联网络电抗的表达式z=i/y,其频率特性如图2-4所示。Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。图2-4 LC弁联网络电抗的频率特性若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载，如图2-5所示，则电路的4 fz电压放大倍数大根据LC并联网络的频率特性，当产时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移（原因）。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。根据引入反馈的方式不同，LC正弦波振荡电路分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种电路。T Vcc图2-5选物放大电路变压器反馈式振荡电路（图2-6）引入正反馈最简单的方法是采用变压器反馈方式，用反馈电压取代输入电压,得到变压器反馈式振荡电路。变压器反馈式振荡甩路中放大电路的输入甩阻是放大电路负载的一部分，一般情况下，只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数比以及其它电路参数，电路很容易满足幅值条件。变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，输出电压的波形失真不大，应用范围广泛。但是由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大。并且振荡频率的稳定性不高。图2-6变乐器反核式振;器IW2-7电与反慢式振荡电路 电感反馈式振荡电路（图2-7）为了克服变压器反馈式振荡电路中变压器原边线圈和副边线圈耦合不紧密的缺点，可将变压器反馈式振荡也路的N和N,合并为一个线圈，为了加强谐振效果,将电容C跨接在整个线圈两端，便得到电感反馈式振荡电路。电感反馈式振荡电路中N?与N：之间耦合紧密，振幅大，易起振；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高振荡频率可达几十MHzo由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，反馈信号中含有较多的高次谐波分量，输出电压波形不好电容反馈式震荡器（图2-8）图2-8电容反慢式振薄电路为了获得较好的输出电压波形，若将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感,电感换成电容，并在转换后将两个电容的公共端接地，且增加集电极电阻Rc，就可得到电容反馈式振荡电路，示。因为两个电容的三个端分别接在晶体管