基于單片機(jī)控制新型逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)(共76頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于單片機(jī)控制新型逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與仿真中文摘要本文主要論述了基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的基本原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過程，并且在搭接實(shí)驗(yàn)電路之前，利用仿真工具軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證電路的可行性，最后在此基礎(chǔ)上完成樣機(jī)的調(diào)試工作。 本文設(shè)計(jì)的電源是輸出220V，額定輸出功率是3KW的單相穩(wěn)定電源，在設(shè)計(jì)中，我們采用SPWM逆變控制技術(shù)，單片機(jī)AT89C51控制的SA4828芯片輸出SPWM波，經(jīng)EXB841驅(qū)動(dòng)模塊去驅(qū)動(dòng)以IGBT為開關(guān)元件的單相電壓型逆變電路，從而把三相電源經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓逆變成穩(wěn)定的交流電壓。在本文中，我們首先對(duì)電源主電路進(jìn)行分析與設(shè)

2、計(jì)，然后對(duì)SA4828三相SPWM波發(fā)生器的使用和編程進(jìn)行了介紹，還對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊EXB841進(jìn)行了介紹，另外，我們還討論了IGBT管的緩沖電路和系統(tǒng)的保護(hù)電路，同時(shí)分析了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程。利用仿真工具軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電力電子設(shè)備進(jìn)行仿真，有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，有利于提高產(chǎn)品的可靠性，在本文中，我們著重討論MATLAB語言的電力仿真工具箱SimPower及其在所設(shè)計(jì)電源的仿真中的應(yīng)用。【關(guān)鍵詞】IGBT，SPWM，逆變，SA4828，SimPower，仿真目錄第一章緒論11.1電源技術(shù)的發(fā)展概況11.2電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower的應(yīng)用及其意義21.3本課題完成的主要任務(wù)3第二章

3、基本原理42.1 IGBT管的基本原理及特性42.1.1 IGBT的工作原理42.1.2 IGBT的特性與參數(shù)特點(diǎn)52.1.3 IGBT的保護(hù)72.2逆變技術(shù)及其原理82.2.1現(xiàn)代逆變技術(shù)的分類82.2.2逆變電路的基本工作原理82.2.3電力器件的換流方式92.2.4單相電壓型逆變電路102.3 SPWM控制技術(shù)及其原理112.3.1 SPWM控制的基本原理112.3.2單極性和雙極性SPWM控制方式12第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)143.1系統(tǒng)總體介紹143.2系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)153.2.1輸入EMI濾波器的設(shè)計(jì)153.2.2輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)173.2.3逆變器和輸出濾波電路的設(shè)計(jì)193.2

4、.4 RCD緩沖電路的設(shè)計(jì)203.3采樣電路及A/D轉(zhuǎn)換電路233.4 SPWM波產(chǎn)生芯片SA4828及其應(yīng)用253.4.1 SA4828工作原理253.4.2 SA4828與單片機(jī)的連接273.4.3 SA4828的編程283.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路EXB841313.5.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求313.5.2集成化IGBT專用驅(qū)動(dòng)器EXB841333.5.3使用EXB841應(yīng)注意的一些事項(xiàng)353.6系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)363.7輔助電源電路的設(shè)計(jì)38第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)394.1 PI控制原理394.1.1過程控制的基本概念394.1.2模擬PI調(diào)節(jié)器394.1.3數(shù)字PI控制器404.2標(biāo)準(zhǔn)

5、PI算法積分項(xiàng)的改進(jìn)414.3數(shù)字PI參數(shù)的選擇424.3.1采樣周期的選擇424.3.2數(shù)字PI控制參數(shù)的選擇434.4中位值濾波技術(shù)444.5系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)454.6軟件抗干擾技術(shù)47第五章系統(tǒng)的MATLAB仿真485.1 MATLAB簡介485.2動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink485.3電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower495.4系統(tǒng)仿真模型的建立505.5仿真結(jié)果及其分析55第六章結(jié)論58致謝59參考文獻(xiàn)60附錄一SA4828編程例子62附錄二主控制板電路圖63第一章 緒論1.1電源技術(shù)的發(fā)展概況電力電子技術(shù)就是利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，對(duì)電氣設(shè)備的電功率進(jìn)行變換

6、和控制的一門技術(shù)。上個(gè)世紀(jì)80年代以來，由于半導(dǎo)體器件，電子技術(shù)等的不斷推陳出新，電力電子技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其對(duì)工業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的巨大作用，被各國的專家學(xué)者稱為人類社會(huì)繼計(jì)算機(jī)之后的第二次的電子革命，它在世界各國工業(yè)文明的發(fā)展中所起的關(guān)鍵作用可能僅次于計(jì)算機(jī)。電源是電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新的控制技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，逆變電源技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。電源技術(shù)的發(fā)展，大體經(jīng)歷了幾個(gè)階段：由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅（晶閘管）整流式，直到發(fā)展到逆變式(開關(guān)式)。采用逆變技術(shù)，可使所設(shè)計(jì)的電源具有許多方面的優(yōu)越性：1.可靈活地調(diào)節(jié)輸出電

7、壓或電流的幅度和頻率通過控制回路，我們可以控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間的比例，從而使輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來靈活地變化。2.可將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電或其他形式的直流電，這樣就不會(huì)因?yàn)榻涣麟娋W(wǎng)停電或劇烈變化而影響工作。3.可明顯地減小用電設(shè)備的體積和重量，節(jié)省材料在很多用電設(shè)備中，變壓器和電抗器在很大程度上決定了其體積和重量，如果我們將變壓器繞組中所加電壓的頻率大幅度提高，則變壓器繞組匝數(shù)與有效面積之積就會(huì)明顯減小，變壓器的體積和重量明顯地減小了。4采用逆變技術(shù)的電源還具有高效節(jié)能的優(yōu)越性，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1)在許多應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，在其負(fù)載

8、變化時(shí)，傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的通電時(shí)間所占比例，這樣電動(dòng)機(jī)就會(huì)頻繁地制動(dòng)、起動(dòng)。而電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)消耗的能量往往很大，如使用變頻電源來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)做功的量，則可節(jié)約很大一部分能量。2)采用逆變技術(shù)的電源，其變壓器的體積和重量大大減小了，也即減小了鐵心橫面積和線圈匝數(shù)。變壓器本身的損耗主要包括原、副邊銅耗和鐵芯損耗，鐵芯橫面積和線圈匝數(shù)的大幅度減小也就大大降低了銅耗和鐵耗。因此，采用逆變技術(shù)大大提高變壓器的工作頻率，使得變壓器的損耗變得比工頻工作時(shí)小得多，從而達(dá)到節(jié)能的目的。3)傳統(tǒng)的、采用工頻變壓器的整流式電源設(shè)備的功率因數(shù)一般在0.5-0.8之間，這是因?yàn)槠潆娏髦C波成分和相移角都比較大。在

9、逆變電源中，如果用功率因數(shù)校正技術(shù)，能使輸入電流的諧波成分變得很小，從而使功率因數(shù)約為1，節(jié)能的效果非常明顯。5.動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制性能好、電氣性能指標(biāo)好由于逆變電路的工作頻率高，調(diào)節(jié)周期短，使得電源設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)或者說動(dòng)態(tài)特性好，表現(xiàn)為：對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)、負(fù)載效應(yīng)好、啟動(dòng)沖擊電流小、超調(diào)量小、恢復(fù)時(shí)間快、，輸出穩(wěn)定、紋波小。6.電源故障保護(hù)快由于逆變器工作頻率高、控制速度快，對(duì)保護(hù)信號(hào)反應(yīng)快，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。另外，現(xiàn)代越來越復(fù)雜的電子設(shè)備對(duì)電源提出了各種各樣的負(fù)載要求，一個(gè)特定用途的電源，應(yīng)當(dāng)具有特定的負(fù)載性能要求和外特性，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)具備安全可靠、高效、高功率因數(shù)、低噪音的特點(diǎn)，

10、另外，無電磁干擾、無電網(wǎng)污染、省電節(jié)能也是我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮的設(shè)計(jì)要求。電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融匯了電子、功率集成、自動(dòng)控制、材料、傳感、計(jì)算機(jī)、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)域的精華，已從多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科成長為獨(dú)樹一幟的功率電子學(xué)。1.2電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower的應(yīng)用及其意義為了大幅度地提高效率，在研制新型電源系統(tǒng)的過程中，往往采用如下程序：首先提出一個(gè)新的設(shè)想，然后對(duì)其進(jìn)行仿真以驗(yàn)證該設(shè)想的可行性，并驗(yàn)證其性能參數(shù)，在達(dá)到了預(yù)期的效果后，再進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，這種方法已逐漸成為科研工作的一種主要模式。目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)中發(fā)揮了越來越重要的作用，其主要作用有：(

11、1)取代人工解析分析，減輕設(shè)計(jì)勞動(dòng)強(qiáng)度和重復(fù)性勞動(dòng)。(2)提高分析速度、分析精度和分析廣度。比真實(shí)電路實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)大研究范圍，測(cè)得更多的數(shù)據(jù)，如元器件中的數(shù)值和波形，研究系統(tǒng)性能受其變化的影響。(3)設(shè)計(jì)任務(wù)確定后立即做仿真，進(jìn)行充分可行性論證后再訂購貴重、特殊器件，既節(jié)省資金又縮短開發(fā)過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。用PC機(jī)仿真系統(tǒng)代替實(shí)驗(yàn)可大大減小元器件損壞引起的損失，更重要的是某些無法進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)、艱苦和危險(xiǎn)場(chǎng)合（如太空），只有通過仿真，才能進(jìn)行全面的考察，故障的模擬，實(shí)基于單片機(jī)控制新型逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與仿真際存在的非線性因素允許到什么程度。(4)減小初投資，一套仿真設(shè)備就是規(guī)模很大的實(shí)驗(yàn)室，可以

12、做許多電路與系統(tǒng)產(chǎn)品的研究。常用的仿真軟件有PSPICE程序(Personal Simulation Program WithIntegrated Circuit Emphasis)和MATLAB語言，PSPICE程序是Microsim公司出版的，是電子CAD中的電子模擬軟件，其目的是在所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先對(duì)電路進(jìn)行模擬運(yùn)行，從而對(duì)硬件電路進(jìn)行可行性論證分析。PSPICE可提供時(shí)域仿真，又可提供頻域仿真，能對(duì)電路的動(dòng)態(tài)工作過程進(jìn)行細(xì)致的仿真分析，可它缺乏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具和分析手段，難于進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)的仿真。MATLAB語言是一種功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真語言，易于實(shí)現(xiàn)很

13、多控制系統(tǒng)的仿真，可以避免大量的時(shí)間用于編制仿真程序，隨著MATLAB軟件推出電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower，可同時(shí)涉及控制和電路的混合系統(tǒng)的仿真，為電源的運(yùn)行性能分析提供了強(qiáng)有力的工具?？梢哉f，利用MATLAB語言對(duì)所設(shè)計(jì)的電力電子設(shè)備進(jìn)行仿真，不僅提高了產(chǎn)品的可靠性，而且也縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，對(duì)電力電子產(chǎn)品的開發(fā)具有很大的幫助作用。1.3本課題完成的主要任務(wù)本課題的主要任務(wù)是了解并掌握電力電子器件IGBT的原理和使用，并用電源的逆變技術(shù)設(shè)計(jì)出一臺(tái)基于單片機(jī)控制的新型逆變穩(wěn)壓電源，先用MATLAB語言的電力仿真工具箱SimPower對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析其可行性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)所

14、設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，故本課題的名字為：基于單片機(jī)控制新型逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與仿真。本課題所設(shè)計(jì)逆變電源的參數(shù)要求：(1)輸入電壓：市電三相電源380VAC±10；(2)輸出電壓：輸出為單相220VAC(有效值)、頻率為50Hz的穩(wěn)壓電源；(3)輸出功率：3KW，允許過載10；(4)整機(jī)效率：設(shè)計(jì)目標(biāo)為90；(5)穩(wěn)壓精度：小于±2。第二章 基本原理2.1 IGBT管的基本原理與特性絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）簡稱IGBT，因?yàn)樗牡刃ЫY(jié)構(gòu)具有晶體管模式，所以稱為絕緣柵雙極型晶體管。IGBT于1982年開始研制，

15、1986年投產(chǎn)，是發(fā)展很快而且很有前途的一種混合型器件。IGBT綜合了MOS和GTR的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOS的1/10，開關(guān)時(shí)間是同容量GTR的1/10。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT有取代GTR和VDMOS的趨勢(shì)。2.1.1 IGBT的工作原理1.IGBT的結(jié)構(gòu)就IGBT的結(jié)構(gòu)而言，是在N溝道MOSFET的漏極N層上又附加上一層P層的的四層結(jié)構(gòu)。圖2-1(a)為N溝道VDMOSFET與GTR組合的N溝道IGBT（N-IGBT）。IGBT比VDMOSFET多一層注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的結(jié)，使IGBT導(dǎo)通時(shí)由注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少

16、子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，是一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)晶體管，為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 2.IGBT的工作原理N溝道IGBT通過在柵極發(fā)射極間加閾值電壓以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的層上形成反型層（溝道），開始從發(fā)射極電極下的層注入電子。該電子為晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底層開始注入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制（雙極工作），所以可以降低集電極發(fā)射極間飽和電壓。工作時(shí)的等效電路如圖2-1(b)所示，在發(fā)射極電極側(cè)形成寄生晶體管。若寄生晶體管工作，又變成晶閘管。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出側(cè)停

17、止供給電流。通過輸出信號(hào)已不能進(jìn)行控制。這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。為了抑制寄生晶體管的工作，IGBT采用盡量縮小晶體管的電流放大系數(shù)作為解決閉鎖的措施。具體來說，的電流放大系數(shù)設(shè)計(jì)在0.5以下IGBT的閉鎖電流IL為額定電流（直流）的3倍以上。IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFE基本相同，為場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓決定。導(dǎo)通： 大于開啟電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵、射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2.1.2 IGBT的特性與參數(shù)特點(diǎn)1.IGB

18、T的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性IGBT的伏安特性如圖2-2(a)所示，它反映在一定的柵極發(fā)射極電壓與的關(guān)系。越高，越大。值得注意的是，IGBT的反向電壓承受能力很差，從曲線中可知，其反向阻斷電壓只有幾十伏，因此限制了它在需要承受高反壓場(chǎng)所的使用。圖2-2(b)是IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)(開啟電壓，一般為36伏)時(shí)，IGBT開通，其輸出電流與驅(qū)動(dòng)電壓基本呈線性關(guān)系。當(dāng)時(shí)，IGBT關(guān)斷。2.IGBT的參數(shù)特點(diǎn)(1)IGBT的開關(guān)特性好，開關(guān)速度快，其開關(guān)時(shí)間是同容量GTR的1/10。IGBT的開通過程是從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。開通時(shí)間定義為從驅(qū)動(dòng)電壓 的脈沖前沿上升到最大值的10%所對(duì)應(yīng)的時(shí)

19、間起至集電極電流上升到最大值的90止所對(duì)需要的時(shí)間.又可分為開通延遲時(shí)間和電流上升時(shí)間兩部分。 定義為從10到10所需的時(shí)間，定義為從10上升至90所需要的時(shí)間，如圖2-3所示。 圖2-3 IGBT的開關(guān)特性IGBT的關(guān)斷過程是從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到正向阻斷狀態(tài)的過程。關(guān)斷時(shí)間定義為從驅(qū)動(dòng)電壓的脈沖后沿下降到90處起至集電極電流下降到10處所經(jīng)過的時(shí)間。又可分為關(guān)斷延遲時(shí)間和電流下降時(shí)間兩部分。是從90至90所需的時(shí)間；是指90下降至10所需的時(shí)間，由(由IGBT中的MOS管決定)和(由IGBT中的晶體管決定)兩部分組成。 IGBT的開關(guān)時(shí)間與集電極電流、柵極電阻以及結(jié)溫等參數(shù)有關(guān)。隨著集電極電

20、流和柵極電阻的增加，其中對(duì)開關(guān)時(shí)間影響較大。(2)IGBT的通態(tài)壓降低。在大電流段是同一耐壓規(guī)格的VDMOS的1/10左右。在小電流段的1/2額定電流以下通態(tài)壓降有負(fù)溫度系數(shù)，因此IGBT在并聯(lián)使用是具有電流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。(3)IGBT的集電極電流最大值。在IGBT管中由來控制的大小，當(dāng)大到一定的程度時(shí)，IGBT中寄生的NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)，柵極G失去對(duì)集電極電流Ic的控制作用，這叫擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，大、功耗大，最后使器件損壞。為此，器件出廠時(shí)必須規(guī)定集電極電流的最大值，以及與此相應(yīng)的柵極發(fā)射極最大電壓。集電極電流值超過時(shí)，IGBT產(chǎn)生擎住效應(yīng)。另外器件在關(guān)斷時(shí)電壓

21、上升率太大也會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)。(4)IGBT的安全工作區(qū)比GTR寬，而且還具有耐脈沖電流沖擊的能力。IGBT在開通時(shí)為正向偏置，其安全工作區(qū)稱為正偏安全工作區(qū)FBSOA，如圖2-4(a)所示，IGBT的導(dǎo)通時(shí)間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。IGBT在關(guān)斷時(shí)為反向偏置，其安全工作區(qū)稱為反偏安全工作區(qū)RBSOA，如圖2-4(b)所示，RBSOA與電壓上升率有關(guān)，越大，RBSOA越小。在使用中一般通過選擇適當(dāng)?shù)腢CE和柵極驅(qū)動(dòng)電阻控制，避免IGBT因過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。圖2-4IGBT的安全工作區(qū)(5)IGBT的輸入阻抗高，可達(dá)1091011歐姆數(shù)量級(jí)，呈純電容性，驅(qū)動(dòng)功率小，這些與VDMOS相似

22、。(6)與VDMOS和GTR相比，IGBT的耐壓可以做得更高，最大允許電壓UCEM可達(dá)到4500伏以上。(7)IGBT的最高允許結(jié)溫為。VDMOS的通態(tài)壓降隨結(jié)溫升高而顯著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結(jié)溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。2.1.3 IGBT的保護(hù)IGBT與電力MOSFET管一樣具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測(cè)試時(shí)應(yīng)采取防靜電措施。IGBT作為一種大功率電力電子器件常用于大電流、高電壓的場(chǎng)合，對(duì)其采取保護(hù)措施，以防器件損壞顯得非常重要。(1)過電流保護(hù)IGBT應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，對(duì)于正常過載（如電機(jī)起動(dòng)、濾波電容的合閘沖擊以及負(fù)載的突變等）系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)

23、節(jié)和控制，不至于損壞IGBT。對(duì)于非正常的短路故障要實(shí)行過流保護(hù)。通常的做法是：切斷柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。只要檢測(cè)出過流信號(hào)，就在2us內(nèi)迅速撤除柵極信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到過流故障信號(hào)時(shí)，立即將柵壓降到某一電平，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在定時(shí)器到達(dá)設(shè)定值之前，若故障消失，則柵壓又恢復(fù)到正常工作值；若定時(shí)器到達(dá)設(shè)定值時(shí)故障仍未消除，則把柵壓降低到零。這種保護(hù)方案要求保護(hù)電路在內(nèi)響應(yīng)。(2)過電壓保護(hù)利用緩沖電路能對(duì)IGBT實(shí)行過電壓抑制并抑制過量的電壓變化率 。但由于IGBT的安全工作區(qū)寬，因此，改變柵極電阻的大小，可減弱IGBT對(duì)緩沖電路的要求。然而，由于IGBT控制峰值電流能力比VDMOS強(qiáng)，因此在有些應(yīng)用中可不用

24、緩沖電路。(3)過熱保護(hù)利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)主電路跳閘以實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。2.2逆變技術(shù)及其原理通常，把交流電變成直流電的過程叫做整流；完成整流功能的電路叫做整流電路。與之相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電的過程叫做逆變，完成逆變功能的電路則稱為逆變電路，而實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置叫做逆變?cè)O(shè)備或逆變器?，F(xiàn)代逆變技術(shù)就是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的一門科學(xué)。這們學(xué)科是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門實(shí)用技術(shù)。2.2.1現(xiàn)代逆變技術(shù)的分類現(xiàn)代逆變技術(shù)種類很多，其主要的分類方

25、式如下：1.按逆變器輸出交流的頻率，可分為工頻逆變（5060Hz）、中頻逆變(400Hz到十幾KHz)、高頻逆變(十幾KHz到MHz)。2.按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。3.按輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。4.按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。5.按逆變主開關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場(chǎng)效應(yīng)管逆變、IGBT逆變等等。6.按輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。7.按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。8.按控制方式，可分為調(diào)頻式（PFM）逆變和調(diào)脈寬式（PWM）逆變.9.按逆變開

26、關(guān)電路的工作方式，可分為諧振式逆變、定頻硬開關(guān)式逆變和定頻軟開關(guān)式逆變。2.2.2逆變電路的基本工作原理圖2-5(a)為單相橋式逆變電路，S1-S4是橋式電路的4個(gè)臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，為負(fù)，其波形如圖2-5(b)所示。這樣，就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。這就是逆變電路的最基本的工作原理。圖2-5逆變電路及其波形舉例當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流和電壓的波形形狀相同，相位也相同。當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，相位滯后于，兩者波形的形狀也不同，圖2-5(b)給出的

27、就是阻感負(fù)載時(shí)波形。設(shè)時(shí)刻以前S1、S4導(dǎo)通，和均為正。在時(shí)刻斷開S1、S4，同時(shí)合上S2、S3，則的極性立刻變?yōu)樨?fù)。但是，因?yàn)樨?fù)載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時(shí)負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，到時(shí)刻降為零，之后才反向并逐漸增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時(shí)的情況類似。上面是S1-S4均為理想開關(guān)時(shí)的分析，實(shí)際電路的工作過程要復(fù)雜一些。2.2.3電力器件的換流方式圖2-6中，S1、S2表示由兩個(gè)電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流（或換相）。在換流過程中，有的

28、臂從導(dǎo)通到關(guān)斷，有的臂從關(guān)斷到導(dǎo)通。要使某一臂導(dǎo)通，只要給組成該導(dǎo)電臂的器件的控制極施加適當(dāng)?shù)男盘?hào)，但要使某一臂關(guān)斷，情況就復(fù)雜多了。全控型器件可以用適當(dāng)?shù)目刂茦O信號(hào)使其關(guān)斷，而半控型晶閘管，必須利用外部條件或采取一定的措施才能使其關(guān)斷。晶閘管要在電流過零以后再施加一定時(shí)間的反向電壓，才能使其關(guān)斷。一般來說，換流方式可分為以下幾種：(1)器件換流。利用全控型電力電子器件自身具有的關(guān)斷能力進(jìn)行換流，稱為器件換流。(2)電網(wǎng)換流。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。整流電路的換流方式就是電網(wǎng)換流。(3)負(fù)載換流。由負(fù)載提供換流電壓，凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場(chǎng)合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。(4)脈沖換流。設(shè)

29、置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，稱為脈沖換流，有時(shí)也稱為強(qiáng)迫換流或電容換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流兩種。在上述四種換流方式中，器件換流只適應(yīng)于全控型器件，其余三種方式主要是針對(duì)晶閘管而言。2.2.4單相電壓型逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(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。在本文中，我們主要討論單相電壓型逆變電路的基本構(gòu)成、工作原理和特性，圖2-7為其電路。電壓型逆變電路有以下一些特點(diǎn)：1.直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2.由于直流電壓源的鉗位作

30、用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。3.當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載是需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。下面，我們討論一下單相全橋電壓型逆變電路。單相全橋電壓型逆變電路的原理圖如圖2-7所示，它共有4個(gè)橋臂，橋臂1和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通。其輸出電壓的波形如同2-5(b)所示，是矩形波，下面我們對(duì)其電壓波形作定量分析。把幅值為的矩形波展開成傅里葉級(jí)數(shù)得: 其中基波得幅值和基波有效值分別為 2.3

31、 SPWM控制技術(shù)及其原理2.3.1 SPWM控制的基本原理如圖2-8(a)所示，我們將一個(gè)正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦等份的中點(diǎn)重合，得到如圖2-8(b)所示得脈沖列，這就是SPWM波形。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來等效。可以看出，該P(yáng)WM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM波形。圖2-8SPWM波形根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高，SPWM波形便越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為SPWM波形時(shí)，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電

32、壓。SPWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的三角波稱為載波

33、。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是SPWM波形。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波時(shí)，也能得到與調(diào)制信號(hào)等效的PWM波形。2.3.2單極性和雙極性SPWM控制方式圖2-9給出了電壓型單相橋式PWM逆變電路原理圖。如圖2-10所示，載波信號(hào)在信號(hào)正半周為正極性的三角波，在負(fù)半周為性的三角波，調(diào)制信號(hào)和載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制逆變器電力晶體管T3、T4的通斷。各晶體管的控制規(guī)律如下：在的正半周期， T1保持導(dǎo)通，T4交替通斷。當(dāng)時(shí)，使T4導(dǎo)通，負(fù)載電壓；當(dāng)時(shí)，使T4關(guān)斷，由于電感負(fù)載中電流不能突變，負(fù)載電流將通過D3續(xù)流，負(fù)載電壓。在的負(fù)半周，保持T2導(dǎo)通，使T3交替通斷。當(dāng)時(shí)，使T3導(dǎo)通，；當(dāng)時(shí)，使T3關(guān)斷，負(fù)載

34、電流將通過D4續(xù)流，負(fù)載電壓。這樣，便得到u0的SPWM波形，如圖2-10所示。圖中表示中的基波分量。象這種在的半周期內(nèi)三角波只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的幅值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應(yīng)的變化，這能改變逆變器輸出電壓的基波幅值，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號(hào)的頻率則可改變輸出電壓的頻率。與單極性SPWM控制方式對(duì)應(yīng)，另外一種SPWM控制方式稱為雙極性SPWM控制方式。單相橋式逆變電路采用雙極性控制方式時(shí)的SPWM波形如圖2-11所示。各晶體管的控制規(guī)律如下：在的正負(fù)半周內(nèi)，對(duì)各晶體管控制規(guī)律相同，同樣在調(diào)

35、制信號(hào)和載波信號(hào)的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。當(dāng)時(shí)，使晶體管T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷，此時(shí)，；當(dāng)時(shí)，使晶體管T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，此時(shí)，。在雙極性控制方式中，三角載波是正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的SPWM波形也是在正負(fù)兩個(gè)方向變化。在的一個(gè)周期內(nèi)，SPWM輸出只有±Ud兩種電平。逆變電路同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了防止上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲t時(shí)間，然后給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長短取決于功率開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間。需要指出的是，這個(gè)延遲時(shí)間將會(huì)給輸出的SPWM波形帶來不利的影響，使其偏離正弦波。第三

36、章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體介紹本次設(shè)計(jì)的目的是研制一種輸入為市電三相380V，輸出為220V，50Hz的交流穩(wěn)定電壓，輸出功率為3KW的單相穩(wěn)壓電源。考慮到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為大功率電源，所以我們?cè)谶@考慮使用SPWM逆變技術(shù)，圖3-1為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)的工作原理是三相電源380V經(jīng)整流濾波變成直流電壓，然后經(jīng)SPWM全橋逆變，變成220V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為220V、50Hz正弦波交流電壓輸出，另外，系統(tǒng)中CPU根據(jù)輸出采樣電壓值來控制SPWM波發(fā)生器輸出的SPWM波形參數(shù)，SPWM發(fā)生器產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離電路去驅(qū)動(dòng)逆變電路，從而把整流濾波后得到的直流電逆變成

37、穩(wěn)定交流電。該系統(tǒng)CPU采用AT89C51，SPWM波發(fā)生器采用SA4828三相SPWM波發(fā)生器，這里我們只使用其一相輸出波形，驅(qū)動(dòng)隔離電路采用富士公司生產(chǎn)的EXB841，主電路采用高壓整流模塊和IGBT模塊，輸出采樣模塊使用ADC0809。由于本系統(tǒng)的控制核心器件是AT89C51，所以我們?cè)诖藢?duì)該器件作一下介紹：AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的，該單片機(jī)采用高密度，非易失存儲(chǔ)技術(shù)，將閃爍存儲(chǔ)器（即flash memory或PEROM）和MCS-51系列單片機(jī)相結(jié)合。該單片機(jī)不但和MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，更以其便利的電擦寫功能和低廉的價(jià)格而擁有很高的性能價(jià)格比。適用于各種需要較

38、高靈活性的嵌入式控制應(yīng)用領(lǐng)域。AT89C51單片機(jī)芯片有40個(gè)引腳，是用CMOS工藝制造的芯片，采用雙列直插封裝（DIP）和方形封裝方式。圖3-2為它的引腳圖，說明如下：1.主電源引腳Vcc和VssVcc：接5V電壓。Vss:接地。2.外接晶振引腳XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：片內(nèi)反相放大器輸出端。外接晶振時(shí)，XTAL2和XTAL1各接晶振的一端，借外接晶振與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成振蕩器。3輸入/輸出引腳P0.0-P0.7：雙向三態(tài)I/O口。在訪

39、問外部存儲(chǔ)器時(shí)，分別輸出低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線。在對(duì)內(nèi)部EPROM編程時(shí)，用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。P1.0-P1.7：8位雙向I/O口。對(duì)EPROM編程時(shí)，用于接受低8位地址。P2.0-P2.7：8位雙向I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出高8位地址。在對(duì)內(nèi)部EPROM編程時(shí)，用于接受高8位地址。P3.0-P3.7：8位雙向I/O口。每個(gè)引腳都有各自圖3-2 AT89C51引腳的第二功能：P3.0為RXD（串行輸入口）；P3.1為TXD（串行輸出口）；P3.2為INT0（外部中斷請(qǐng)求輸入端0）；P3.3為INT1（外部中斷請(qǐng)求輸入端1）；P3.4為T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端）；P3.5

40、為T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端）；P3.6、P3.7為、RD（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫/讀選通信號(hào)輸出端）。4控制引腳ALE/PROG：地址鎖存有效信號(hào)輸出端。PSEN：片外程序存儲(chǔ)器讀取選通信號(hào)輸出端。RST/Vpd：復(fù)位端。當(dāng)Vcc掉電期間，Vpd如接備用電源V可用于保存片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)。EA/Vpp：片外程序存儲(chǔ)器選用端。3.2系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖3-3是本系統(tǒng)主電路的電路圖，下面我們分別來介紹主電路的各個(gè)部分：3.2.1輸入EMI濾波器的設(shè)計(jì)一、高頻電源中的噪聲問題電源中，噪聲是指直流基礎(chǔ)電源輸出電壓中的脈動(dòng)成分以及其他的交流分量。有些噪聲來自設(shè)備外部，如大負(fù)荷用電設(shè)備起動(dòng)造成電網(wǎng)電壓瞬

41、時(shí)跌落、工頻波形失真等。有些噪聲來自設(shè)備自身，如在功率轉(zhuǎn)換電路中開關(guān)管從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通的瞬態(tài)過程中，高速脈沖波形的電流、電壓，尤其是脈沖上升、下降沿，其中包含豐富的高次諧波分量易產(chǎn)生噪聲，另外，在開關(guān)管高速工作時(shí)，非線性元件、傳輸導(dǎo)線分布電感、電容容易發(fā)生寄生振蕩，加上器件本身高頻特性的差異均有可能產(chǎn)生噪聲。電源中的噪聲，按傳導(dǎo)與輻射兩種方式傳播，按對(duì)負(fù)載的影響，可分為共模噪聲、差模噪聲和輻射噪聲。這里共模噪聲是指主回路與機(jī)殼間傳導(dǎo)的噪聲；差模噪聲是指回路中的常態(tài)噪聲；輻射噪聲既包括外界通過空間向電源輻射的噪聲，又包括電源對(duì)外輻射的噪聲。二、EMI濾波器在本系統(tǒng)中，為了抑制交流電網(wǎng)和

42、電源之間的相互干擾，在交流電網(wǎng)和電源輸入端之間加上EMI（電磁干擾）濾波器，一方面，加上EMI濾波器后，可以消除來自電網(wǎng)的各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，電器開關(guān)的合閘和關(guān)斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾；另一方面，該濾波器也可以防止系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)。EMI濾波器主要由工頻低通濾波器和共模抑制元件組成，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選用北京克普銳特電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的KT-3H4-20型三相三線濾波器，其原理圖如圖34所示。Lc為濾波扼流線圈，當(dāng)電源輸入電流流過Lc時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以互相抵消，相當(dāng)于沒有電感效應(yīng)，Lc對(duì)共模噪聲來說，相當(dāng)于一個(gè)電感量很大的電感，故它能有效地抑制共模傳

43、導(dǎo)噪聲，電容Cy對(duì)共模噪聲起旁路作用，Cx對(duì)共模噪聲起抑制作用，R為Cx的放電電容，其特性如下：濾波器采用新型軟磁材料。最大泄漏電流：相地（250VAC、50Hz）<0.5mA耐壓：相中2150VDC額定工作頻率：50-200Hz圖3-4 KT-3H4-20型內(nèi)部原理圖額定工作電流：20A額定工作電壓：相相380VAC相中220VAC溫度范圍：-25-+85絕緣電阻：>200M500VDCEMI濾波器的安裝和布線對(duì)濾波器的性能發(fā)揮是極為重要的，在其安中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：濾波器應(yīng)安裝在機(jī)柜底部離設(shè)備電源入口盡量近的地方，并加以板，不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在機(jī)柜內(nèi)迂回。如果交流電源進(jìn)入

44、機(jī)殼波器有較長的距離，則這段線應(yīng)加以屏蔽。濾波器的外殼必須用截面積大的導(dǎo)線以最短的距離與機(jī)殼連為一盡量使濾波器的接地點(diǎn)與外殼接地點(diǎn)保持最短的距離，輸入、輸出應(yīng)靠近部布線以減少耦合，并將輸入、輸出線嚴(yán)格分開，絕不允許將濾波器的輸輸出線捆在一起或靠得很近。機(jī)殼內(nèi)的其他用電器（照明燈、信號(hào)燈等）或電磁開關(guān)等應(yīng)從濾端引線接到負(fù)載，或?yàn)檫@些干擾源單獨(dú)加裝濾波器。3.2.2輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的電源在額定狀態(tài)下的技術(shù)要求為：輸出電壓220VAC，率3000W，屬于大功率電源，為了保持三相交流電源的對(duì)稱性和減小電源濾波電容等原因，大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。因此，本采用三相橋式整流，

45、濾波電感和濾波電容組成輸入整流濾波電路。一、三相橋式整流電路的設(shè)計(jì)1、整流橋的耐壓：整流二極管的峰值反向電壓為: 取50的裕量 2、整流橋的額定電流電源的輸出功率為3KW，是確定值，所以電源的輸入功率就隨著電源的效率變化而變化，計(jì)算時(shí)取電源效率最差時(shí)的值，設(shè) 此時(shí)電源的輸入功率 最大輸入線電流 根據(jù)以上計(jì)算我們選用取富士公司生產(chǎn)的2RI60G-120（60A/1200V/2單元串聯(lián)）型號(hào)整流模塊三個(gè)連接而成橋式整流回路。二、輸入濾波電容的設(shè)計(jì)輸入濾波電容的值決定于輸出保持時(shí)間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小，且要在計(jì)算流入電容器的紋波電流是否完全達(dá)到電容器的容許值的基礎(chǔ)上進(jìn)設(shè)計(jì)。三相電源經(jīng)過整流

46、后，輸出直流電壓，此時(shí)通過直流回路的平均電流最大值 為 Udc為三相電源電壓最低時(shí)整流輸出的直流電壓的平均值 計(jì)算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗(yàn)公式是 因?yàn)槿嗳ㄕ麟娐返幕l率為單相整流電路的3倍，所以計(jì)算三相整電路的濾波電容公式為： 所以C=200×8.12=1626uF因?yàn)槿嗾鞯募y波較單相整流要小許多，所以本系統(tǒng)中輸入濾波電容取00uF，在實(shí)際電路中，我們選用2個(gè)2200uF/450VDC電容和2個(gè)1000uF/450VDC容兩兩串聯(lián)再并聯(lián)組成，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，所選電容能滿足設(shè)計(jì)要求?；趩纹瑱C(jī)控制新型逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與仿真三、輸入濾波電感的設(shè)計(jì)我們可以根據(jù)保持負(fù)載

47、電流連續(xù)的要求來選擇濾波電感L設(shè)最小負(fù)載功率 則 所以 取4mH。3.2.3逆變器和輸出濾波電路的設(shè)計(jì)一、IGBT的選擇1、耐壓當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓為最高輸入電壓時(shí)，經(jīng)整流濾波后輸出的最高直流電壓為 考慮各種因素的影響取50的裕量，則IGBT的最低耐壓為 2、IGBT的電流在一些參數(shù)未知的情況下，我們需要估算IGBT的電流，以便選擇IGBT管。輸入電網(wǎng)電壓經(jīng)輸入整流濾波后，直流母線上的最大直流電流為Id.max=.min.maxdcin其中所以可選擇IGBT的額定電流為25A。綜上所述，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們可選擇日本富士公司生產(chǎn)的2MBI25L-120（2單元25A/1200V）型IGBT管，該管耐

48、壓1200V，電流容許值為25A。二、輸出LC濾波電路經(jīng)全橋逆變器輸出的電壓中，逆變開關(guān)頻率一般都比較高，從幾KHz到幾MHz的都有。對(duì)幾KHz至十幾KHz的脈沖電壓進(jìn)行濾波時(shí)，一般對(duì)紋波電壓要求不是太高，所以可以忽略濾波電解電容等效串聯(lián)電阻(ESR)，并且頻率不高時(shí)，其等效串聯(lián)阻抗ESZ也不大，影響也不嚴(yán)重。但是，隨著頻率的升高，電解電容引線電感L造成的等效串聯(lián)阻抗ESZ就會(huì)上升，明顯地增加輸入電壓的紋波。所以計(jì)算LC參數(shù)，要分別情況根據(jù)工作頻率范圍設(shè)計(jì)。允許電抗器的電流波動(dòng)峰峰值逆變器輸出脈沖電壓峰值由于逆變器輸出的是SPWM電壓，所以在設(shè)計(jì)濾波LC參數(shù)時(shí)，我們可以考慮如下情況：當(dāng)濾波輸出

49、的平均電壓=311V，此時(shí)、，所以由式L=LmoniVVT?(2?0)13，得L=1.4(513?311)×103.6=14.9mH，由式，得，所以L取15mH。設(shè)電容上電壓紋波為3V，由式，得，取10uF。所以L為工頻電感，電感量可選為15mH，為減小噪聲，選閉合鐵芯，如OD型硅鋼鐵芯（400Hz）或鐵粉芯鐵芯。C為工頻電容，可以選CBB61-10uF-250VAC。3.2.4 RCD緩沖電路的設(shè)計(jì)緩沖電路也稱作吸收電路，它是一種保護(hù)電路，其目的是在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)防止在開關(guān)管上產(chǎn)生過電壓，另外它也能改變開關(guān)管開關(guān)過程中電壓和電流的波形軌跡，使開關(guān)“軟化”，以減少開關(guān)損耗。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)

50、中，我們選用IGBT作為開關(guān)器件，由于IGBT開關(guān)速度快，當(dāng)IGBT由通態(tài)迅速關(guān)斷時(shí)，有很大的di/dt產(chǎn)生。該di/dt在主回路的布線電感上引起較大的尖峰電壓Ldi/dt，這個(gè)尖峰電壓與直流電源電壓疊加后加在關(guān)斷的IGBT的集射兩極之間。如果尖峰電壓很大，可能使疊加后的電壓超過反向安全工作區(qū)，或者由于dU/dt太大引起誤導(dǎo)通，兩者都有損于IGBT。因此為保護(hù)IGBT，我們?cè)赟PWM逆變電路中設(shè)置了RCD緩沖電路。1.緩沖電路結(jié)構(gòu)及工作原理具有緩沖電路的逆變器的一個(gè)橋臂如圖3-5所示。為了分析緩沖電路的工作原理，把圖3-5簡化后示于圖3-6。圖3-7是其工作波形。如圖3-5所示，假定當(dāng)前工作狀

51、態(tài)為T1導(dǎo)通，T2截止，此時(shí)，電源正極經(jīng)T1、Ds2對(duì)Cs2充電，Cs2上電壓為Ed，且T1中電流的另一部分流入負(fù)載（見圖3-6），Cs1處于放電狀態(tài)，其電壓漸漸低于Ed。當(dāng)T1的觸發(fā)信號(hào)取消后，T1即開始關(guān)斷，為了保持負(fù)載電流連續(xù)，T2上的續(xù)流二極管FWD導(dǎo)通，如圖3-6所圖中：Lm直流母線分布總電感，Lm=L1+L2 I0關(guān)斷前集電極輸出電流Ls緩沖電路布線電感UcespLs上引起的反電動(dòng)勢(shì)Cs緩沖電路電容UcepCs上充電尖峰電壓Ds緩沖電路二極管Ed直流電源電壓Rs緩沖電路電阻Ufp(ds)Ds上正向恢復(fù)電壓示。緩沖二極管VDs陰極基本上被鉗制在Ed負(fù)極電位上（忽略續(xù)流管壓降），由于C

52、s兩端電壓不會(huì)突變，VDs處于正向偏置而導(dǎo)通。另外，分布電感Lm仍以維持Ic不變的趨勢(shì)經(jīng)Ls向Cs充電，在Ls上產(chǎn)生LsdIc/dt反電動(dòng)勢(shì)（左正右負(fù)）。由于VDs在導(dǎo)通過程中具有正向過渡特性，開始時(shí)有較大的正向瞬時(shí)電壓（4060V），見圖3-7(a)。因此，加在T1集射兩端的電壓是Ls、Cs、VDs支路電壓的總和，即隨著充電過程進(jìn)行，VDs正向過渡特性很快結(jié)束，其正向壓降逐步減到零，見圖3-7(a)，Uce從Ucesp逐漸減小。但隨著Cs的充電，其兩端電壓又逐步升高，因此，Uce又逐步回升達(dá)到Ucep，如式(3-1)。Cs充電過程停止，接著Cs經(jīng)（Ls+Lm）、Ed、FWD、VDs構(gòu)成的LC

53、電路開始放電。由于Ls上反電動(dòng)勢(shì)改變方向（左負(fù)右正），Uce產(chǎn)生一個(gè)負(fù)下跳Lsdids/dt，VDs上開始出現(xiàn)反向恢復(fù)電流。當(dāng)反向電流ids達(dá)到最大時(shí)，就開始減小，Ls上反電動(dòng)勢(shì)又改變方向（左正右負(fù)），Uce又出現(xiàn)一個(gè)上跳，二極管VDs進(jìn)入關(guān)斷過程，VDs上承受反向電壓Uds如式(3-2)所示，（Lm+Ls）上反電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)。VDs關(guān)斷后，ids0，(Lm+Ls)上反電動(dòng)勢(shì)消失，VDs上承受的反向電壓Uds=Ucep-Ed=Uce。 (3-1) (3-2)式中，idsr為VDs的反向恢復(fù)電流。Uce是前面Lm經(jīng)Ls向Cs充電時(shí)產(chǎn)生的高出直流電壓Ed的部分，此時(shí)成為反偏壓全加在VDs的兩端。2緩沖電路參數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生過電壓的根本原因是主回路的布線電感Lm，其間存儲(chǔ)的電能為 (3-3)緩沖電路能吸收的能量為 (3-4)令式(33)等于式(34)，有為確保Lm中能量全部被Cs吸收，應(yīng)取式中，；(額定值)；。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，取2uH，。則，取30。緩沖電阻的要求是，IGBT關(guān)斷時(shí)，Cs上積累電荷的90能及時(shí)釋放掉，可由式3-5確定。阻值過小，緩沖電路可能振蕩，IGBT導(dǎo)通時(shí)電流增加。 (3-5)緩沖電阻產(chǎn)生的損耗P(RS)與阻值無關(guān)，可由下式確定：式中系數(shù)10是電阻互特?cái)?shù)的裕度系數(shù)，以防溫升過高，f為開關(guān)頻率，本例中f取5