IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(周豪)

1、-作者xxxx-日期xxxxIGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(周豪)【精品文檔】摘 要 近年來,交流電機變頻調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的研究己成為現(xiàn)代電氣傳領(lǐng)域的一個重要課題,隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會取得巨大進步。本文對變頻調(diào)速理論，逆變技術(shù)，幾種PWM產(chǎn)生原理進行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型數(shù)字化變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，以8051控制專用集成芯片為核心，采用IGBT作為主功率器件，同時采用TLP250構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數(shù)接近1，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。本文在控制上采用恒f/V控制，同時，軟件程序

2、使得參數(shù)的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。關(guān)鍵詞：變壓變頻；8051；IGBT；恒f/V Abstract In recent years, research has AC Motor and related technologies become an important topic in the field of modern electrical transmission, along with the development of new power electronic devices and microprocessor as well

3、as the launch of AC motor control theory, AC variable speed technology will also made great progress. In this paper, the theory of frequency control, inverter technology, several PWM generation principle were studied based on this design of a new digital variable voltage variable frequency control s

4、ystem, in order to control specific integrated chip 8051 core, using IGBT as the main power devices, while using the IGBT driving circuit constituted TLP250, a rectifying circuit using a diode, allows the power factor close to 1, and only part of the power level controlled, the circuit configuration

5、 is relatively simple.In this paper, the constant f / V control in the control, while the software program enables changing the input parameters and the operating mode is extremely easy to drive, the new integrated elements also makes use of its short development cycle.Key words:VVVF; 8051; IGBT; co

6、nstant f / V目 錄摘要.Abstract.1.1.12.變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)組成及分析.3.3.4.4.43. 控制電路設(shè)計.5.5 3.2 驅(qū)動電路設(shè)計.5.7.10.11.12參考文獻.13附錄:六路pwm信號控制下的IGBT驅(qū)動電路【精品文檔】1設(shè)計任務(wù)與要求1.1要求 設(shè)計一個變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)包括速度設(shè)定、速度顯示、速度測量、速度控制、正反轉(zhuǎn)控制、聲光報警等，且根據(jù)交流異步電動機的容量采用由三相二極管整流橋、電容濾波、基于全控型開關(guān)器件IGBT或MOSFET的三相PWM逆變橋構(gòu)成的主電路給異步電動機供電。已知：（1）異步電動機：額定容量PN =3KW，額定電壓UN =38

7、0V，額定電流IN =6.9A，額定轉(zhuǎn)速為nN =1400 r/min，額定頻率fN =50Hz，定子繞組Y聯(lián)接。由實驗測得定子電阻Rs，轉(zhuǎn)子電阻Rr =2.658，定子自感Ls =0.294H，轉(zhuǎn)子自感L r =0.2898H，定、轉(zhuǎn)子互感L m =0.2838H，轉(zhuǎn)子參數(shù)已折算到定子側(cè)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J 2。（2）變頻電源主要技術(shù)指標(biāo)：1）輸入電壓額定值：三相、380VAC、50Hz，2）效率：80%以上，3）額定輸出容量：4KVA或250VA，4）額定輸出電壓：三相、380VAC，5）輸出頻率：5400Hz，6）控制方式：開環(huán)恒壓頻比控制方式/轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制方式，CFPWM、SPWM

8、、SVPWM脈沖產(chǎn)生方式。設(shè)計內(nèi)容（1）系統(tǒng)理論分析（2）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計（3）主電路設(shè)計（4）系統(tǒng)仿真分析利用Matlab/Simulink建立轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型；對系統(tǒng)在電流跟蹤式PWM、自然采樣SPWM、規(guī)則采樣PWM、SVPWM控制方式下，加與不加給定積分器的條件下，對變頻器的輸出電壓和電流波形、電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形等進行仿真分析。（5） 系統(tǒng)控制電路設(shè)計1）單片機（51單片機或DSP）數(shù)字控制電路設(shè)計2）電壓（2路交流電壓、1路直流電壓）采樣電路3）電流（2路交流電壓、1路直流電流）采樣電路4）電網(wǎng)交流電壓同步信號檢測電路5）控制

9、系統(tǒng)輔助供電電源電路6）PWM控制脈沖產(chǎn)生、光電隔離放大電路及驅(qū)動電路,畢答案,課件7）過流、過壓、過溫保護電路和泵升電壓限制電路8）邏輯保護電路設(shè)計（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計 1）系統(tǒng)總體設(shè)計 2）主程序設(shè)計3）轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制軟件設(shè)計4）M法、T法、M/T法測速程序5）轉(zhuǎn)速PI控制算法程序6）電壓和電流采樣程序& I( B0 Z! W0 | 7）電流滯環(huán)控制程序8）鍵盤與顯示程序9）過流、過壓、過熱故障檢測與保護中斷服務(wù)程序10）上位機監(jiān)控軟件設(shè)計（5）用Proteus軟件進行系統(tǒng)軟硬件仿真測試2. 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)組成原理圖2-1 變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖由圖2-1可知，主電路部

10、分380V的工頻交流電經(jīng)過進線電抗器進入到整流橋，至此交流電被整為直流電，經(jīng)過大電容濾波，濾去一些高頻諧波， 再經(jīng)過由IGBT組成的全控型逆變電路，整成直流，再進行一級濾波電路，供給異步電動機?？刂齐娐凡糠钟?1單片機組成的核心部分對主電路實行控制，其中包括ADC/DAC、采樣電路、同步信號檢測電路、各種保護電路、驅(qū)動電路以及基本的單片機外圍電路。本系統(tǒng)的控制方式有CFPWM、SPWM、SVPWM等，由51單片機編程實現(xiàn)，進而控制驅(qū)動電路來實現(xiàn)IGBT的通斷，最后對異步電送機實現(xiàn)變壓變頻調(diào)速。詳細的各部分介紹如下：主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓

11、源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻或電抗。T7和R3為泵升電壓限制電路，由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流通路，因此除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為便于散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。驅(qū)動電路的作用是將微機控制電路產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)功率

12、放大后，控制電力電子器件的開通或關(guān)斷，起到弱電控制強電的作用。 電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉(zhuǎn)換電路，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，并同時用作顯示和故障保護。 現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP。PWM信號可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。控制軟件是系統(tǒng)的核心，除了PWM生成、給定積分和壓頻控制等主要功能軟件外，還包括信

13、號采集、故障綜合及分析、鍵盤及給定電位器輸入、顯示和通信等輔助功能軟件?，F(xiàn)代通用變頻器功能強大，可設(shè)定或修改的參數(shù)達數(shù)百個，有多組壓頻比曲線可供選擇，除了常用帶低頻補償?shù)暮銐侯l比控制外，還有帶S型或二次型曲線的，或具有多段加、減速功能，每段的上升或下降斜率均可分別設(shè)定，還具有擺頻、頻率跟蹤及邏輯控制和PI控制等功能，以滿足不同用戶的需求。圖3-1 IGBT驅(qū)動電路原理圖本系統(tǒng)中對逆變部分的控制采用以51單片機為核心的數(shù)字控制方式，由51單片機產(chǎn)生的PWM信號控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，但是51單片機輸出的電壓和電流較小，不滿足驅(qū)動IGBT的最小要求，因此需要專門的IGBT驅(qū)動電路。IGBT的驅(qū)動

14、電路如下圖所示。單片機從PWM1引腳發(fā)出PWM信號，輸入TLP250，然后，TLP250從G1和E1輸出IGBT的驅(qū)動信號，G1和E1分別接到IGBT的柵極和發(fā)射極。為了使IGBT可以加速關(guān)斷速度，使系統(tǒng)運行更加可靠，當(dāng)IGBT關(guān)斷時，使柵極和發(fā)射極之間為負電壓。在電路中，采用6V的穩(wěn)壓管2CW7C，供電電壓為15V。當(dāng)前端輸入導(dǎo)通時，柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生9V電壓，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通；當(dāng)前端輸入關(guān)斷時，柵極和發(fā)射極之間產(chǎn)生負6V的電壓，加快了IGBT的關(guān)斷，保證了系統(tǒng)的可靠運行。3.2 驅(qū)動電路設(shè)計（1） 光耦隔離的選型 在本設(shè)計中，IGBT的驅(qū)動采用了東芝公司的TLP250芯片。TLP250前

15、端最小導(dǎo)通電流為5mA，供電電壓為1035V，輸出電流可達1.5A，隔離電壓可達2500V，額定工作頻率為25KHZ。并且外圍電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。 TLP250是8腳DIP封裝，適用于柵極驅(qū)動的IGBT管和大功率MOSFET管輸入閾值電流: IF=5mA(最大)電源電流(ICC): 11mA(最大)電源電壓(VCC): 1035V輸出電流(IO): 2.0A(最大)s(最大)隔離電壓: 2500Vrms 123456781 2 3 4 圖3-2 管腳排列(俯視圖) 1:空置 5:地4 2:正極 6:電壓輸出 3:負極 7:電壓輸出 4:空置 8:電源注：F陶瓷電容應(yīng)該連接在8腳和5腳之間來

16、獲得穩(wěn)定的放大增益。. 錯誤的走線（繞線）可能會 削弱開關(guān)的性能。電容和耦合器之間的總長度不能超過 1cm。（2） 穩(wěn)壓管及其它元器件選型 穩(wěn)壓管2CW7C的穩(wěn)定電壓為56.5V，最大穩(wěn)定電流為38mA，低壓側(cè)電阻R1為820，當(dāng)”3“腳輸入低電平時，導(dǎo)通電流約為6.1mA，滿足5mA，還留有一定的裕量；當(dāng)”3“腳輸入高電平時，此時電流為0.4mA，不滿足最小導(dǎo)通電流；高壓側(cè)電阻為2，TLP250輸出最大電流為1.5A，G1極最小電壓為12V，與E1形成壓差為正，能夠較快的驅(qū)動IGBT導(dǎo)通；原理圖中0.1uf的電容起濾波作用，一個對地端濾波，一個對供電側(cè)濾波，以便獲得穩(wěn)定的放大增益。（3） 控

17、制規(guī)律當(dāng)TLP“3”腳輸出高電平時，前端關(guān)斷，此時柵極G1與集電極E1之間壓差為負，IGBT關(guān)斷，當(dāng)TLP“3”腳輸出低電平時，前端導(dǎo)通，此時柵極G1與集電極E1之間壓差為正，IGBT導(dǎo)通。本系統(tǒng)中涉及到CFPWM、SPWM、SVPWM三種方式的控制，控制規(guī)律以上已給出。（4） IGBT驅(qū)動電路在本系統(tǒng)中的應(yīng)用在本系統(tǒng)中，IGBT驅(qū)動電路還在邏輯保護電路中應(yīng)用到，即過流，過壓，欠壓，過熱信號經(jīng)過與或非邏輯門電路后，輸出高低電平來封鎖6個IGBT，使異步電動機停車，實現(xiàn)保護功能。（1） CFPWM控制的基本思路設(shè)比較器的滯環(huán)寬度為h，當(dāng)輸出電流ia比給定電流i*a大時，且誤差大于0.5h時，滯環(huán)

18、比較器輸出負電平，驅(qū)動開關(guān)器件VT1關(guān)斷，VT4導(dǎo)通，使實際電流減小。當(dāng)減小到與給定電流相等時，滯環(huán)比較器仍保持負電平輸出，VT1保持關(guān)斷，實際電流繼續(xù)減小，直到誤差大于0.5h時，滯環(huán)控制器翻轉(zhuǎn)，輸出正電平信號，開關(guān)器件VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，使實際電流增大，一直增大到帶寬的上限。以上過程重復(fù)進行，這樣交替工作，實際電流與給定電流的偏差保持在-0.5h+0.5h之間，并在給定電流上下作鋸齒狀變化，達到跟蹤電流的目的。（2） SPWM控制的基本思路硬件調(diào)制法:硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所

19、期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確的控制。軟件生成法： 由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法：即自然采樣法和規(guī)則采樣法. 自然采樣法：以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.

20、其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。 規(guī)則采樣法：規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實現(xiàn)SPWM法.當(dāng)三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載

21、波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣。 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小。 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。 低次諧波消去法：低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為u(t)=ansinnt,首先確定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的

22、低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大，而且同樣存在計算復(fù)雜的缺點。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。（3） SVPWM控制的基本思路 是利用逆變器的功率開關(guān)器件的不同開關(guān)組合合成有效電壓矢量來逼近基準圓，普通的三相全橋是由六個開關(guān)器件構(gòu)成的三個半橋。這六個開關(guān)器件組合起來（同一個橋臂的上下半橋的信號相反）共有8種安全的開關(guān)狀態(tài). 其中000、111（這里是表示三個上橋臂的開關(guān)狀態(tài)）這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效的電流。因此稱其為零矢量。另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是六個有效矢量。它們將360度的電壓空間分為60度一個扇區(qū)，共六個扇區(qū)，利用這六個基本有效矢量和兩個零量，可以合成360度內(nèi)的任何矢量。 當(dāng)要合成某一矢量時先將這一矢量分解到離它最近的兩個基本矢量，而后用這兩個基本矢量去表示，而每個基本矢量的作用大小就利用作用時間長短去代表。用電壓矢量按照不同的時間比例去合成所需要的電壓矢量。從而保證生成電壓波形近似于正弦波。三種控制方式的具體算法見算法。本次作為硬件組的小組長之一，負責(zé)系統(tǒng)的控制電路部分，參與設(shè)計了單片機外圍電路、采樣電路、同步信號檢測電路、保護電路