PWM脈寬調(diào)制變頻電路

第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4．1PWM控制的基本原理4．2單相PWM逆變電路4．3三相橋式PWM逆變電路4．4PWM控制變頻系統(tǒng)中的功率接口4．5PWM控制大規(guī)模集成電路高校教材網(wǎng)http://為負載提供可變交流電源的裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻CVCF交流電變換為變壓變頻VVVF(通常簡稱3VF)交流電。變頻器最典型的應用就是交流電動機的無級調(diào)速。變頻電路按其電路結構特點、控制方式或輸出波形的不同，可構成不同類型的變頻器。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路變頻器的分類高校教材網(wǎng)http://如圖4-1所示為交—交變頻器與交—直—交變頻器的結構框圖。圖4-1（a）所示的交—交變頻器在結構上沒有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，來自電網(wǎng)的交流電被直接變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，所以稱為直接變頻器。而圖4-1（b）所示的交—直—交變頻器有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，其工作時首先把來自電網(wǎng)的交流電變換為直流電，經(jīng)過中間濾波環(huán)節(jié)之后，再通過逆變器變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，故又稱為間接變頻器。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-1變頻器結構框圖（a）交—交變頻器(b)交—直—交變頻器高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-2交—直—交電壓型變頻器的結構形式（a）可控整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻（b）二極管整流，斬波器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻。（c）二極管整流，PWM逆變器調(diào)壓，調(diào)頻。高校教材網(wǎng)http://圖4-2（a）所示電路在整流環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)可控整流器的控制角α進行調(diào)壓，逆變器只進行調(diào)頻。圖4-2（b）所示電路的整流器是不可控的，其調(diào)壓是通過斬波器進行的，逆變器僅進行調(diào)頻。圖4-2（a）、（b）兩種電路結構的共同特點在于都有專門的調(diào)壓環(huán)節(jié)調(diào)整輸出電壓的幅值，從最后輸出波形看，它們同屬于脈沖幅度調(diào)制PAM方式。圖4-2（c）所示電路則是以不可控制整流器接入電網(wǎng)，整流之后不調(diào)節(jié)電壓幅度就送入逆變器，在逆變器同時完成調(diào)頻調(diào)壓，因其電壓幅值不可變，逆變器的調(diào)壓靠改變電壓輸出脈沖的寬度來完成，從輸出波形上看，該電路屬于脈沖寬度調(diào)制PWM方式。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路在圖4-2（b）、（c）兩種電路結構中，因采用不可控整流器，功率因數(shù)高。而在圖4-2（a）電路中，由于采用可控整流，輸出電壓有換相電壓降產(chǎn)生，諧波的無功功率使得輸入端功率因數(shù)降低。在圖4-2（a）、（b）兩種電路結構中，獨立的調(diào)壓調(diào)頻環(huán)節(jié)使之容易分開調(diào)試，但系統(tǒng)的動態(tài)反應慢。圖4-2（c）所示的電路結構則具有動態(tài)響應快，功率因數(shù)高的特點。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-3交—直—交電流型變頻器結構圖（a）可控整流器調(diào)節(jié)電壓，逆變器調(diào)節(jié)頻率。（b）二重化結構。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-3（a）中可控整流器調(diào)節(jié)電壓和電流的大小，逆變器調(diào)節(jié)輸出電壓頻率，電容Cd為電流型濾波環(huán)節(jié)，Ld為限流電感。由于電流型變頻器很少進行脈沖寬度調(diào)制，而圖4-3（a）結構的電路輸出電流波形(方波)中諧波分量太大，影響了電動機的低速性能，因此，對電流型變頻器可以采用圖4-3（b）所示的二重化結構。該結構中，上下兩套變頻器的輸出方波電流頻率一致，但相位上錯開一定角度，輸出時將兩套變頻器的輸出電流進行疊加，疊加之后輸出的交流電流將成為多階梯的波形，更接近于正弦波，有利于抑制低速運行時的轉(zhuǎn)矩脈動，擴大運行范圍。高校教材網(wǎng)http://

綜合以上分析可知，圖4-2（b）、（c）和圖4-3電路結構在運行中存在以下缺點：(1)調(diào)壓與調(diào)頻需要兩套可控晶閘管變換器，開關元件多，控制線路復雜。(2)晶閘管可控整流側(cè)在低頻低壓下功率因數(shù)太低。(3)逆變器輸出的階梯波交流電壓(電流)諧波分量較大，因此變頻器輸出轉(zhuǎn)矩的脈動率大，低速時影響電動機的穩(wěn)定工作。(4)由于儲能電容的充放電時間長，變頻器的動態(tài)反應慢。(5)變壓器漏抗對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響較大。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路

PWM型變頻器有以下幾個優(yōu)勢：(1)主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，開關元件少，控制線路簡單。(2)整流側(cè)使用了不可控整流器，電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓無關而接近于1。(3)通過對PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次諧波，實現(xiàn)接近正弦形的輸出交流電壓波形。(4)調(diào)頻調(diào)壓在同一環(huán)節(jié)實現(xiàn)，無中間儲能環(huán)節(jié)，動態(tài)響應加快。得益于以上這些優(yōu)勢，PWM控制方式正逐步取代其它形式的電路結構在變頻技術和產(chǎn)品中占領主導地位。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1PWM控制的基本原理圖4-4PWM交—直—交變頻電路圖高校教材網(wǎng)http://圖4-4是典型PWM交—直—交變頻器主電路圖，其整流環(huán)節(jié)采用不可控二極管整流橋，其輸出電壓經(jīng)電容濾波后形成不可調(diào)的直流電壓Ud。而逆變環(huán)節(jié)則以六只功率開關器件和輔助元件構成，這些開關器件可以選用功率晶體管GTR，功率場效應晶體管MOSFET，絕緣門極晶體管IGBT等。控制逆變器中的功率開關器件按一定規(guī)律導通或斷開，逆變器的輸出側(cè)即可獲得一系列恒幅調(diào)寬的輸出交流電壓，該電壓為可調(diào)頻、可調(diào)壓的交流電——VVVF。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1PWM控制的基本原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-5為GTR元件作為功率開關的PWM逆變器主電路原理圖。對逆變器的變壓變頻控制，是通過對功率開關VT1-VT6的規(guī)律性通斷控制來實現(xiàn)的，所以，PWM逆變器的通斷控制規(guī)則即脈沖寬度調(diào)制方式?jīng)Q定著逆變器的輸出性能。脈寬調(diào)制的方式很多：由調(diào)制脈沖的極性可分為單極性和雙極性；由載波信號和參考信號(或控制波信號)的頻率關系可分為同步調(diào)制方式和異步調(diào)制方式。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-5PWM逆變器主電路原理圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理1、單極性脈寬調(diào)制（1）參考信號為直流電壓的脈寬調(diào)制方式在單極性脈寬調(diào)制中，控制信號與載波信號都是單極性的信號。對圖4-5所示的電路而言，當參考信號為單極性直流電壓ur，載波信號為單極性三角波ut時，對電路A相(即VT1、VT4橋臂)的調(diào)制規(guī)律如下：輸出電壓正半周由VTl提供，VT4截止。

ur>ut時，VTl導通；

ur<ut時，VTl截止。輸出電壓負半周由VT4提供，VT1截止。

ur>ut時，VT4導通；ur<ut時，VT4截止。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-6參考信號為直流電壓PWM電路波形圖（180°導電型）高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-7參考信號為直流電壓的PWM電路波形圖（120°導電型）改變功率開關器件VT1-VT6的切換頻率，即可調(diào)節(jié)交流輸出頻率；如保持載波信號Ut不變，改變參考信號Ur的幅度，輸出脈沖的寬度就會改變，從而調(diào)節(jié)輸出交流電壓基波的幅度。根據(jù)這一原理，可構成輸出電壓幅值和頻率可調(diào)的交流變頻器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理（2）參考信號為正弦波的脈寬調(diào)制方式參考信號為正弦波的脈沖寬度調(diào)制叫做正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)。在單極性SPWM調(diào)制方式中，參考信號為三個互差120°電角度的單極性正弦波ura、urb、urc，以保證被控輸出電壓與三相正弦交流電一致；載波信號為單極性三角波ut，調(diào)制規(guī)律則與參考信號為直流電壓的脈寬調(diào)制方式相同。高校教材網(wǎng)http://圖4-8單極性SPWM調(diào)制波形第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理在單極性SPWM逆變器中，輸出交流基波電壓大小和頻率均由參考電壓ur控制。由于載波信號和參考信號均為單極性，還需要一個倒向信號對輸出波形的正負半波進行控制。以A相為例，改變ura的幅值，脈沖寬度隨之改變，從而改變輸出電壓uA0的大??；而改變ura的頻率，則輸出交流電壓的頻率隨之改變。要注意的是，為滿足調(diào)制規(guī)律的要求，正弦參考波的最大幅值不得大于三角波的幅值。對于三相脈沖寬度調(diào)制，只將對稱可調(diào)頻、可調(diào)幅的三相正弦參考波與三角載波進行迭加，并按上述調(diào)制規(guī)律進行控制，即可輸出三相正弦調(diào)制波。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理2、雙極性脈寬調(diào)制雙極性脈寬調(diào)制方式的特征是控制信號與載波信號均為雙極性信號。在雙極性SPWM方式中，參考信號為對稱可調(diào)頻、可調(diào)幅三相正弦波，如圖4-9中的Ura、Urb、Urc，載波信號為雙極性三角波Ut。由于控制信號本身具有正負半周，無需倒向信號進行正負半波控制，雙極性SPWM的調(diào)制規(guī)律相對簡單，且不需分正負半周。仍以A相為例，其調(diào)制規(guī)律為：ura

>ut時：VT1導通，VT4截止；ura<ut時：VT1截止，VT4導通。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理雙極性SPWM調(diào)節(jié)輸出交流電壓幅值和頻率的方式與單極性SPWM相同，都是靠調(diào)節(jié)正弦參考波的幅值和頻率來實現(xiàn)的。圖4-9雙極性SPWM調(diào)制原理

高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理3、同步調(diào)制在SPWM調(diào)制方式中，定義載波頻率ft與控制波頻率fr之比為載波比，用N＝ft／fr表示。如果在調(diào)制過程中保持比值N為常數(shù)，則稱為同步調(diào)制方式，如果該比值N不為常數(shù)，則稱為異步調(diào)制方式。同步調(diào)制的優(yōu)點是，在開關頻率較低時可以保證輸出波形的對稱性。但是，在載波頻率較高時，同步調(diào)制幾乎失去了應用的價值。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理4、異步調(diào)制異步調(diào)制時，在控制波頻率fr變化的同時，載波頻率ft保持不變。這樣，在逆變器整個變頻范圍內(nèi)，輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是不固定的，很難保持三相波形的對稱關系且不利于諧波的消除。正由于是異步調(diào)制，在低頻輸出時，一個信號周期內(nèi)，載波個數(shù)成數(shù)量級增多，這對抑制諧波電流、減輕電動機的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動大有好處。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理5、分段同步調(diào)制對于BJT和GTO之類開關頻率不很高的功率器件，單使用同步調(diào)制或異步調(diào)制都有失偏頗，綜合兩者的優(yōu)點，還可以采用分段同步式調(diào)制方式，當頻率fr降低較多時，分段有級地增加載波比N，即對不同的fr頻段取不同的N值，頻率低時取N值大些，一般按等比級數(shù)安排。N的切換應注意兩點：

(1)不出現(xiàn)電壓的突變。

(2)在切換的各臨界點處設置一個滯環(huán)區(qū)，以免在輸出頻率恰落在切換點附近時造成載波頻率反反復復變換不定的所謂振蕩現(xiàn)象。這種方式的缺點是，在N值切換時可能出現(xiàn)電壓突變甚至振蕩。高校教材網(wǎng)http://圖4-10分段同步調(diào)制第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

在SPWM系統(tǒng)中，通常是利用三角載波與正弦參考波進行比較以確定逆變器功率器件的開關時刻，從而控制逆變器輸出可調(diào)正弦波形。這一功能可由模擬電子電路、數(shù)字電子電路、專用的大規(guī)模集成電路等裝置來實現(xiàn)，也可由計算機編程實現(xiàn)。SPWM系統(tǒng)開關點的算法，主要分為兩類：一是采樣法，二是最佳法。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

1、自然采樣法在上一節(jié)中討論的幾種調(diào)制輸出波形的脈沖寬度，均是由正弦參考波與三角載波自然相交來確定的，所以稱之為自然采樣法。根據(jù)采樣規(guī)則的不同，采樣法又可分為對稱規(guī)則采樣和不對稱規(guī)則采樣兩種。

圖4-11自然采樣法（不對稱）[])sin(sin21211''2'22BAtttMTtttww++=+=高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

為了解決不對稱自然采樣法存在的缺點，產(chǎn)生了所謂的對稱采樣法，如圖4-12所示是一種較為簡單的對稱采樣法，其脈沖發(fā)生時刻A點與自然采樣法一致，而以三角載波中心線為對稱軸來求取脈沖結束時刻B點，則

t1=t3，t2′=t2″。

(4-3)高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

圖4-12對稱規(guī)則采樣法圖4-12平均對稱規(guī)則采樣法高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

3、平均對稱規(guī)則采樣法綜合上述兩種采樣法的優(yōu)點，可得到如圖4-13所示的平均對稱規(guī)則采樣法。該法以三角載波的中心線與正弦控制波的交點E為采樣電壓值，由E點水平截取三角載波對應值A、B兩點，從而確定脈寬時間t2

（4-4）高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

4、指定諧波消除法指定諧波消除法是SPWM控制模式研究中一種比較有意義的開關點確定法。在這種方法中，脈沖開關時間不是由三角波與控制波的交點確定的，而是從消除某些指定次諧波的目的出發(fā)，通過解方程組解出來的。圖4-13所示為半周期內(nèi)只有三個脈沖波的單極式SPWM波形。在圖示的坐標系中，將SPWM電壓波形展成傅氏級數(shù)為：式中k為奇數(shù)，由于SPWM波形的對稱性，不存在偶數(shù)次諧波。高校教材網(wǎng)http://設控制要求逆變器輸出的基波電壓幅值為U1m，并要求消除五次、七次諧波(三相異步電動機無中線情況下不存在3及3的整數(shù)倍諧波)，按上述要求，可列出下列方程組：求解上述方程組即可得到合適的開關時刻αl、α2與α3的數(shù)值。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

高校教材網(wǎng)http://圖4-13三脈沖波的單極式SPWM波形第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關點算法

高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.2單相PWM逆變電路

圖4-14單相PWM逆變器主電路圖4-15SPWM平均對稱采樣控制輸出調(diào)制波形高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.2單相PWM逆變電路

圖4-14所示為單相PWM全橋式逆變器的主回路。對電路進行分析可知，當VT1和VT4導通時，負載上得到的輸出電壓UAB=+Ed，而當VT2和VT3導通時，負載上得到的輸出電壓UAB=-Ed。當VT1-VT4全部截止時，UAB=0。調(diào)節(jié)上述輸出電壓+Ed和-Ed的寬度比，就可獲得所期望的輸出電壓波形。在圖4-14中，如采用正弦參考波ur(ωrt)與三角載波ut(ωtt)進行比較，并依據(jù)一定的采樣法對電路進行控制，可得到如圖4-15所示的輸出調(diào)制波形。高校教材網(wǎng)http://4.3.1工作原理分析圖4-16所示為三相橋式SPWM逆變器的主回路，如按第三章所述逆變器的導通規(guī)律：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1對功率開關元件進行控制，則對稱三相負載上將分別得到在第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

到之間變化的脈沖電壓。

由于三相正弦參考波與三角載波通過調(diào)制電路分別進行比較后對脈沖的寬度比進行調(diào)節(jié)，負載上將得到一個與參考波成一定比例的電壓脈沖序列。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-16三相橋式SPWM逆變器主電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-17三相橋式逆變器SPWM控制原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-18晶體管通用型三相PWM逆變器主電路原理圖高校教材網(wǎng)http://濾波電容器Cd起著平波和中間儲能的作用，提供電感性負載的無功功率。

PWM逆變器主要由6個大功率晶體管VT1-VT6、6個續(xù)流二極管VD1-VD6、泵升電壓限制電路(R7、VT7)組成，VT1-VT6工作于開關狀態(tài)，其開關模式取決于供給基極的PWM控制信號，輸出交流電壓的幅值和頻率通過控制開關脈寬和切換點時間來調(diào)節(jié)。VDl-VD6用來提供續(xù)流回路。

第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

高校教材網(wǎng)http://4.3.2主電路的檢測與保護在通用變頻器中，GTR工作在開關狀態(tài)，其最關鍵的技術參數(shù)是反向封鎖電壓Vceo和正向?qū)娏鱅cm，此外還須計算校核集電極功率耗散Pc是否在限定值之內(nèi)，因此，變頻器工作中需要進行電壓、電流檢測以及結溫檢測。結溫不但與集電極功耗有關，也與散熱器熱阻有關，一般在散熱器上加裝溫度傳感器進行結溫檢測。由于逆變器的最高工作電壓也就是直流母線電壓Ud，所以應對Ud進行電壓監(jiān)視。電壓信號的采樣方式很多，如采用電阻分壓、霍爾傳感器等均可用于對Ud進行電壓采樣。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

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變頻器中的過電流信號主要分為內(nèi)部直通電流和外部故障電流兩大類。內(nèi)部直通電流只在變頻器內(nèi)部逆變電路的同橋臂GTR間形成環(huán)流，由于電流不經(jīng)過負載，回路電阻較小，可能導致較大的過電流。外部故障電流主要是由負載過重或外電路短路等故障造成的，電流通路相對較復雜，通常情況會同時影響到變頻器的交流側(cè)和直流側(cè)，所以，對變頻器中電流的檢測較為復雜。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-19三相PWM逆變器主電路信號檢測原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

可構成PWM變頻系統(tǒng)主電路的功率開關器件很多，如GTR、GTO、IGBT等，其控制電路無論是由分離組件構成還是由大規(guī)模集成電路或計算機系統(tǒng)構成，其輸出控制信號均為低電壓、小功率信號，難以有效驅(qū)動主電路中的功率開關器件，需要配置適當?shù)墓β式涌趤磉B接控制電路與主電路或單片機電路與驅(qū)動電路。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

4.4.1大功率晶體管的基極驅(qū)動電路

GTR的導通與關斷是由基極驅(qū)動信號控制的，因此，基極驅(qū)動電路必須適應于GTR器件的要求。GTR器件本身的放大倍數(shù)受集電極電流與結溫的影響，其開關速度受導通時間ton和關斷時間toff的限制。（一）分立組件驅(qū)動電路典型的GTR分立組件驅(qū)動電路如圖4-20所示。當驅(qū)動信號為1時，非門輸出為0，光電三極管導通，使VT1截止，VT2導通，VT3截止，GTR基極電流流經(jīng)E1→VT2→RC→VD2→be→E1低電位。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-20分立組件GTR驅(qū)動電路原理圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

（二）集成模塊化驅(qū)動電路集成化驅(qū)動模塊的種類很多，其電路結構和性能取決于其所驅(qū)動的功率開關器件的種類和主電路對控制電路的功能要求等因素。

M57215BL為GTR專用驅(qū)動模塊，可驅(qū)動50A、1000V的GTR器件。該電路的開關頻率為2kHz，其內(nèi)部結構如圖4-21所示，PWM信號輸入端②不帶非門，需要外接。其外部接線如圖4-22所示。其⑧腳接正電源+10V，④腳接負電源－3V。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-21M57215BL驅(qū)動模塊內(nèi)部原理圖高校教材網(wǎng)http://圖4-22M57215BL驅(qū)動模塊內(nèi)部原理圖第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

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EXB841是快速型IGBT專用驅(qū)動模塊，可驅(qū)動300A，1200V的IGBT器件。該電路開關頻率可高達40kHz-50kHz，信號延遲時間不超過1μs，外部只需要提供+20V的單電源，內(nèi)部自己產(chǎn)生－5V反偏壓。該模塊采用高速光耦隔離，射級輸出，并具有短路保護及慢速關斷功能。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-23EXB841的內(nèi)部原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-24EXB841驅(qū)動模塊應用電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

4.4.2PWM大規(guī)模單片集成電路（一）HEF4752及其應用

HEF4752是全數(shù)字化的三相SPWM波生成集成電路。這種芯片既可用于有強迫換流電路的三相晶閘管變頻器，也可用于由全控型開關器件構成的變頻器。對于后者，可輸出三相對稱SPWM波控制信號，調(diào)頻范圍為0-200Hz。由于它生成的SPWM波的最大開關頻率比較低，一般在lkHz以下，所以較適于以BJT或GTO為開關器件的變頻器，而不適于IGBT變頻器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

了解HEF4752芯片的基本功能和作用圖4-25HEF4752管腳排列圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

2．HEF4752電路結構及工作原理(1)電路結構

HEF4752電路結構原理如圖4-28所示。從圖中可以看出，HEF4752由FCT計數(shù)器、VCT計數(shù)器和RCT計數(shù)器等三個計數(shù)器，一個譯碼器，三個輸出口以及供生產(chǎn)廠家測試用的試驗電路組成。

HEF4752能產(chǎn)生輸出頻率從0Hz至200Hz可調(diào)的三相SPWM信號，并可使輸出電壓隨輸出頻率成線性變化。其調(diào)制原理的主要依據(jù)是SPWM不對稱規(guī)則采樣法。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-28HEF4752內(nèi)部結構框圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

不對稱規(guī)則采樣法SPWM波的脈寬為：(4-10)脈寬可以用電角度表示為：(4-11)若令βi代表脈寬t2i的前沿角度和后沿角度，則:(4-12)高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-29雙邊調(diào)制方法高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-30N=15時的雙邊調(diào)制波(a)N=15時的等脈寬矩形波(b)N=15時的A相雙邊調(diào)制波(c)N=15時的B相雙邊調(diào)制波(d)N=15時的C相雙邊調(diào)制波(e)N=15時的線電壓UAB輸出波高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

HEF4752輸出的SPWM波的輸出頻率f與開關頻率fr決定于頻率控制時鐘FCT。圖4-31不同分頻數(shù)下fr與f的關系圖4-32開關頻率fr與輸出頻率f的關系高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

表4-1各切換點的開關頻率值輸出頻率f(Hz) 載波頻率比N

開關頻率fr(Hz) 3.57~5.95 168600~1000 5.00~8.33 120 600~1000 7.14~11.9084 600~1000 10.00~16.6760 600~1000 14.29~23.81 42 600~1000 20.00~33.30 30 600~1000 28.57~47.6221 600~1000 40.00~66.67 15 600~1000 高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

3．HEF4752的應用舉例以上所述與HEF4752配套的電路是由模擬電路與數(shù)字電路構成的。當然，也可以使用微機，用硬件與軟件相結合的方法完成上述電路功能。圖4-33HEF4752控制的SPWM變頻器高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

（二）SLE4520及其應用

HEF4752三相SPWM集成電路能設置的開關頻率比較低，不適合于IGBT變頻器。SLE4520是德國西門子公司生產(chǎn)的一種CMOS大規(guī)模專用集成電路。它是一個可編程器件，能把三個8位數(shù)字量同時轉(zhuǎn)換成二路相應脈寬的矩形波信號，與單片機及相應的軟件結合，能以很簡單的方式產(chǎn)生三相逆變器所需的六路控制信號。由于其輸出的SPWM波的開關頻率可達20kHz，基波頻率可達2600Hz。因此，適用于IGBT變頻器或其它中頻電源變頻器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-34SLE4520管腳排列圖1．SLE4520的管腳排列及功能：SLE4520為雙列直插式28腳大規(guī)模集成電路，如圖4-34所示。它有13個輸入端、5個控制端、8個輸出端、2個電源端。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(1)輸入端①XTALl(管腳2)、XTAL2(管腳3)—外接晶振輸入端。②P7-P0(管腳4-11)—8位數(shù)據(jù)輸入端③SYNC(管腳27)—來自微機的觸發(fā)脈沖信號輸入端④

(管腳24)—來自微機的脈沖信號輸入端⑤ALE(管腳25)—地址鎖存允許輸出端，與單片機的ALE線相連高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(2)控制端①CLEARSTATUS(管腳21)、SETSTATUS(管腳22)——為通斷狀態(tài)觸發(fā)器的兩個輸入端，即清零端與置位端。②RES(管腳23)——SLE4520的復位端，可與微機復位電路的輸出相連。③CS(管腳26)——SLE4520的片選信號輸人端，可與微機系統(tǒng)的譯碼電路輸出端相連。④INHIBIT(管腳19)——脈沖封鎖端，接保護電路的輸出。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(3)輸出端①PH1/1(管腳18)、PHl/2(管腳17)、PH2/1(管腳16)、PH2/2(管腳14)，PH3/1(管腳13)、PH3/2(管腳12)——分別為變頻器A、B、C三相上、下橋臂開關器件的控制信號輸入端，接三相變頻器驅(qū)動電路的輸人端，提供驅(qū)動三相變頻器的SPWM信號。②STATUS(管腳20)——通斷狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端③CLKOUT(管腳28)——晶振頻率輸出端(4)電源端①UDD(管腳1)——電源正端，接+5V電源。②USS(管腳15)——電源負端，接地高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

4-35SLE4520的內(nèi)部結構框圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

2．SLE4520電路結構及工作原理(1)電路結構

SLE4520的內(nèi)部結構如圖4-35所示。它的內(nèi)部有一個死區(qū)時間生成及輸出寄存器，一個四位死區(qū)(互鎖)時間寄存器，三個過零檢測器，三個可預置計數(shù)器，三個8位數(shù)據(jù)寄存器，一個四位分頻控制寄存器和一個1:n預置分頻器，一個1:4地址譯碼鎖存器及一個通斷控制觸發(fā)器共17個單元線路。這些單元線路分別與SLE4520的內(nèi)部數(shù)據(jù)或控制總線相連。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(2)工作原理表4-2SLE4520內(nèi)部寄存器地址表地址 寄存器

00 A相寄存器

01 B相寄存器

02 C相寄存器

03 死區(qū)寄存器

04 分頻控制寄存器

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表4-3SLE4520死區(qū)寄存器取值及產(chǎn)生的死區(qū)時間取值 死區(qū)時鐘為1:4死區(qū)時鐘為1:6

時延時/μs

時延時/μs

1 0.33 0.5 3 1.01.5 5 1.66 2.5 … … … 14 4.667 高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

表4-4分頻控制寄存器的取值表取值 分頻 計數(shù)頻率 斬波頻率 死區(qū)時鐘 0 1:4 3MHz 1:4 1 1:6 2MHz 15.6kHz 1:6 2 1:8 1.5MHz 1:4 3 1:12 1kHz 7.8kHz 1:6 4 1:16 750kHz 1:4 5 1:24 500kHz 3.9kHz 1:6 6 1:32 375kHz 1:4 7 1:48 250kHz 1.95kHz 1:6 高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

3．SLE4520應用舉例如上所述，SLE4520是一個可編程三相PWM集成電路，與微機配合使用能把三路8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成三路脈寬調(diào)制信號，形成三相SPWM波，驅(qū)動三相功率開關器件。雖然也可以和16位微機配合使用，但因SLE4520是8位可編程芯片，一般情況下可與8位微機配合使用。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-36用8031微機系統(tǒng)與SLE4520配合使用生成SPWM波驅(qū)動IGBT變頻器高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(三)MA818及其應用

MA818是英國Marconi公司推出的、可產(chǎn)生三相PWM控制信號的大規(guī)模集成電路芯片，采用標準雙列直插式40腳封裝(如圖4-37所示)或44腳方形塑料封裝。該芯片與SLE4520相似，是一種通用的可編程微機控制外圍芯片，雖然它必須和微處理器配合使用，但微機的介入程度很低，它本身的功能比SLE4520強，在應用于對IGBT的控制時，尤其方便，其可輸出純正弦波波形。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-37MA818管腳排列圖1．MA818的管腳排列及功能各管腳按其基本功能可劃分為以下三部分：(1)用于與微處理器接口的MOTEL多用總線(2)用于與存儲正弦調(diào)制波形的EPROM連接的

11根地址線A0-A10

和4根數(shù)據(jù)線D0-D3。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(3)三相PWM輸出線及控制線。包含具有標準TTL電平的6個端口RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT和BPHB7，分別用于三相逆變器六個全控器件的端口驅(qū)動電路的控制信號。封鎖狀態(tài)輸出腳用來表明輸出腳的狀態(tài)。此外，UDD為5V電源引腳，USS為零電平電源引腳，CLK是時鐘輸入端。零相脈沖信號ZPP能輸出與調(diào)制波同頻率的脈沖波。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-38MA818電路結構框圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

2．MA818電路結構及工作原理(1)電路結構MA818主要由三部分構成：①接收并儲存微處理器命令的控制字部分。它主要由總線控制，總線譯碼，暫存器R0、R1、R2，虛擬寄存器R3、R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器組成。②從EPROM中讀出正弦調(diào)制波形的數(shù)據(jù)部分。它由地址發(fā)生器和數(shù)據(jù)緩沖器組成。③三相輸出控制電路及輸出脈沖鎖存電路。每相輸出控制電路又由脈沖刪除電路和脈沖延遲電路組成。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(2)工作原理①MA818在工作之前，兩個24位寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)要先從微機中輸入命令字。

②MA818采用規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波形。它內(nèi)部具有一個地址發(fā)生器和一個輸入數(shù)據(jù)緩沖器，能從外部微機系統(tǒng)PROM/EPROM中直接讀取用戶按要求定義的各種精確的、用于產(chǎn)生SPWM脈沖序列的調(diào)制波形，并與三角載波比較，從而產(chǎn)生所需要的SPWM波形。

③脈沖延遲電路的作用是在改變?nèi)我幌鄡蓚€開關器件的狀態(tài)時，提供一個較短的延遲時間，使在這段時間里兩個開關都處于關狀態(tài)。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(3)MA818寄存器的設置方法①初始化寄存器的編程先將控制字確定的三角波載波頻率、調(diào)制波頻率范圍(PWM輸出調(diào)制波的最高可能頻率)、脈沖延遲時間、最小脈沖寬度、計數(shù)器復位等參數(shù)送入三個8位暫存器R0、R1、R2中，再輸送到24位初始化寄存器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

②控制寄存器的編程由控制字確定調(diào)制波頻率選擇、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)選擇、調(diào)制波幅值選擇、過調(diào)制選擇、輸出禁止選擇等參數(shù)，先將這些參數(shù)送入三個8位暫存器R0、R1、R2中，再輸送到24位控制寄存器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的