基于單片機(jī)地單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)--電源電路地設(shè)計(jì)教案

PAGEV本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目：基于單片機(jī)的單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)——電源電路的設(shè)計(jì)作者姓名指導(dǎo)教師所在院系專業(yè)班級(jí)提交日期____2009年5月

基于單片機(jī)的單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)——電源電路摘要 本文簡單介紹了單相電機(jī)的工作原理及變頻調(diào)速原理，同時(shí)詳細(xì)介紹了開關(guān)電源的工作原理?；谶@些理論設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電源電路，將200AC電源整流后提供給單片機(jī)，并設(shè)計(jì)了一開關(guān)電源作為控制電路和單片機(jī)及外圍電路的電源。另外根據(jù)單相電機(jī)的參數(shù)，選擇合適的驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)管，實(shí)現(xiàn)對單相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。本文作者還完成了原理圖和PCB板的設(shè)計(jì)以及硬件調(diào)試。本系統(tǒng)成本不高，采用了脈寬調(diào)制技術(shù)組成的PWM交-直-交變頻裝置。關(guān)鍵字：單相電機(jī)，變頻調(diào)速，開關(guān)電源，驅(qū)動(dòng)

目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III圖例 VI第1章 緒論 11.1 課題研究的背景 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3 課題研究內(nèi)容 41.4 課題研究意義 51.5 設(shè)計(jì)方案 6第2章 開關(guān)電源簡介 92.1 開關(guān)電源簡介 92.2 開關(guān)電源的原理 92.3 開關(guān)電源的三個(gè)條件 102.4 開關(guān)電源的種類 102.4.1DC/DC變換 102.4.2AC/DC變換 112.5 開關(guān)電源的選用 122.5.1輸出電流的選擇 122.5.2接地 122.5.3保護(hù)電路 122.6 開關(guān)電源電器可靠性設(shè)計(jì) 132.6.1供電方式的選擇 132.6.2電路拓?fù)涞倪x擇 132.6.3控制策略的選擇 132.6.4元器件的選擇 14第3章 電源電路的設(shè)計(jì)與分析 163.1 全波整流濾波輸入電路 163.1.1橋式整流電路 163.1.2濾波電容的選取 173.2 開關(guān)電源電路 183.2.1IR2153芯片簡介 193.2.2TL431簡介 213.2.3LM7805簡介 243.3 輸出整流濾波電路 25第4章 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析 264.1 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 264.2 功率驅(qū)動(dòng)單元元器件的選取 274.2.1功率器件 274.2.2接口驅(qū)動(dòng)芯片的選取 284.3 集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2130介紹 294.3.1IR2130驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn) 304.3.2IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理 314.3.3橋式MOSFET驅(qū)動(dòng)電路 324.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 334.3 保護(hù)電路分析 34第5章 PCB板的設(shè)計(jì) 355.1 元器件的布局 355.2 電源的設(shè)計(jì) 365.3 線路的設(shè)計(jì) 365.3 PCB圖 37第6章 硬件調(diào)試 396.1 調(diào)試準(zhǔn)備工作 396.2 調(diào)試工作 396.3 調(diào)試結(jié)果 40全文總結(jié) 44參考文獻(xiàn) 45附錄實(shí)物圖 47致謝 48圖例TOC\t"正文文本,1"\h22893圖1-1單相電機(jī)變頻調(diào)速原理圖 720461圖3-1全波整流濾波電路 1629232圖3-2開關(guān)電源電路 1917936圖3-3IR2153引腳排列圖 1930373圖3-4IR2153的內(nèi)部簡化功能框圖 213003圖3-5TL431封裝形式 225549圖3-6TL431功能模塊示意圖 229001圖3-7改變控制極電壓得到陰極電壓的實(shí)驗(yàn)電路和數(shù)據(jù) 239201圖3-8TL431陰極伏安特性圖 2425681圖4-1功率驅(qū)動(dòng)主電路 2724502圖4-2IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3027115圖4-3橋式MOSFET驅(qū)動(dòng)電路 3278圖4-4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3324463圖5-1PCB圖 3822075圖6-1PWM4和PWM5的波形圖 4022075圖6-2Q1的1,3引腳間的波形圖 4122075圖6-3U3-3波形圖 4122075圖6-4LO1與HO1輸出波形圖 4222075圖6-5M1與M2輸出波形圖 4222075圖6-6IALL輸出波形圖 43PAGE42緒論課題研究的背景電機(jī)是一種進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。就能量這個(gè)轉(zhuǎn)換的功能來看，電機(jī)可分為兩大類。第一類是發(fā)電機(jī)，它是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，通過原動(dòng)機(jī)先把各類一次能源蘊(yùn)藏的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電能，經(jīng)輸、配電網(wǎng)絡(luò)送往各工礦企業(yè)、城市、家庭等各種用電場合。第二類是電動(dòng)機(jī)，它把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用來驅(qū)動(dòng)各種用途的生產(chǎn)機(jī)械和其他裝置，以滿足人類的不同需求[1]。三相電機(jī)和單相電機(jī)原理基本相同，都是電磁原理的應(yīng)用。只是三相電機(jī)的磁場為圓形，可以自啟動(dòng)，單相電機(jī)的磁場為脈振磁場，需要增加電容或電阻以及啟動(dòng)線圈使之形成橢圓形磁場，才能啟動(dòng)。另外的區(qū)別是使用的電源不同。通常家庭以及沒有三相電源的地方使用單相電機(jī)，功率通常比較小，通常小于750W，工業(yè)和功率較大場所都選用三相電機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。根據(jù)此式我們知道，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)[2]。單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，這個(gè)磁場的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個(gè)磁場是交變脈動(dòng)磁場。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)（如順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)），這時(shí)轉(zhuǎn)子與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變小；轉(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來[3],[4]。隨著電力電子技術(shù)、微控制器及控制理論的快速發(fā)展,近年來交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。尤其是隨著一些高性能的交流調(diào)速方法如“矢量控制技術(shù)”、“直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)”及“同步機(jī)自控式”等方法的出現(xiàn),交流電機(jī)調(diào)速更是獲得了幾乎可以和直流調(diào)速相媲美的性能。由于交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等自身的優(yōu)點(diǎn),交流調(diào)速迅速興起,徹底打破了直流調(diào)速占調(diào)速領(lǐng)域主導(dǎo)地位的格局,調(diào)速系統(tǒng)向著交流化、高頻化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[5]。交流調(diào)速系統(tǒng)一般包括以下幾部分的內(nèi)容:異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)、同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。目前變頻調(diào)速是交流調(diào)速發(fā)展的主流,已成為電力傳動(dòng)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著我國電子、電氣技術(shù)的迅猛發(fā)展、人們生活水平的不斷提高，對電機(jī)的性能提出了許多新的更高的要求，出現(xiàn)了各種各樣的電器產(chǎn)品，在各種電器產(chǎn)品中使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，每個(gè)家庭平均使用著50～100臺(tái)小功率電動(dòng)機(jī)。據(jù)美國能源部報(bào)告，美國電動(dòng)機(jī)電力消耗中，小功率電動(dòng)機(jī)站64%。從世界銷售市場統(tǒng)計(jì)，各類電機(jī)年總銷售額為300億美元，小功率電動(dòng)機(jī)占了1/3。小功率電動(dòng)機(jī)是我國機(jī)電產(chǎn)品出口的主要項(xiàng)目之一，近年來發(fā)展很快，具有良好的前景[6]。目前世界各國小功率電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量逐年增加，其增長率大于大中型電機(jī)。我國加入世貿(mào)組織后，已經(jīng)融入全球經(jīng)濟(jì)，形成國際化市場的競爭環(huán)境，即帶來了新的機(jī)遇又帶來新的挑戰(zhàn)。在國際市場上，電機(jī)是機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分，每年的世界貿(mào)易額約為35億美元。再由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于原材料、工時(shí)耗用多而獲利少的普通電機(jī)產(chǎn)品不愿意制造，紛紛轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家加工和購買，因此國際市場上對電機(jī)的需求呈上升趨勢?，F(xiàn)在面對國內(nèi)外廣闊的市場前景，國內(nèi)生產(chǎn)廠家投入大量人力、財(cái)力來進(jìn)行中小功率電動(dòng)機(jī)的研究與開發(fā)，是很有必要的。近10年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式[7],[8]。我國電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始建于1954年，當(dāng)時(shí)第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時(shí)在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國第一個(gè)電氣傳動(dòng)成套公司，這就是后來天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所的前身?，F(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。我國是一個(gè)發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運(yùn)行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。

國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績，但應(yīng)看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴(yán)重目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況如下：IGBT或BJT

PWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，總?cè)萘空嫉谋壤淮?，但臺(tái)數(shù)多，增長快，應(yīng)用范圍從單機(jī)擴(kuò)展到全生產(chǎn)線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。約有50家工廠和公司生產(chǎn)，其中合資企業(yè)占很大比重。負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在抽水蓄水能電站的機(jī)組起動(dòng)，大容量風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)方面有很大需求。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數(shù)字裝置需進(jìn)口，自己開發(fā)應(yīng)用軟件。交-交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在軋機(jī)和礦井卷揚(yáng)傳動(dòng)方面有很大需求，臺(tái)數(shù)不多，功率大。主要靠進(jìn)口，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產(chǎn)，數(shù)字控制裝置進(jìn)口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，通用變頻器年銷售額已超過50億。國家“十五”期間，許多大型項(xiàng)目需要交流調(diào)速傳動(dòng)。例如，西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機(jī)傳動(dòng)。大型船舶電力推進(jìn)，大型熱軋和冷軋交流傳動(dòng)，高速鐵路牽引傳動(dòng)，以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)等等。目前我國電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)是以低壓、小容量調(diào)速對象為主，高壓、高效的變頻調(diào)速裝置以進(jìn)口為主。面對節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產(chǎn)高壓大功率變頻器的產(chǎn)品生產(chǎn)還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機(jī)遇共存。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調(diào)速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術(shù)發(fā)展的過程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導(dǎo)體器件到整機(jī)生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機(jī)構(gòu)使得他們不會(huì)馬上轉(zhuǎn)產(chǎn)全新的產(chǎn)品。而我國是一個(gè)新興的發(fā)展中國家，盡管在老技術(shù)方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉(zhuǎn)入最新技術(shù)的開發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)，跨過他們已經(jīng)走過的路程。在最新領(lǐng)域取得研究成果的基礎(chǔ)上盡快產(chǎn)業(yè)化，可大大縮短與先進(jìn)國家的差距，在某些方面甚至還可以超過他們。從目前看，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的時(shí)機(jī)業(yè)已成熟，國內(nèi)只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量[9],[10]。課題研究內(nèi)容目前，單相電機(jī)調(diào)速大多通過降壓來實(shí)現(xiàn)，本課題希望通過單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單相交流電機(jī)的V/F調(diào)速功能，從而使系統(tǒng)的性能得到顯著的提高。課題根據(jù)對單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源及驅(qū)動(dòng)電路。（1）將200AC電源整流后提供給單相電機(jī)，并設(shè)計(jì)一開關(guān)電源，作為控制電路和單片機(jī)及外圍電路的電源；（2）新型MOSFET橋式電路驅(qū)動(dòng)芯片的選型隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前出現(xiàn)了許多用于中小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能優(yōu)良的集成電路產(chǎn)品，對于中小型電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)人員來說，選用性能參數(shù)都比較合適的集成功率放大器，與采用分立元件設(shè)計(jì)的功放電路相比，不但能減小功放電路的體積，提高功放電路的整體性能；而且由于集成功放中設(shè)計(jì)了多種多樣的保護(hù)電路，從而可以減少系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，提高電路的可靠性。課題根據(jù)單相電機(jī)的參數(shù)，選擇合適的驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)管，實(shí)現(xiàn)對單相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。課題研究意義單相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低廉，使用維護(hù)方便，在小功率電機(jī)應(yīng)用方面，如電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等家用電器，汽車附件等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位[11]。隨著電力電子技術(shù)、微控制器及控制理論的快速發(fā)展，近年來交流電機(jī)調(diào)速方法如“矢量控制技術(shù)”、“直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)”及“同步機(jī)自控式”等方法的出現(xiàn)，交流電機(jī)調(diào)速更是獲得了幾乎可以和直流調(diào)速相媲美的性能。由于交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等自身的優(yōu)點(diǎn)，交流調(diào)速迅速興起，徹底打破了直流調(diào)速占調(diào)速領(lǐng)域主導(dǎo)地位的格局，調(diào)速系統(tǒng)向著交流化、高頻化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展【5】。交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用不但可達(dá)到節(jié)能的目的，還可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。近年來，由于微處理機(jī)和大功率晶體管（GTR）的應(yīng)用，交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，且大有在調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，大批取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。交流調(diào)速控制作為對電動(dòng)機(jī)控制的一種手段，作用相當(dāng)明顯。隨著單片機(jī)的普及應(yīng)用，利用單片機(jī)來控制電機(jī)調(diào)速的系統(tǒng)，以其控制靈活、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)性能良好等諸多優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。單片機(jī)具有價(jià)格低廉、可靠性高、內(nèi)部資源豐富、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，它的出現(xiàn)大大地推動(dòng)了電機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展。用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的核心控制元件，可避免傳統(tǒng)的調(diào)速方案中的一些缺點(diǎn),達(dá)到提高控制精度的目的[12],[13]。眾所周知，單相電機(jī)的使用性能與它的驅(qū)動(dòng)電路有著密切的關(guān)系，隨著電子技術(shù)和功率開關(guān)電子器件的出現(xiàn)，使電機(jī)的控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生了很大的變化，特別是集成電路的推廣和微機(jī)的普及應(yīng)用，更使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研制上了一個(gè)新的臺(tái)階，使其性能指標(biāo)有了顯著的提高。國內(nèi)對這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源卻很少，而且國內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電源方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標(biāo)不穩(wěn)定及遠(yuǎn)沒有達(dá)到系列化等問題，這就給驅(qū)動(dòng)電源的選用和安裝帶來了極大的不便，國外雖然有通用的各種類型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，但大都存在一些問題，如價(jià)格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。如前所述，電機(jī)的系統(tǒng)性能，不僅與電機(jī)本身的特性有關(guān)，而且還與電機(jī)的控制方式、驅(qū)動(dòng)電源的特性及負(fù)載特性有著密切的關(guān)系，特別是驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)方面，對電機(jī)運(yùn)行性能的改善，如高頻力矩的提高，單步振蕩及振動(dòng)的消除等方面起著至關(guān)重要的作用。因此，對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)控制方式進(jìn)行應(yīng)用性研究，做出適合單相電機(jī)運(yùn)行特性的電源電路及驅(qū)動(dòng)電路，不僅具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。而且具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。設(shè)計(jì)方案變頻調(diào)速作為一種新的電機(jī)調(diào)速方法，就是通過整流橋?qū)⒐ゎl電源整流成直流電源，再通過控制電力電子器件構(gòu)成的逆變器來提供可變頻率的電源給電機(jī)，使電機(jī)的同步的轉(zhuǎn)速能夠變化，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本課題采用的單相電機(jī)調(diào)速電路如圖1-1所示。（a）（b）圖1-1單相電機(jī)變頻調(diào)速原理圖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件配置由整流電路、開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、橋式MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和PIC單片機(jī)等組成，本次設(shè)計(jì)采用了PIC單片機(jī)，Microchip公司推出的PIC系列單片機(jī)最大的特點(diǎn)是：不搞單純的功能堆積,而是從實(shí)際出發(fā)-重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比,靠發(fā)展多種型號(hào)來滿足不同層次的應(yīng)用要求；精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)總線，使其指令具有單字長的特性且允許指令碼的位數(shù)可多余4位的數(shù)據(jù)位數(shù),這與傳統(tǒng)的采用復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)的4位單片機(jī)相比可以達(dá)到2:1的代碼壓縮,使指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快4-5倍；產(chǎn)品開發(fā)容易、周期短，并且能夠快速進(jìn)入市場，采用了RISC指令集，指令少，且全部為單字長指令易學(xué)易用，相對于CISC復(fù)雜指令集,結(jié)構(gòu)的單片機(jī)可節(jié)省30%以上的開發(fā)時(shí)間、2倍以上的程序空間。如果采用PIC的低價(jià)OTP型芯片，可使單片機(jī)在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市；低價(jià)實(shí)用，配備有OTP型、EPROM型和E2PROM型等多種形式的芯片，其OTP型芯片的價(jià)格很低；功耗低，采用CMOS設(shè)計(jì)結(jié)合了諸多的節(jié)電特性,使其在靜態(tài)設(shè)計(jì)可進(jìn)入睡眠省電狀態(tài)而不影響任何邏輯變量；優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境，OTP單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，每推出一款新型號(hào)的同時(shí),推出相應(yīng)的仿真芯片,所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持,實(shí)時(shí)性非常好；芯片引腳具有防瞬態(tài)能力,通過限流電阻可以接至交流電源,可直接與繼電器相連,無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便；自帶看門狗定時(shí)器，可以提高程序運(yùn)行的可靠性；徹底的保密性，以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。因此PIC系列的微控制器在辦公自動(dòng)化設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、汽車電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用[14],[15]。開關(guān)電源簡介開關(guān)電源簡介開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源具有工頻變壓器所不具備的優(yōu)點(diǎn)，新型、高效、節(jié)能的開關(guān)電源代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，因?yàn)殚_關(guān)電源內(nèi)部工作于高頻率狀態(tài)，本身的功耗很低，電源效率就可做得較高，一般均可做到80%，甚至接近90%。這樣高的效率不是普通工頻變壓器穩(wěn)壓電源所能比擬的。開關(guān)電源常用的單端或雙端輸出脈寬調(diào)制（PWM），省去了笨重的工頻變壓器，可制成幾瓦至幾千瓦的電源。開關(guān)電源的原理簡單地說,開關(guān)電源的工作原理是：交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開關(guān)管,將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級(jí)上；開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾；在功率相同時(shí),開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高；開關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出；一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開關(guān)電源。以上說的就是開關(guān)電源的大致工作原理。其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專用芯片,可以使外圍電路非常簡單,甚至做到免調(diào)試。例如TOP系列的開關(guān)電源芯片(或稱模塊),只要配合一些阻容元件,和一個(gè)開關(guān)變壓器,就可以做成一個(gè)基本的開關(guān)電源[17]。開關(guān)電源的三個(gè)條件開關(guān)：電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)；高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻；直流：開關(guān)電源輸出的是直流而不是交流。開關(guān)電源的種類人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述[18]。DC/DC變換DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。還有Sepic、Zeta電路。上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個(gè)電路效率提高到90％。AC/DC變換AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。開關(guān)電源的選用開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（多級(jí)串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.5～1）％。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。輸出電流的選擇因開關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80％以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為：Is=KIf式中：Is—開關(guān)電源的額定輸出電流；If—用電設(shè)備的最大吸收電流；K—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8。接地開關(guān)電源比線性電源會(huì)產(chǎn)生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設(shè)備，應(yīng)采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開關(guān)電源，將其FG端子接大地或接用戶機(jī)殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。保護(hù)電路開關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過流、過熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。開關(guān)電源電器可靠性設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品，特別是軍用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏畏矫婺桥率亲钗⑿〉氖韬?，都可能?dǎo)致整個(gè)電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要性。供電方式的選擇集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量，而且應(yīng)用單臺(tái)電源供電，當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負(fù)載，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成N＋1冗余供電系統(tǒng)，擴(kuò)展功率也相對比較容易。所以采用分布式供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性設(shè)備的要求。電路拓?fù)涞倪x擇開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)?。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關(guān)管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60％降額使用，則使開關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng)抗不平衡能力，所以就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。雙管正激式和半橋電路開關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60％降額使用，選用開關(guān)管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓?fù)??？刂撇呗缘倪x擇在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會(huì)因過流而使開關(guān)管損壞，大大減小過載與短路的保護(hù)；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率；迅捷的瞬態(tài)響應(yīng)；環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償；紋波比電壓控制型小得多。電流控制型的50W開關(guān)電源的輸出紋波在25mV左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350kHz以下，軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)水平，這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn)，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲(chǔ)能元件尺寸、較寬的控制范圍及負(fù)載范圍，但是此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主。元器件的選擇因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個(gè)方面：（1）元器件可靠性問題元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會(huì)大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過篩選可使元器件失效率降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(jià)(時(shí)間與費(fèi)用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會(huì)延長。（2)設(shè)計(jì)問題首先是恰當(dāng)?shù)剡x用合適的元器件：盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。開關(guān)管選用MOSFET能簡化驅(qū)動(dòng)電路，減少損耗。輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。集成電路必須是一類品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500標(biāo)準(zhǔn)B－1以上質(zhì)量等級(jí)的軍品。設(shè)計(jì)時(shí)盡量少用繼電器，確有必要時(shí)應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。在潮濕和鹽霧環(huán)境下，鋁電解電容會(huì)發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環(huán)境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時(shí)，電解質(zhì)會(huì)分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設(shè)備的電源中。鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲(chǔ)存時(shí)間長，性能穩(wěn)定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價(jià)格昂貴。關(guān)于降額設(shè)計(jì)：電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、振動(dòng)、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。除個(gè)別低應(yīng)力失效的元器件外，其它均表現(xiàn)為工作應(yīng)力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同，實(shí)踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力，以下為開關(guān)電源常用元器件的降額系數(shù)：電阻的功率降額系數(shù)在0.1～0.5之間。二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。發(fā)光二極管。電源電路的設(shè)計(jì)與分析全波整流濾波輸入電路圖3-1中F1為交流保險(xiǎn)絲，當(dāng)發(fā)生過流現(xiàn)象時(shí)，F(xiàn)1就會(huì)自動(dòng)熔斷，以斷開市電與內(nèi)部電路，保證內(nèi)部電路無損。市電經(jīng)過由整流橋組成的橋式全波整流電路，成為脈動(dòng)直流。圖中C20是一個(gè)濾波電容，使脈動(dòng)直流變?yōu)槠交绷?。C20接在整流電路和驅(qū)動(dòng)主電路之間還起到緩沖的作用。DC+輸出為300V電壓。圖3-1全波整流濾波電路橋式整流電路變換器的最大輸出功率設(shè)計(jì)為500W，效率為η=90%，則輸入功率:Pin=500/0.9=555（W）（3-1）所以輸入整流橋電流的有效值為：Pin/220=2.52（A）（3-2）在實(shí)際使用中，考慮電流的足夠裕量，整流濾波電路中的整流橋選用了MicKBPC609。濾波電容的選取濾波電容的容量和輸出功率的大小有密切的關(guān)系。由于輸入級(jí)沒有PFC電路(一種高效率的功率因子改善電路,電路采用零電流轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行控制,并采用雙向開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路初級(jí)的同期整流,從而實(shí)現(xiàn)了高功率因子,高效率和低高次諧波的功率因子改善電路)，電容選得大，輸入電流的畸變率高，而容量低又會(huì)導(dǎo)致輸入紋波變動(dòng)范圍大。濾波電容濾波電容器在輸入電壓220V±20%或輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）時(shí)的最高整流輸出電壓可以達(dá)到370V，因此應(yīng)選擇額定電壓為400V的電解電容器或選擇兩只額定電壓為200V（也可以是250V）的電解電容器串聯(lián)使用。需要注意的是，盡管電解電容器的額定電壓有10%左右富裕量，在上述應(yīng)用場合下，從產(chǎn)品的安全角度考慮是不允許使用額定電壓為300V或350V的電解電容器。對于帶有功率因數(shù)校正的整流濾波電路，當(dāng)功率因數(shù)校正電路輸出電壓為380V時(shí)可以選擇額定電壓400V電解電容器，而功率因數(shù)校正電路輸出電壓高于380V時(shí)則只能選擇額定電壓為450V的電解電容器。濾波電容容量的選擇濾波電容器，為限制整流濾波輸出電壓紋波，正確選擇電容量是非常重要的。通常濾波電容器的電容量在輸入電壓220V±20%時(shí)按輸出功率選擇為：不低于每瓦1μF（即：≥1μF/W），輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）輸入時(shí)按輸出功率選擇為：不低于每瓦（3~4）μF（即：≥（3~4）μF/W）。濾波電容器電容量的取值依據(jù)為：在220V±20%交流輸入及85V~265V交流輸入的最低值時(shí)，整流輸出電壓最低值分別不低于200V和90V，在同一輸入電壓下的整流濾波輸出電壓分別約為：240V和115V，電壓差分別為：40V和25V。每半個(gè)電源周波（10mS），整流器導(dǎo)電時(shí)間約2mS（ms），其余8mS為濾波電容器放電時(shí)間，承擔(dān)向負(fù)載提供全部電流，即：（3-3）220V±20%交流輸入時(shí)：（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）即：1μF/W85V～265V交流輸入時(shí)：（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）即：3.6μF/W每半個(gè)電源周波（10mS），整流器導(dǎo)電時(shí)間約3mS，其余7mS為濾波電容器放電時(shí)間，承擔(dān)向負(fù)載提供全部電流，則：濾波電容器容量為：0.88μF/W和3.15μF/W。以上是從濾波后的紋波電壓角度考慮如何選擇，如果從電解電容器的額定電流和壽命考慮則需要清楚濾波電解電容器所能承受的紋波電流和預(yù)計(jì)電容器的壽命。綜上，本課題中選用470μF，450V的電解電容。開關(guān)電源電路本文采用了半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2153和LM7805組成的開關(guān)電源。如圖3-2所示。圖3-2開關(guān)電源電路DC+（+300V，經(jīng)前端全波整流濾波電路所得）輸入，R19和C12組成一個(gè)RC振蕩器，通過改變R19或C12的大小可以改變電路的工作頻率。增加R9時(shí)，電路的工作頻率會(huì)減少，驅(qū)動(dòng)電流和功率都會(huì)增加。圖中IR2153利用C6和D2構(gòu)成自舉供電方式，直接驅(qū)動(dòng)高端、低端功率管。HO輸出來驅(qū)動(dòng)MOS管IRFP460。與普通的脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)形式的半橋電路相比，該電路具有結(jié)構(gòu)簡潔、功能齊全、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn),適合多種場合使用。由于變換級(jí)采用無電感形式的直流輸出電壓疊加方式，使能夠有效地克服電流輸出閉塞的現(xiàn)象、能夠有效地適應(yīng)電極肥大的場合。電路中通過7805進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到+5V的電壓。IR2153芯片簡介半橋驅(qū)動(dòng)集成電路IR2153可直接驅(qū)動(dòng)高端和低端大功率常效應(yīng)管，可使半橋驅(qū)動(dòng)電路簡化，提高單路性能。故其在電源電路中得到了較廣泛的應(yīng)用。引腳排列及主要功能圖3-3給出了IR2153引腳排列圖。圖3-3IR2153引腳排列圖VCC：低端邏輯和內(nèi)部MOS管的門極驅(qū)動(dòng)電源電壓；RT：振蕩器定時(shí)電阻輸入端（此端電壓波形與半橋高端HO相同）；CT：振蕩器定時(shí)電容輸入端；COM：低端返回端；LO：低端門極驅(qū)動(dòng)輸出端；VS：高端浮動(dòng)電源返回端；HO：高端門極驅(qū)動(dòng)輸出端；VB：高端MOS管門極驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)電源。IR2153是IR公司生產(chǎn)的為高壓、高速功率MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路，IR2153由低端功率晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)、高端功率晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)及內(nèi)部定時(shí)振蕩電路組成。可驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)MOSFET或IGBT，能夠提供高達(dá)600V的直流偏置電壓，具有自振蕩或外接同步振蕩功能，振蕩頻率的設(shè)置和CMOS555定時(shí)芯片類似，由定時(shí)元件RT和CT決定：。其中，為芯片內(nèi)部定時(shí)電阻。芯片內(nèi)部設(shè)有死區(qū)時(shí)間控制,死區(qū)時(shí)間通常設(shè)為，以免高低側(cè)在交替導(dǎo)通時(shí)刻產(chǎn)生直通現(xiàn)象。IR2153集成電路可取代傳統(tǒng)的變壓器驅(qū)動(dòng)方式。可以根據(jù)自舉原理工作，電路外圍元件少、電路特別簡單實(shí)用。半橋輸出振蕩在由CT、RT確定的頻率上，當(dāng)充電超過低壓閾值時(shí)，IR2153自動(dòng)啟動(dòng)。IR2153的開通時(shí)間為80ns，關(guān)斷時(shí)間為35ns，為75Ω，并具有輸出關(guān)斷功能，輸出關(guān)斷滯后時(shí)間為660ns。芯片特點(diǎn)帶自舉二極管的浮動(dòng)設(shè)計(jì),最大耐壓為600V；允許瞬時(shí)負(fù)壓；欠壓保護(hù)；內(nèi)部振蕩器頻率可調(diào)整；高、低通道匹配的死區(qū)時(shí)間；起動(dòng)電流很小,僅為90μA；高、低通道的關(guān)斷功能；低通道輸出電壓波形與RT端電壓波形相同。芯片內(nèi)部簡化功能框圖IR2153是在IR2155和IR2151基礎(chǔ)上推出的改進(jìn)型的VMOS和IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，它將高壓半橋驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)類似于555時(shí)基電路的前端振蕩器集成在一個(gè)8腳芯片上，使其成為一款功能更多，更易于使用的功率驅(qū)動(dòng)IC芯片。如圖1所示，腳CT兼有保護(hù)關(guān)斷功能，可以用一個(gè)低電壓信號(hào)使驅(qū)動(dòng)器停止輸出。另外，輸出脈沖的寬度保持相等，一旦Vcc上升到欠壓閉鎖閾值，驅(qū)動(dòng)器能以更加穩(wěn)定的頻率開始起振。通過降低柵極驅(qū)動(dòng)器di/dt的峰值和提高欠壓閉鎖閾值的滯后電壓到1V，使電路的抗噪性有了實(shí)質(zhì)性的提高，同時(shí)，電路引腳的整體抗噪保護(hù)方面也有所改進(jìn)。IR2153的內(nèi)部簡化功能框圖如圖3-4所示。圖3-4IR2153的內(nèi)部簡化功能框圖TL431簡介TL431是美國德洲儀器公司（TexasInstrument）開發(fā)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的全稱是可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器（俗稱可調(diào)穩(wěn)壓管）。問世以來，由于它的性能好，體積小，成本低，因而在電壓比較器、電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路、精密穩(wěn)流源電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是在高頻開關(guān)電源中，大多采用TL431擔(dān)任輸出電壓的取樣放大，并驅(qū)動(dòng)光電耦合器件，去改變主變換電路中控制IC（集成電路）的脈沖寬度或頻率，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓的功能。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。它包括一個(gè)精密電壓基準(zhǔn)、一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)并聯(lián)晶體管。采用TL431來制作一些電子電路，能取得很好的效果，既簡化了電路，又節(jié)約了制作成本，并且制作的電路穩(wěn)定可靠。因此，TL431得到了越來越廣泛的應(yīng)用。（TL431在電路中的作用與工作原理沒有說明）TL431的引腳及主要參數(shù)TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價(jià)格低而廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同。如圖3-5所示。圖3-5TL431封裝形式3個(gè)引腳分別為陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端REF。TL431的主要參數(shù)如下：最大輸入電壓為37V；最大工作電流150mA；內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.5V；輸出電壓范圍為2.5~30V。TL431可等效為一只穩(wěn)壓二極管。TL431的功能模塊TL431的具體功能可以用如圖3-6的功能模塊示意。圖3-6TL431功能模塊示意圖由圖可以看出VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微笑變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。TL431的陰極最低電壓點(diǎn)圖3-7是一個(gè)通過對電位器RP1的調(diào)節(jié),來改變TL431的控制極（R）電壓從而得到一組對應(yīng)的TL431陰極（K）電壓的實(shí)驗(yàn)電路。從圖2-8實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知道,該TL431控制端參考電壓VREF在2.53V（VREF的額定范圍：2.44V-2.55V）左右,當(dāng)控制極（R）電壓從2.52V上升到2.53V時(shí),陰極（K）電壓從11.52V下降到2.10V，下降了9.42V。但是,當(dāng)再增加VREF電壓時(shí),陰極電壓基本停留在1.98V左右,不再下降。有人一直以為TL431作為比較器使用時(shí)，陰極輸出低電平時(shí)的電壓會(huì)低至0.7V以下(甚至想象應(yīng)該在0.3V左右)，這主要是受TL431方框圖的影響，實(shí)際上由于內(nèi)部電路與框圖有所不同的原因,陰極電壓最低點(diǎn)只能達(dá)到1.98V左右（廠方資料：2V）。這是我們在采用TL431設(shè)計(jì)電路時(shí)必須要注意的問題。圖3-7改變控制極電壓得到陰極電壓的實(shí)驗(yàn)電路和數(shù)據(jù)說明：R2為TL431的限流負(fù)載電阻,這里設(shè)定陰極最大電流約為25mA。LED1為指示燈。當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP1的阻值時(shí),即改變了TL431的控制極電壓（R）,其陰極電壓（K）會(huì)隨之改變。TL431的臨界狀態(tài)從實(shí)驗(yàn)中知道，當(dāng)TL431控制極電壓從2.50V變化到2.52V時(shí),其陰極電壓從12.95V下降到11.52V，下降了1.43V，特別是陰極電流相應(yīng)地從0.51mA上升到了3.2mA，TL431的這個(gè)臨界狀態(tài)特性會(huì)使由TL431組成的比較器等電路帶來設(shè)計(jì)上的麻煩。在陰極電壓變化較緩慢的電路中,甚至使設(shè)計(jì)的比較器電路不能正常工作。所以,要十分引起注意。一般利用TL431的比較器特性的電路，大多應(yīng)用在控制極電壓較快增長的電路里,利用其輸出突變的特性對電路起保護(hù)作用。如果用在采用LED指示器的測量電路中,可能會(huì)因其臨界狀態(tài)而影響實(shí)際效果。TL431在一些恒流、反饋、穩(wěn)壓電路中使用時(shí),一般將陰極電壓設(shè)計(jì)在3.1V左右，這時(shí)TL431處于放大狀態(tài)。根據(jù)圖2-9的TL431使用特性曲線,在TL431設(shè)計(jì)規(guī)程里規(guī)定其陰極電流設(shè)計(jì)需大于1mA，典型使用陰極電流為10mA。這從圖3-8的曲線比較中可以看出來,在右邊的特性曲線圖中,小于1mA的陰極電流將使臨界狀態(tài)很嚴(yán)重[19]。圖3-8TL431陰極伏安特性圖LM7805簡介78系列產(chǎn)品是三斷穩(wěn)壓電路。輸出電流可達(dá)1.5A(Pa15W)，獨(dú)立工作無須外加部件，內(nèi)部有電流保護(hù)功能，內(nèi)部有熱過載保護(hù)裝置，輸出晶體管安全區(qū)補(bǔ)償，輸出電壓誤差為4%。LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是TO-220封裝，能提供DC5V的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)能持續(xù)提供1A的電流，如果使用外圍器件，它還能提供不通的電壓和電流。LM7805屬于串聯(lián)穩(wěn)壓電路，其工作原理與分立元件的串聯(lián)穩(wěn)壓電源相同。它由啟動(dòng)電路、取樣電路、比較放大電路、基準(zhǔn)環(huán)節(jié)、調(diào)整環(huán)節(jié)和過流保護(hù)等組成。此外它還有過熱和過壓保護(hù)電路。因此，其穩(wěn)壓性能要優(yōu)于分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。如串聯(lián)穩(wěn)壓的啟動(dòng)電路是比較放大管的負(fù)載電阻，此電阻在電源工作過程中始終接于電路中，當(dāng)輸入電壓變化（電網(wǎng)波動(dòng)），通過負(fù)載電阻的影響，輸出電壓也跟著變化。而三端集成穩(wěn)壓器設(shè)置的啟動(dòng)電路，在穩(wěn)壓電源啟動(dòng)后處于正常狀態(tài)下，啟動(dòng)電路與穩(wěn)壓電源內(nèi)部其他電路脫離聯(lián)系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準(zhǔn)電路和恒流源電路，保持輸出電壓的穩(wěn)定。一般我們在使用三端穩(wěn)壓器比如LM7805等時(shí)，輸入端輸出端都要接電容，那么他們各起什么作用呢？輸入端接電容器其實(shí)相當(dāng)于平滑電容，起到一個(gè)濾波的作用，提高IC工作的穩(wěn)定性。

因?yàn)橐话惴€(wěn)壓管的輸出電阻隨著頻率的增加而增加，這可以通過IC的DATASHEET中輸出阻抗和頻率的曲線圖得出。其實(shí)這一現(xiàn)象也不難理解，因?yàn)榉糯笃鞯牡脑鲆嬖诟哳l下增益隨著頻率的增高而下降的。這樣輸出電壓就隨輸出電阻的增加而增大，從而違背的輸出穩(wěn)定電壓的初衷，如果在輸出側(cè)并聯(lián)一個(gè)電容器，因?yàn)閆c=1/WC，頻率越高，WC越大，Zc越小，輸出阻抗也就變小，這樣就可以輸出穩(wěn)定的電壓。輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路是通過快恢復(fù)整流二極管的整流和濾波電感及濾波電容將高頻變壓器輸出的高頻交變電壓或電流變換成符合要求的輸出電壓或電流。本輸出電路主要有兩路輸出組成，分別是+15V，+5V。其中+5V是利用7805芯片從+15V引出的，采用7805產(chǎn)生5V電壓具有電路簡單，電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。用于給單片機(jī)控制電路供電。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析驅(qū)動(dòng)電路原理圖本文中驅(qū)動(dòng)電路采用六只功率開關(guān)管MOSFET（IRFP460)，以IR公司的IR2130作為接口驅(qū)動(dòng)芯片。一般的單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為了方便控制各相電流，每相采用的都是"H"橋，這樣三相電機(jī)需要用3個(gè)"H"橋，而每個(gè)"H"橋需要4個(gè)功率管，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器功率管個(gè)數(shù)為12個(gè)，需要12路控制信號(hào)，增加控制的復(fù)雜度的同時(shí)也增加了系統(tǒng)的成本。故本文中選用了三相逆變橋替代三相"H"橋，功率管的數(shù)量只需要6個(gè)。這樣在減小了控制的復(fù)雜性的同時(shí)也降低了系統(tǒng)硬件成本。IR2130具有電流反饋和過流、欠壓保護(hù)功能，內(nèi)部集成電流比較器CC和電流放大器CA，電流檢測由跨接于Vss和Vso之間的無感取樣電阻來實(shí)現(xiàn)，從而省去了通常驅(qū)動(dòng)電路的電流反饋所需要的外部電流放大器和過流檢測所需的外部比較器。可見，采用IR2130作為驅(qū)動(dòng)元件時(shí)，外圍元件少、線路簡單、工作安全可靠，性價(jià)比較分立元件明顯提高。功率驅(qū)動(dòng)主電路圖如圖4-1所示。(a)(b)圖4-1功率驅(qū)動(dòng)主電路功率驅(qū)動(dòng)單元元器件的選取功率驅(qū)動(dòng)單元主要由功率器件、接口驅(qū)動(dòng)芯片及外圍元器件組成，以下詳細(xì)介紹它們的選取。功率器件在全控型器件中，IGBT和功率MOSFET具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、通態(tài)電壓低、熱穩(wěn)定性好，是本系統(tǒng)的首選。由于MOSFET比IGBT的開關(guān)頻率高，價(jià)格便宜，保護(hù)電路相對簡單，因此本系統(tǒng)選用了MOSFET作為開關(guān)器件。功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快。MOSFET是一種多子導(dǎo)電器件，無固有存儲(chǔ)時(shí)間，開關(guān)速度取決于極間寄生電容，所以開關(guān)時(shí)間很短(小于50--100ns)，工作頻率很高(達(dá)500KHz以上)驅(qū)動(dòng)功率小。它是電壓型器件，功率增益高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單。安全工作區(qū)寬。MOSFET無二次擊穿現(xiàn)象，因此比同等功率GTR器件安全工作區(qū)大，更穩(wěn)定耐用。過載能力強(qiáng)。短時(shí)過載電流一般為額定值的4倍。抗干擾能力強(qiáng)。功率MOSFET器件的開啟電壓一般為12-15V，因此具有很高的噪聲容限和抗干擾能力。本系統(tǒng)選用IR公司的MOSFETIRFP460，其額定電壓和額定電流分別達(dá)500V和20A。接口驅(qū)動(dòng)芯片的選取驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率器件，所以單從原理上講，驅(qū)動(dòng)電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。但其重要性在于功率器件的開關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)電路的性能密切相關(guān)。同樣的功率開關(guān)，采用不同的驅(qū)動(dòng)電路將得到不同的開關(guān)特性。設(shè)計(jì)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路能改善功率器件的開關(guān)特性，從而減小開關(guān)損耗，提高整機(jī)的效率及功率器件工作的可靠性。功率MOSFET屬于MOS門級(jí)器件，它對MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的要求有以下幾點(diǎn)：MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對源極幅值在+l0V——+15V之間，以保證MOSFFT飽和導(dǎo)通或可靠關(guān)斷。MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗要盡可能的低，以使被驅(qū)動(dòng)MOS門功率器件的門級(jí)電容快速?zèng)_放電，使被驅(qū)動(dòng)功率器件快速導(dǎo)通和關(guān)斷，以減少開關(guān)損耗。MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有懸浮輸出功能，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOS門功率器件。MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有很好的頻率特性，在最高工作電壓和頻率下，損耗應(yīng)該較小。被驅(qū)動(dòng)功率器件過流、短路或MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路自身電源過壓或欠壓時(shí)，MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)Ρ或?qū)動(dòng)MOS門功率器件進(jìn)行快速有效的保護(hù)。實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，上述要求不可能全部滿足，有些要求需要折中處理。要根據(jù)整機(jī)的性能、指標(biāo)、功率及工作頻率等來設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。采用隔離驅(qū)動(dòng)方式時(shí)需要將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點(diǎn)?？焖俟怦畹乃俣纫矁H幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快(脈沖的前沿和后沿)，原副邊的絕緣強(qiáng)度高，共模干擾抑制能力強(qiáng)。但信號(hào)的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號(hào)的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50%。而且信號(hào)的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復(fù)雜。凡是隔離驅(qū)動(dòng)方式，每路驅(qū)動(dòng)都要一組輔助電源，若是三相橋，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，已有多種集成驅(qū)動(dòng)器推出。如EXB840/841,EXB850/851,M57959L/AL,M57962L/AL,HR065等等，它們均采用的是光藕隔離，仍受上述缺點(diǎn)的限制。本系統(tǒng)采用了美國IR公司獨(dú)家推出的MOS功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路IR2130。它兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點(diǎn)，而且它具有如下顯著特點(diǎn)：巧妙運(yùn)用自舉技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源，因而只用一路(3V-20V)電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路中母線電壓不超過600V的六個(gè)功率MOS；輸入信號(hào)與TTL及CMOS電平兼容；片內(nèi)集成死區(qū)電路，能產(chǎn)生2uS互鎖延時(shí)死區(qū)信號(hào)以防止MSFET或IGBT由于直通而燒毀電路；內(nèi)設(shè)有過流、過壓、欠壓、邏輯保護(hù)以及封鎖和指示環(huán)節(jié)；內(nèi)部集成比較器CC和線性放大器CA，從而省去了通常功率驅(qū)動(dòng)電路中電流反饋和過流檢測所需的外部比較器和放大器。可見，采用IR2130作為驅(qū)動(dòng)元件時(shí)，外圍元件少、線路簡單、工作安全可靠，性價(jià)比較分立元件明顯提高。集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2130介紹逆變器己廣泛用于交流電氣傳動(dòng)、UPS等許多技術(shù)領(lǐng)域中，其主電路開關(guān)器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，該器件的開關(guān)動(dòng)作需要靠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，并且要求驅(qū)動(dòng)電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨(dú)立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨(dú)立電源)，這無疑增加輔助電源的設(shè)計(jì)困難和成本，同時(shí)也使驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜，降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840等專用厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路芯片雖然可以簡化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，但每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片仍需要一個(gè)隔離的供電電源，且每個(gè)芯片僅可驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率開關(guān)器件，應(yīng)用仍有不便。而美國國際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件，可以使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路簡單可靠。IR2130驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)IR2130可用來驅(qū)動(dòng)工作在母電壓不高于600V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500mA。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信導(dǎo)產(chǎn)生2μs互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20V)，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖4-2所示。圖4-2IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖VB1～VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源，VS1～VC3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。HIN1～HIN3、LIN1～LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。ITRIP：過流信號(hào)檢測輸入端，可通過輸入電流信號(hào)來完成過流或直通保護(hù)CA-、CAO、Vso：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號(hào)檢測。HO1～HO3、LO1～L03：逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸出端。FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。Vcc、Vss：芯片供電電源連接端，Vcc接正電源，而Vss接電源地。IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-2所示，它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器CURRENTCOMPARATOR，1個(gè)電流放大器CURRENTAMP，1個(gè)自身工作電源欠壓檢測器UNDERVOLTAGEDETECTOR，1個(gè)故障處理單元FAULTLOGIC及1個(gè)清除封鎖邏輯單元CLEARLOGIC。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個(gè)輸入信號(hào)處理器INPUTSIGNALGEN-ERATOR兩個(gè)脈沖處理和電平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器LATCH，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測器，U.VDETECTOR及6個(gè)低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動(dòng)器DRIVER和1個(gè)或門電路。正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)下橋臂功率管的信號(hào)L1～L3經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)器功放后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào)H1～H3先經(jīng)集成于IR2130內(nèi)部的3個(gè)脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?路電位懸浮的驅(qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對應(yīng)的3路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖與否檢驗(yàn)之后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)動(dòng)的功率管。一旦外電流發(fā)生過流或直通，即電流檢測單元送來的信號(hào)高于0.5V時(shí)，則IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號(hào)處理器的輸出，使IR2130的輸出全為低電平，保護(hù)功率管；另一方面，同時(shí)IR2130的FAULT腳給出故障指示。同樣若發(fā)生IR2130的工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉(zhuǎn)，也會(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。發(fā)生故障后，IR2130內(nèi)的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)。直到故障清除后，在信號(hào)輸入端LIN1～LIN3同時(shí)被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態(tài)。當(dāng)IR2130驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時(shí)，則該路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測器迅速動(dòng)作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則IR2130輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。橋式MOSFET驅(qū)動(dòng)電路圖4-3橋式MOSFET驅(qū)動(dòng)電路采用IR2130芯片驅(qū)動(dòng)逆變器功率管時(shí)，可用典型的三相電壓型逆變器電路。如圖4-3所示，圖中畫出了IR2130驅(qū)動(dòng)的3個(gè)橋臂的電路示意圖。圖中FC3、FC4、FC5是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量。DW3、DW4、DW5的作用是防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此DW3、DW4、DW5應(yīng)有足夠的反向耐壓。DW3、DW4、DW5分別與FC3、FC4、FC5串聯(lián)，這是為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，所以DW3、DW4、DW5應(yīng)選用快速恢復(fù)二極管。IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)與單片機(jī)連接，由單片機(jī)控制產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的輸入，F(xiàn)AULT與單片機(jī)外部中斷引腳連接，由單片機(jī)中斷程序來處理故障。其容量取決于被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時(shí)其兩端電壓不低于欠壓保護(hù)動(dòng)作值，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的開關(guān)頻率大于5kHz時(shí)，該電容值應(yīng)不小于0.1μF，且以瓷片電容為好。本文采用IR2130器件實(shí)現(xiàn)單芯片單電源供電的三相逆變器的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路工作十分可靠，它不僅使電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高，而且可以可靠地實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓和過壓等故障保護(hù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖4-4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電流檢測方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍爾元件采樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢出直流信號(hào)，信號(hào)還原性好，但有μs級(jí)的延遲。而且價(jià)格比較貴；采用電阻取樣價(jià)格非常便宜，信號(hào)還原性好，但是控制電路與主功率電路不隔離，功耗比較大。電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好、價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是原邊包含的直流分量不能在副邊檢出信號(hào)中很好的反應(yīng)出來，且只能進(jìn)行大電流檢測，電流較小的時(shí)候檢測效果不好。本文中的電路為了更好的控制過流現(xiàn)象發(fā)生和更準(zhǔn)確的將驅(qū)動(dòng)電路的電流值反饋給邏輯電路，分別進(jìn)行了總電流采樣和相電流采樣，其中相電流采樣采用了小電阻采樣和互感器采樣法并用的方法獲得更加精確的電流反饋，使得電機(jī)在高低頻運(yùn)行時(shí)均有良好的性能。總電流檢測是通過在主回路串電阻的方法實(shí)現(xiàn)的，將0.05歐姆、5瓦的無感精密采樣電阻GRl串接于功率電路主回路中，將主回路的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)FR10,FR11分壓后輸入到IR2130的9號(hào)和13號(hào)引腳。并且該信號(hào)先經(jīng)過濾波再進(jìn)入IR2130的。由采樣電阻送回的電機(jī)繞組電流信號(hào)中有許多尖峰和毛刺，這些尖峰和毛刺會(huì)引起比較器誤動(dòng)作，因此必須進(jìn)行濾波。由于集成化的有源濾波器價(jià)格昂貴，自己制作的有源濾波器性能較差，因此選擇RC無源低通濾波器進(jìn)行濾波，結(jié)構(gòu)簡單且可靠。從盡量減少電流采樣信號(hào)畸變的角度出發(fā)，選用了簡單的一階RC無源低通濾波器在三相各回路里各串一個(gè)0.1歐姆、5瓦的無感精密采樣電阻GR7，GR16，GR25(其中GR16作為平衡電阻的)把相電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)反饋到PWM生成單元。當(dāng)電機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)通過電流互感器向PWM生成單元反饋高頻電流信號(hào)。保護(hù)電路分析IR2130集成驅(qū)動(dòng)器除了提供MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以外，另一個(gè)主要功能是提供欠壓、過流保護(hù)，以使系統(tǒng)能夠安全可靠地工作。IR2130集成驅(qū)動(dòng)器的欠壓保護(hù)主要是針對電源電壓而言，當(dāng)電源電壓低于8V時(shí)，IR2130封鎖橋臂上端管子的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)，主要是防止上端管子不能正常開啟，而產(chǎn)生誤觸發(fā)；當(dāng)電源電壓在8.5-20V時(shí)，在不出現(xiàn)過流的情況下，IR2130能正常工作，其開關(guān)時(shí)間約為100ns，死區(qū)時(shí)間約為2us。IR2130集成驅(qū)動(dòng)器的過流檢測主要是通過并在VSS和VSO之間的采樣電阻Rs來完成，根據(jù)實(shí)際情況，Rs通常取值為0.10歐（由于本系統(tǒng)電流較大所以選用了0.05歐）。對于逆變器而言，電阻Rs上流過的電流為逆變器輸入直流環(huán)路上的電流，也即電機(jī)三相總電流，因而IR2130集成驅(qū)動(dòng)器不但可以作為過流、過載保護(hù)，還可以作為缺相、短路等保護(hù)。由于Rs取的很小，Rs上的壓降在1V以下，VSS和VSO的電位仍很接近，這使得IR2130集成驅(qū)動(dòng)器的輸入、輸出邏輯均可正常工作。負(fù)載電流經(jīng)Rs采樣后，具體的過流保護(hù)動(dòng)作值可由電位器方便地調(diào)整。當(dāng)ITRIP端的電位達(dá)到500mV（此時(shí)的電流為多大，好象要超過20A了）左右時(shí)，IR2130內(nèi)部的比較器翻轉(zhuǎn)，使得觸發(fā)器產(chǎn)生高端輸出的封鎖信號(hào)，同時(shí)使FAULT端變低，指示過流或欠壓故障。當(dāng)電源復(fù)位或輸入端有脈沖輸入時(shí)，自動(dòng)取消脈沖封鎖。因而，為了可靠地進(jìn)行故障保護(hù)，單片機(jī)必須對故障信號(hào)進(jìn)行檢測，為此，我們除了