交流調(diào)速課程設(shè)計(jì)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)交流調(diào)速控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目： 交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路設(shè)計(jì)交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自動(dòng)化自動(dòng)化132132班班 學(xué)學(xué) 號：號： 130302042130302042 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 杜鵬杜鵬 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間：2016.12.19-2016.12.30 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）1課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化132 本科生課程設(shè)計(jì)（

2、論文）2注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算學(xué) 號130302042學(xué)生姓名杜鵬專業(yè)班級自動(dòng)化132課程設(shè)計(jì)（論文）題目交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的功能：課題完成的功能：本課程設(shè)計(jì)以微機(jī)作為控制核心，完成交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路及絕緣柵雙極晶體管 IGBT 的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：（1）確定交流電機(jī)逆變電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。（2）完成交流電機(jī)逆變主電路設(shè)計(jì)，包括直流側(cè)電壓源輸入、分立搭建 IGBT 器件、三相逆變電路輸出及相關(guān)輔助電路。（3）完成 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，選擇專用的 IGB

3、T 混合集成驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)與主電路的接口及相關(guān)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。（4）完成單片機(jī)最小系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)接口的硬件和軟件設(shè)計(jì)。（5）撰寫課程設(shè)計(jì)論文，包括系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)及方案說明、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：額定直流輸入電壓 220V，連續(xù)工作功率輸出 10kW，逆變輸出電壓 380VAC2%，逆變輸出波形為正弦波，逆變輸出頻率 50Hz0.5%，轉(zhuǎn)換效率 93%，功率因數(shù)，0.99。進(jìn)度計(jì)劃（1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（2 天）（2）系統(tǒng)各組成部件功能分析與設(shè)計(jì)（3 天）（3）系統(tǒng)功能電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)（3 天）（4）撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1 天）（5）驗(yàn)收及答辯（1 天

4、）指導(dǎo)教師評語及成績平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3摘 要三相電壓型逆變電路的主電路。直流電源采用相控整流電路，由普通晶閘管組成。逆變電路由 6 個(gè)導(dǎo)電臂組成,每個(gè)導(dǎo)電臂均由具有自關(guān)斷能力的全控型器件及反并聯(lián)二極管組成，所以實(shí)際上也是一種全控型逆變電路。電壓型逆變電路主要用于兩方面：籠式交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有 MOSFET 的高輸入

5、阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：三相電壓型；IGBT；逆變電路 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4目 錄第 1 章 緒論 .4第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 .72.1 概述 .72.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .7第 3 章 硬件設(shè)計(jì) .93.1 主電路的設(shè)計(jì) .93.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 .103.3 保護(hù)電路

6、.133.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) .13第 4 章 控制電路的設(shè)計(jì) .164.1 采用單片機(jī)控制 .164.2 單片機(jī)程序 .184.3 三相電壓源逆變電路的連接 .20第 5 章 軟件設(shè)計(jì) .215.1 系統(tǒng)總流程圖 .215.2 單片機(jī)初始化流程圖 .225.3 子程序流程圖 .23第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .24參考文獻(xiàn) .25 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）5第 1 章 緒論逆變電路直流側(cè)電源是電壓源的稱為電壓型逆變電路， 三相電壓型逆變電路的主電路。直流電源采用相控整流電路，由普通晶閘管組成。逆變電路由6個(gè)導(dǎo)電臂組成,每個(gè)導(dǎo)電臂均由具有自關(guān)斷能力的全控型器件及反并聯(lián)二極管組成，所以實(shí)際上也是一種

7、全控型逆變電路。電壓型逆變電路主要用于兩方面,逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用。 逆變電路是與整流電路相對應(yīng)，把直流電變成交流電的電路。逆變電路的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。 逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要通過無源逆變電路；無源逆變電路與其它電力電子變換電路組合形成具有特殊功能的電力電子設(shè)備，如無源逆變器與整流器組合為交-直-交變頻器(來自交流電源的恒定幅度和頻率的電能先經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)無源逆變器輸出可調(diào)頻率的交流電供

8、給負(fù)載)。當(dāng)電網(wǎng)提供的工頻電源不能滿足Hz50負(fù)載的需要，就需要用交-直-交變頻電路進(jìn)行電能交換。如感應(yīng)加熱需要較高頻率的電源；交流電動(dòng)機(jī)為了獲得良好的調(diào)速特性需要頻率可變的電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電路主要應(yīng)用于各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等；還可以應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分。逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。逆變電路可用以構(gòu)成靜止式中頻加熱電源。它具有主電路簡單、起動(dòng)性能好的優(yōu)點(diǎn)，但負(fù)載適應(yīng)性較差，故只適用于負(fù)載變化不大但又需要頻繁起動(dòng)的

9、場合。由于電壓型逆變電路具有直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率等特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用。在晶閘管逆變電路中，負(fù)載換相式電壓型逆變電路利用負(fù)載電流相位超前電壓的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)換相，不用附加專門的換相電路，因而應(yīng)用較多。常見的三相電壓型逆變電路有三相全橋型、三單相全橋型及三相多電平型等幾種。單個(gè)的三相全橋和三單相全橋型逆變器具有結(jié)構(gòu)和控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，但由于受其容量和諧波性能的限制，很少將它們直接應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。此外，三相全橋型逆變器不能直接用于補(bǔ)償系統(tǒng)的零序分量。為實(shí)現(xiàn)三相全橋和三單相全橋型逆變器的大容量化，常采

10、用的方法有兩種：一是每個(gè)逆變器橋臂采用多個(gè)開關(guān) 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）6器件串聯(lián)和并聯(lián)，該方法存在的主要問題是當(dāng)器件的串并聯(lián)個(gè)數(shù)較多時(shí)，每個(gè)器件的均壓、均流將變得非常困難。此外，該方法無助于逆變器諧波性能的提高。二是采用多重化結(jié)構(gòu)，該方法還可提高裝置的諧波性能。但也存在兩個(gè)問題：一是多重化需采用特殊結(jié)構(gòu)的變壓器，這種變壓器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、體積大的缺點(diǎn)，因此多重化的數(shù)目受到限制；二是逆變器各個(gè)橋臂的開關(guān)器件需在關(guān)斷狀態(tài)下承受整個(gè)直流側(cè)電壓，由于現(xiàn)有單個(gè)開關(guān)器件耐壓值的限制，在制造大容量補(bǔ)償裝置時(shí)仍需采用多個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)的方法來解決開關(guān)器件的耐壓問題。除了采用多重化方法外，提高諧波性能的另一

11、種方法是采用對開關(guān)頻率要求相對較高的 PWM 調(diào)制方式，只是裝置的損耗將隨開關(guān)頻率的增加而增加?？朔鲜鋈秉c(diǎn)的一種有效方法是采用多電平逆變器。在三相多電平逆變器中，開關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)只需承受一個(gè)直流電容器上的電壓，較好地解決了在大容量裝置中開關(guān)器件的耐壓問題。它不需要通過變壓器的多重化方法，就能輸出階梯波形的電壓，即輸出電壓諧波含量低。此外，多電平逆變器還具有響應(yīng)速度快、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，但也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高的缺點(diǎn)。當(dāng)電平數(shù)過多時(shí)，由于電路中相應(yīng)的附加二極管、雜散電感和限流電感過多，裝置損耗過大，一般不予采用。此外，多電平逆變器還存在直流側(cè)電容器均壓問題，為解決這個(gè)問題，應(yīng)對多電平逆變電路進(jìn)

12、行了改進(jìn)，但由于過多地采用了鉗位電容器，使電路的結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計(jì)交流電動(dòng)機(jī)三相電壓源型逆變電路，直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈沖；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路，采用 IGBT 作為開光器件的電壓型三相逆變電路。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)電源三相逆變電路交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)單片機(jī)控制核心圖 2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖由 220V 直流電

13、源給三相逆變電路供電，由單片機(jī) 89C51 來編寫程序，IGBT驅(qū)動(dòng)電路，模塊選用 EXB841，來使三相逆變電路運(yùn)行，采用過電流保護(hù)，提高電路的穩(wěn)定性，三相逆變電路輸出電流給交流電機(jī)，使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，?本科生課程設(shè)計(jì)（論文）8好的給交流電機(jī)供能。電壓型三相橋式逆變電路，電路由三個(gè)半橋電路組成，開關(guān)管可以采用全 控型電力電子器件，以 IGBT 為例，VD1-VD6 為續(xù)流二極管。電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為 180導(dǎo)電型，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角為 180。同一相上下橋臂交替導(dǎo)電。各相開始導(dǎo)電的時(shí)間一次相差 120。在一個(gè)周期內(nèi)，6 個(gè)開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序?yàn)?V1-V2-V3-V4

14、-V5-V6，依次相隔 60，任意時(shí)刻均有三個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序?yàn)閂1V2V3，V2V3V4，3V3V4V5，V4V5V6,V5V6V1，每種組合工作。IGBT 集成驅(qū)動(dòng)芯片選用 EXB841, EXB841 主要由放大、過流保護(hù)、5V 基準(zhǔn)電壓和輸出等部分組成。其中放大部分由 TLP550,V2,V4,V5 和 R1,C1,R2,R9 組成，TLP550待改進(jìn)。起信號輸入和隔離作用，V2 是中間級，V4 和 V5 組成推挽輸出;短路過流保護(hù)部分由 V1,V3,V6,VZ1 和 C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4 等組成，實(shí)現(xiàn)過流檢測和延時(shí)保護(hù)功能。EXB841 的

15、 6 腳通過快速恢復(fù)二極管接至 IGBT 的 C 極，檢測 IGBT 的集射之間的通態(tài)電壓降的高低來判斷 IGBT 的過流情況加以保護(hù);5V電壓基準(zhǔn)部分由 R10,VZ2,C5 組成，為 IGBT 驅(qū)動(dòng)提供-5V 反偏壓。單片機(jī)核心控制，89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令

16、集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，89C2051 是它的一種精簡版本。89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，采用過電流保護(hù)。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）9第 3 章 硬件設(shè)計(jì)3.1 主電路的設(shè)計(jì)用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用 IGBT 作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖 3.1 所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)

17、出假想中點(diǎn)。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋N式逆變電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，180180同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度以此相差。120這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負(fù)載參數(shù)已知，以 U 相為例，負(fù)載的阻抗角不一樣，的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負(fù)載下，從通態(tài)轉(zhuǎn)Ui1V換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中電流不能突變，先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，4VD才開始

18、導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角越大，導(dǎo)通時(shí)間越長。在時(shí)，時(shí)4V4VD1NNu00Ui為導(dǎo)通，時(shí)為導(dǎo)通；在時(shí)，時(shí)導(dǎo)通，時(shí)為1VD0Ui1V01NNu0Ui4VD0Ui導(dǎo)通。 、的波形與形狀相同，相位一次相差。將三個(gè)橋臂電流相4VviwiUi0120加可得到直流側(cè)電流。di在上述導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用“先斷后通”的方法來防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號之間留有一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。采用 IGBT 作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路，可以看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖 3.1 的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假象中點(diǎn) N。和

19、單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是 180導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差 120。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）10圖 3.1 三相電壓型逆變電路3.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路3.2.1 IGBT 的特點(diǎn)IGBT 是 MOSFET 與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有 MOSFET 易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大

20、等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于 MOSFET 與功率晶體管之間，可正常工作于幾十 kHz 頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 IGBT 是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾 V 的直流電壓，只有A 級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但 IGBT 的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬 pF） ，在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù) A 的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。IGBT 作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率

21、會(huì)引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好 IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。 IGBT 的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到 2030V，因此柵極擊穿是 IGBT 失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 由于 IGBT 的柵極發(fā)射極和柵極集電極間存在著分布電容 Cge 和 Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感 Le，這些分

22、布參數(shù)的影響，使得 IGBT 的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于 IGBT 開通和關(guān)斷的因素。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）11柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對 IGBT 開通關(guān)斷過程有著較大的影響。IGBT 的 MOS 溝道受柵極電壓的直接控制，而 MOSFET 部分的漏極電流控制著雙極部分的柵極電流，使得 IGBT 的開通特性主要決定于它的 MOSFET 部分，所以 IGBT 的開通受柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT 的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受 MOSFET 的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對 IGBT 的關(guān)斷也有影響。 在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率

23、應(yīng)快一些，以提高 IGBT 開關(guān)速率降低損耗。在正常狀態(tài)下 IGBT 開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開通越快，IGBT 承受的峰值電流越大，越容易導(dǎo)致 IGBT 損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。 由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對 IGBT 的開通過程影響較大，而對關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損耗，但過小會(huì)造成 di/dt 過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)

24、具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。 柵極電阻對驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有影響。電阻值過小時(shí)會(huì)造成脈沖振蕩，過大時(shí)脈沖波形的前后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。IGBT 的柵極輸入電容 Cge 隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對于電流容量大的 IGBT 器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著 IGBT 電流容量的增加而減小。3.2.2 IGBT 混合集成驅(qū)動(dòng)芯片EXB841 是日本富士公司提供的 300A/1200V 快速型 IGBT 驅(qū)動(dòng)專用模塊，整個(gè)電路延遲時(shí)間不超過 1s，最高工作頻率達(dá) 40 一 50kHz，它只需外部提供一個(gè)+20V 單電源，內(nèi)部

25、產(chǎn)生一個(gè)一 5V 反偏壓，模塊采用高速光耦合隔離，射極輸出。有短路保護(hù)和慢速關(guān)斷功能。 EXB841 驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下： 腳 1：連接用于反向偏置電源的濾波電容器； 腳 2：電源（ 20V） ； 腳 3：驅(qū)動(dòng)輸出； 腳 4：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場合不需要該電容器） ； 腳 5：過流保護(hù)輸出； 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）12腳 6：集電極電壓監(jiān)視； 腳 7、 8 不接； 腳 9：電源； 腳 10、11 不接； 腳 14、15：驅(qū)動(dòng)信號輸入（-，） ； 由于本系列驅(qū)動(dòng)器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，因此能用于交流 380V 的動(dòng)力設(shè)備上。 IGBT 通

26、常只能承受 10s 的短路電流，所以必須有快速保護(hù)電路。 EXB841 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號與集電極之間的關(guān)系檢測過電流，當(dāng)集電極電壓高時(shí)，雖然加入信號也認(rèn)為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅(qū)動(dòng)器的低速切斷電路就慢速關(guān)斷 IGBT（ 10s 的過流不響應(yīng)） ，從而保證 IGBT 不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以破壞 IGBT 。 IGBT 在開關(guān)過程中需要一個(gè)+15V 電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個(gè)-5V 關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作。這兩種電壓（15V 和-5V）均可由 20V 供電的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生。 圖 3.2 EXB841 功能框圖E

27、XB841 的工作原理：(1)正常開通過程 當(dāng)控制電路使 EXB841 輸入端腳 14 和腳 15 有 10mA 的電流流過時(shí)，光耦合器 TS01 就會(huì)導(dǎo)通，A 點(diǎn)電位迅速下降至 0V，使 VT1 和 VT2 截止；VT2 截止使D 點(diǎn)電位上升至 20V，VT4 導(dǎo)通，VT5 截止，EXB841 通過 VT4 及柵極電阻 Rc向 IGBT 提供電流使其迅速導(dǎo)通，Uc 下降至 3V。同時(shí)，VT1 截止使+20V 電源通過 R3 向電容 C2 充電，時(shí)間常數(shù) 1 為 2. 42s，這又使 B 點(diǎn)電位上升，IGBT 延 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）13遲約 1s 后導(dǎo)通，UCE 下降至 3V，從而將 EX

28、B841 腳 6 的電位鉗制在 8V 左右，因此 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位不會(huì)上升到 13V，而是上升到 8V 左右，這個(gè)過程時(shí)間為1.24s;因穩(wěn)壓管 VZ1 的穩(wěn)壓值為 13V，所以 IGBT 正常開通時(shí)不會(huì)被擊穿，VT3不通，E 點(diǎn)電位仍為 20V 左右，二極管 VD6 截止，不影響 VT4 和 VT5 的正常工作。 (2)正常關(guān)斷過程 當(dāng)控制電路使 EXB841 輸入端腳 14 和腳 15 無電流流過時(shí)，光耦合器 TS01不通，A 點(diǎn)電位上升使 VT1 和 VT2 導(dǎo)通；VT2 導(dǎo)通使 VT4 截止，VT5 導(dǎo)通，IGBT 柵極電荷通過 VT5 迅速放電，使 EXB841 的腳 3 的電位

29、迅速下降至 0V（相對于 EXB841 腳 1 低 5V），使 IGBT 可靠關(guān)斷，UCE 迅速上升，使 EXB841 的腳 6“懸空”。與此同時(shí)，VT1 導(dǎo)通，C2 通過 VT1 更快放電，將 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位鉗制在 0V，使 VZ1 仍不通，IGBT 正常關(guān)斷。(3)保護(hù)動(dòng)作若 IGBT 已正常導(dǎo)通，則 VT1 和 VT2 截止，VT4 導(dǎo)通，VT5 截止，B 點(diǎn)和C 點(diǎn)電位穩(wěn)定在 8V 左右，VZ1 不被擊穿，VT3 不導(dǎo)通，E 點(diǎn)電位保持為 20V，二極管 VD6 截止。若此時(shí)發(fā)生短路，IGBT 承受大電流而退飽和，UCE 上升很多，二極管 VD7 截止，則 EXB841 的腳 6

30、“懸空”，B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位開始由 8V 上升；當(dāng)上升至 13V 時(shí)，VZ1 被擊穿，VT3 導(dǎo)通，CT4 通過 R7 和 VT3 放電，E 點(diǎn)電位逐步下降，二極管 VD6 導(dǎo)通時(shí) D 點(diǎn)電位也逐步下降，從而使 EXB841 的腳 3 的電位也逐步下降，從而緩慢關(guān)斷 IGBT。B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位由 8V 上升到 13V 的時(shí)間為 8. 3s。 此時(shí)慢關(guān)斷過程結(jié)束，IGBT 柵極上所受偏壓為 0V（設(shè) VT3 管壓降為0.3V，VT6 和 VT5 的壓降為 0. 7V），這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號使光電耦合器 TS01 截止，此時(shí) VT1 和 VT2 導(dǎo)通，VT2 導(dǎo)通使 D 點(diǎn)下降到 0V

31、，從而使 VT4完全截止，VT5 完全導(dǎo)通，IGBT 柵極所受偏壓由慢關(guān)斷時(shí)的 0V 迅速下降到-5V，IGBT 完全關(guān)斷。VT1 導(dǎo)通使 C2 迅速放電、VT3 截止，20V 電源通過 R8對 C4 充電， 則 E 點(diǎn)恢復(fù)到正常狀態(tài)需 135s，至此 EXB841 完全恢復(fù)到正常狀態(tài)，可以進(jìn)行正常的驅(qū)動(dòng)。EXB841 在設(shè)計(jì)上充分考慮到 IGBT 的特點(diǎn)，電路簡單實(shí)用。它具有如下特點(diǎn)。 模塊僅需單+20V 電源供電，它通過內(nèi)部 5V 穩(wěn)壓管為 IGBT 提供+15V 和-5V 的電平，既滿足了 JGBT 的驅(qū)動(dòng)條件，又簡化了電路，為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很大方便。 輸入采用高速光耦隔離電路，既滿

32、足了隔離和快速的要求，又在很大程度上使電路結(jié)構(gòu)簡化。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）14通過精心設(shè)計(jì)，將過流時(shí)降低 UCE 與慢關(guān)斷技術(shù)綜合考慮，一旦電路檢測到短路后，要延遲約 1.5s（VZ1 導(dǎo)通時(shí)，R4 會(huì)有壓降）UCE 才開始降低，再過約 8s 后 UGE 才降低到 0V（相對 EXB841 的腳 1）。在這 10s 左右的時(shí)間內(nèi)，如果短路現(xiàn)象消失，UCE 會(huì)逐步恢復(fù)到正常值，但恢復(fù)時(shí)間決定于時(shí)間常數(shù)t13。圖 3.3 EXB841 原理圖3.3 保護(hù)電路電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護(hù)措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電

33、流繼電器。一般電力電子裝置均同時(shí)采用集中過流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。綜合本次設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲實(shí)施電流保護(hù)。如圖 3.4 電流保護(hù)電路所示。對于所選的保險(xiǎn)絲，遵從值小于t2I晶閘管的允許值。t2I 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）15圖 3.4 三相電壓源逆變電路的過流保護(hù)電路3.4 單片機(jī)控制本論文的單片機(jī)采用 MSC-51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時(shí)期顯示更穩(wěn)定。在芯片中，P1 口低 4 位與行驅(qū)動(dòng)器相連，送出行選信號；P1.5P1.7 口則用來發(fā)送控制信號。P0 口和 P2 口空著，在有必要的時(shí)候

34、可以擴(kuò)展系統(tǒng)的 ROM 和 RAM。引腳說明：電源引腳Vcc（40腳）：典型值5V。Vss（20腳）：接低電平。外部晶振X1、X2分別與晶體兩端相連接。當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號時(shí)，X2接振蕩信號，X1接地。輸入輸出口引腳：P0口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。P1口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。P2口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。P3口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”?？刂埔_：RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp組成了MSC-51的控制總線。RST/Vpd（9腳）：復(fù)位信號輸入端（高電平有效） 。ALE/-

35、PROG(30腳）：地址鎖存信號輸出端。第二功能：編程脈沖輸入。-PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號。-EA/Vpp(31腳）：外部程序存儲(chǔ)器使能端。第二功能：編程電壓輸入端（+21V） 。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）16 圖 3.5 單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片的連接P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)P2.021(A9)P2.12

36、2(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31(AD7)P0.732(AD6)P0.633(AD5)P0.534(AD4)P0.435(AD3)P0.336(AD2)P0.237(AD1)P0.138(AD0)P0.039VCC40U1STC89C51Y112MHzC222C322+C110ufS1SW-PBVCCGNDGNDD2D1VT2VT1VT3D3R2542312U1AR110K保保保保保保保5463912 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）17圖 3.5 單片機(jī)

37、系統(tǒng)電路 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）18第 4 章 軟件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)程序#include static unsigned int count; /static int step_index; /static bit turn; /static bit stop_flag; /static int speedlevel; /static int spcount; /void delay(unsigned int endcount); /void gorun();/void main(void) count = 0; step_index = 0; spcount = 0; stop_flag

38、= 0; P1_0 = 0; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 0; EA = 1; / ET0 = 1; / TH0 = 0 xFE; TL0 = 0 x0C; / TR0 = 1; / turn = 0; speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）19 do speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; delay(10000); stop_flag=1; delay(10000); stop_flag=0; while(1); case 6: /3 P

39、1_0 = 0; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 1; break; case 7: /3、0 P1_0 = 1; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 1; if (turn=0) step_index+; if (step_index7) step_index=0; else step_index-; if (step_index0) step_index=7; 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）204.2 系統(tǒng)總流程圖圖 4.1 系統(tǒng)總流程圖三相逆變電路供電，由單片機(jī) 89C51 來編寫程序，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，模塊選用 EXB841，來使三相逆變電路運(yùn)行，采用

40、過電流保護(hù)，提高電路的穩(wěn)定性，三相逆變電路輸出電流給交流電機(jī)，使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，更好的給交流電機(jī)供能。分析設(shè)計(jì)要求硬件選型進(jìn)行單片機(jī)與外部電路的連接分析是否符合要求編寫單片機(jī)程序?qū)⒊绦蛳螺d至單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能NY 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）214.3 單片機(jī)初始化流程圖初始化開始I/O口初始化寄存器初始化定時(shí)器初始化初始化結(jié)束 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）22圖 5.2 單片機(jī)初始化流程圖采用 MSC-51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時(shí)期顯示更穩(wěn)定。把變量變成初始值.設(shè)置定時(shí)器的工作方式及初值，開放相應(yīng)的中斷源的中斷并設(shè)置優(yōu)先級。4.4 子程序流程圖開始定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化中斷系統(tǒng)初始化調(diào)用查表子程序調(diào)用顯示子程序關(guān)TO,T1讀計(jì)數(shù)值，重復(fù)初始化T0 T1開T0,T1中斷返回中斷入口 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）23圖 5.3 子程序流程圖在主程序中打開串行口中斷，在定時(shí)器子程序中使用地址寄存器作為地址指針，開始時(shí)指向數(shù)據(jù)表首地址，當(dāng)字符顯示完成后，進(jìn)入下一字符，從右