電流滯環(huán)跟蹤變壓變頻器設(shè)計(jì)

1、第一章 頻率幅度可調(diào)的正弦波發(fā)生器11.1 電路原理11.2 芯片介紹21.3 總體設(shè)計(jì)9第二章 電壓比較器172.1 LM339簡(jiǎn)介172.2電壓比較器的應(yīng)用電路18第三章 IGBT193.1 IGBT總體介紹193.2 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)193.3 IGBT的工作原理和工作特性20第四章 總體設(shè)計(jì)23第一章 頻率幅度可調(diào)的正弦波發(fā)生器1.1 電路原理電路如圖：圖1.1 原理圖1.2 芯片介紹1.2.1 TLC5618數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片介紹可編程建立時(shí)間至0.5 LSB的2.5s或12.5s的典型兩個(gè)12位電壓輸出DAC中的CMOS8引腳封裝用于DAC A和同時(shí)更新DAC B單電源供電3線串行接

2、口高阻抗基準(zhǔn)輸入電壓輸出范圍2倍參考輸入電壓軟件掉電模式內(nèi)部上電復(fù)位和SPI兼容的TMS320低功耗：- 3在低速模式毫瓦典型值，- 8 mW的典型快速模式輸入數(shù)據(jù)更新率1.21兆赫單調(diào)過溫在Q -溫度可用汽車HighRel汽運(yùn)配置控制/打印支持汽車標(biāo)準(zhǔn)資格應(yīng)用電池供電測(cè)試儀器數(shù)字偏移和增益調(diào)整電池操作/遠(yuǎn)程工業(yè)控制機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備蜂窩電話描述 該TLC5618是雙通道12位電壓輸出數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）與緩沖基準(zhǔn)輸入（高阻抗）。這些DAC有一個(gè)輸出電壓范圍是兩次參考電壓，以及DAC的單調(diào)性。該設(shè)備使用簡(jiǎn)單，由單一運(yùn)行五，一個(gè)5供應(yīng)上電復(fù)位功能，是在設(shè)備注冊(cè)成立，以確?？芍貜?fù)的啟動(dòng)條件。數(shù)

3、字控制的TLC5618超過3線CMOS兼容的串行總線。器件接收用于編程和16位字生產(chǎn)模擬輸出。數(shù)字輸入施密特觸發(fā)器高噪聲的免疫力。數(shù)字通信協(xié)議包括SPI，QSPI，和Microwire標(biāo)準(zhǔn)。兩種設(shè)備的版本。該TLC5618沒有內(nèi)部狀態(tài)機(jī)并在所有外部定時(shí)信號(hào)而定。該TLC5618A有一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，它計(jì)數(shù)時(shí)鐘數(shù)從CS的下降沿，然后更新，并禁止從接受進(jìn)一步的設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。該TLC5618A推薦的TMS320和SPI處理器和TLC5618是建議只對(duì)SPI或3線串行接口的處理器。該TLC5618A是向后兼容，設(shè)計(jì)工作在TLC5618設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。圖1.2 TLC5618數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片管腳連接圖圖1.3 T

4、LC5618數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片時(shí)序圖1.2.2 51單片機(jī)51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī).      圖1.4 單片機(jī)管腳圖后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)即是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不

5、具備自編程能力。 當(dāng)前常用的51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有： *Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； *ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； 主要功能：8位CPU·4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM) ·256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) ·32條I/O口線·111條指令，大部分為單字節(jié)指令 ·21個(gè)專用寄存器 ·2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí) ·一個(gè)全雙工串行通信口 ·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB ·外部

6、程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB ·邏輯操作位尋址功能·雙列直插40PinDIP封裝 ·單一+5V電源供電 CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器； RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)； ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格； I/O口：四個(gè)8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出； T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式； 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)； 一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；

7、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。1.2.3 LM358功率放大器LM358里面包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。圖1.5 LM358引腳圖及引腳功能LM358封裝有塑封8引線雙列直插式和貼片式兩種。LM358的特點(diǎn): . 內(nèi)部頻率補(bǔ)償. 低輸入偏流. 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流. 共模輸入電壓范圍寬，包括接地. 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍. 直流電壓增益高(約100dB) . 單位增益頻帶

8、寬(約1MHz) . 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?330V)；. 雙電源(±1.5 一±15V). 低功耗電流，適合于電池供電. 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V) 圖1.6 LM358管腳連接圖圖1.7 LM358示意圖1.3 總體設(shè)計(jì)1.3.1 電路設(shè)計(jì)總體思路由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)，用數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正弦波的模擬信號(hào)。頻率可調(diào)由單片機(jī)完成。數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)接到滑動(dòng)變阻器上，由滑動(dòng)變阻器接上輸出，通過調(diào)滑動(dòng)變阻器的滑頭調(diào)節(jié)輸出幅度。滑動(dòng)變阻器的滑頭另一端接功率放大器，然后接到輸出端口。1.3.2單片機(jī)設(shè)計(jì)思路：求出正弦波每個(gè)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的值，把該值轉(zhuǎn)換為2進(jìn)

9、制，然后按12位串口輸出。程序代碼：#include <REG52.H>#include <math.h>#define uchar unsigned charsbit DIN=P10;sbit CLK=P11;sbit CS=P12;int S;uchar W=10;main() int i,j; char ss16=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0; IE=0x85; TCON=0x01; P2=W; while(1) for(i=0;i<3.1416*2/(0.01*W);i+) S=1900*sin(i*0.01*W)+190

10、0; for(j=0;j<12;j+) ssj=S%2; S/=2; CS=0; for(j=0;j<16;j+) CLK=1; DIN=ss15-j; CLK=0; CS=1; void delay(void)int i,j;for(i=0;i<1000;i+)for(j=0;j<50;j+);void INC_W(void) interrupt 0 W+; if(W>20)W=20; delay();void DEC_W(void) interrupt 2 W-; if(W<1)W=1; delay();數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)給數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供2.5V的基準(zhǔn)電壓。

11、讓正弦信號(hào)以5V為基準(zhǔn)上下擺動(dòng)。圖1.8 設(shè)計(jì)思路示意圖：平衡位置即為2.5V各部分電路功能介紹（1）名稱：晶體振蕩器功能：為單片機(jī)提供時(shí)鐘頻率clk圖1.9晶體振蕩器（2）名稱：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其外接控制開關(guān)功能：產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波圖1.10單片機(jī)及其外接控制開關(guān)（3）名稱：燒程序接頭功能：將程序下載到單片機(jī)圖1.11燒程序接頭（4）名稱：數(shù)模轉(zhuǎn)換器功能：把數(shù)字正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬正弦波信號(hào)圖1.12數(shù)模轉(zhuǎn)換器（5）名稱：滑動(dòng)變阻器（電位器）功能：滑動(dòng)變阻器接數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出，中間的接頭接到功放作為整個(gè)電路的輸出。從而實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)。圖1.13滑動(dòng)變阻器（電位器）（6）名稱：功率放大器功能：減小負(fù)載

12、對(duì)電路性能的影響，使負(fù)載上的信號(hào)電流和電壓較大。圖1.14功率放大器（7）名稱：直流分壓電路功能：為數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓圖1.15直流分壓電路（8）名稱：共地和輸出接口 功能：接地，接輸出圖1.16 共地和輸出接口1.3.5 新板子-電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器又稱哈特萊振蕩器，其原理電路如圖1.17（a）所示，圖1.17（b）是其交流等效電路。圖1.17（a）中， Rb1、Rb2和Re為分壓式偏置電阻；Cb和Ce分別為隔直流電容和旁路電容；L1、L2和C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負(fù)載，諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極相連，符合三點(diǎn)式振蕩器的組成原則。由于反饋信號(hào)由電感線圈

13、L2取得，故稱為電感反饋三點(diǎn)式振蕩器。采用與電容三點(diǎn)式振蕩電路相似的方法可求得起振條件的公式為 （1.1) (1.2)當(dāng)線圈繞在封閉瓷芯的瓷環(huán)上時(shí)，線圈兩部分的耦合系數(shù)接近于1，反饋系數(shù)F近似等于兩線圈的匝數(shù)比，即F=N2/N1。Rb1ReLVTCbCeCL1L2VTL1L2CVCCRb2(a) 原理電路(b) 交流等效電路圖1.17 電感三點(diǎn)式振蕩器振蕩頻率的近似為 (1.3)若考慮goe、gie的影響時(shí)，滿足相位平衡條件的振蕩頻率值為 (1.4)式中，L=L1+L2+2M。由式 (1.4) 可見，電感三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率要比式 (1.3) 所示的頻率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越

14、松，偏低得越明顯。 所以: 所以可先設(shè)定C=100pF，因此可得,可以設(shè)為,而所以可知： 當(dāng)回路諧振時(shí),所以有: 在輸出端接上滑動(dòng)變阻器后可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能。第二章 電壓比較器2.1 LM339簡(jiǎn)介   LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。   &#

15、160; LM339集成塊采用C-14型封裝，圖1為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖 2.1              LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參

16、考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外

17、，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。2.2電壓比較器的應(yīng)用電路輸入信號(hào)Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接反饋電壓Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，輸出為高電平UOH。圖2為其傳輸特性。圖2.2如果Uin>UrUoutVCC (高電平UOH)如果Uin<UrUout 0 (低電平UOL)注意：不存在Uin=Ur的狀態(tài)。因?yàn)檫@是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)第三章 IGBT3.1 IGBT總體介紹IGBT是近年來發(fā)展最快的一種功率電子器件，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、家電等各個(gè)領(lǐng)域。它的輸入特性相當(dāng)于一種自鎖型場(chǎng)效應(yīng)管，是一種簡(jiǎn)單、高效，幾乎無功控制的新型元器件；而它的輸出特性

18、又相當(dāng)于一個(gè)二極管，尤其空穴導(dǎo)電的特性，使它達(dá)到相當(dāng)大的載流容量因而不易過電壓擊穿；更由于現(xiàn)代精細(xì)加工技術(shù)及半導(dǎo)體摻雜技術(shù)向更高層次的發(fā)展，使它的開關(guān)頻率可達(dá)幾十到幾百千赫茲。近年來,新型功率開關(guān)器件IGBT 已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。與以前的各種電力電子器件相比, IGBT 目前在綜合性能方面占有明顯的優(yōu)勢(shì),并正越來越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十千赫、輸出功率為幾千瓦到幾十千瓦的各類電力變換裝置中。3.2 IGBT 的基本結(jié)構(gòu) 在 N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)中， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在

19、漏、源之間的 P 型區(qū)（包括P+ 和P- 區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR ，其簡(jiǎn)化等效電路如圖1所示。圖中 Rdr 是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT 是以GTR為主導(dǎo)件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。N 溝道IGBT的圖形符號(hào)有兩種

20、，如圖3.2所示。圖3.1 IGBT的簡(jiǎn)化等效電路 圖3.2 N-IGBT的圖形符號(hào) 3.3 IGBT的工作原理和工作特性 IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道 MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。 當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴（少子），對(duì) N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。  IGBT 的工作特性包括靜

21、態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類： 1 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與 GTR 的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+ 緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓 Ugs之間的關(guān)系曲線

22、。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th)時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V 左右。 IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示： Uds(on) Uj1 Udr IdRoh  式中 Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 IV ；  Udr 擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降；  Roh 溝道電阻。 通態(tài)電流Ids可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos       式中 Imos 流過 MOS