1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告書摘要本次設(shè)計的容量1.5kva，頻率為50hz的逆變電源，在分析以igbt為主要器件的逆變器基礎(chǔ)上，給出了直流升壓斬波電路和單相全橋逆變電路的工作原理。在電路的設(shè)計中，運用了電流保護，電壓保護。使電路中最終能夠得到穩(wěn)定的單相220v交流電供電，電路中主要是運用單片機的控制，電壓過高或過低時逆變電源將停止工作，保護逆變電源；電壓在正常范圍內(nèi)波動時，輸出電壓不變；當輸出電流過大時，單片機將停止spwm輸出，保護電源的器件使負載正常運行。關(guān)鍵詞：igbt；逆變器；斬波電路；spwm目錄1 概述12 方案的論證22.1 功率器件的選擇22.1.1 igbt的結(jié)構(gòu)特點和工作原理

2、22.1.2 igbt的基本特性32.1.3 igbt的主要參數(shù)62.1.4 igbt驅(qū)動電路的基本要求72.2 逆變電路的選擇72.2.1 逆變電路的介紹72.2.2 單相電壓型逆變電路83 系統(tǒng)主電路設(shè)計113.1 系統(tǒng)組成113.2 系統(tǒng)的主電路圖123.3 系統(tǒng)的工作原理123.4 主電路的設(shè)計123.4.1 斬波器的設(shè)計123.4.2電壓型逆變電路134 控制電路設(shè)計154.1 控制電路的設(shè)計154.1.1正弦脈寬調(diào)制波（spwm）的產(chǎn)生原理154.1.2 pwm控制芯片sg3525164.1.3 stc12系列單片機的介紹184.2 驅(qū)動電路的設(shè)計214.2.1 exb840功能介

3、紹214.2.2 驅(qū)動電路的設(shè)計225 保護電路設(shè)計235.1 過流保護回路設(shè)計235.1.1 產(chǎn)生原因及危害235.1.2 過流保護電路235.1.3 短路保護電路235.2 過壓保護回路的設(shè)計245.2.1 產(chǎn)生原因及危害245.2.2 過壓保護回路245.2.3 工作原理256 總結(jié)26參考文獻27281.5kva逆變器設(shè)計1 概述逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220v50hz正弦或方波）。應(yīng)急電源，一般是把直流電瓶逆變成220v交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（dc）轉(zhuǎn)化為交流電（ac）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適

4、用于空調(diào)、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、dvd、vcd、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等 。主要分兩類，一類是正弦波逆變器，另一類是方波逆變器。正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因為它不存在電網(wǎng)中的電磁污染。方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正向最大值到負向最大值幾乎在同時產(chǎn)生，這樣，對負載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時，其負載能力差，僅為額定負載的4060，不能帶感性負載。如所帶的負載過大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負載中的容性電流增大，嚴重時會損壞負載的電源濾波電容。針對上述缺點，近年來出

5、現(xiàn)了準正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負向最大值之間有一個時間間隔，使用效果有所改善，但準正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好。總括來說，正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電，能夠帶動任何種類的負載，但技術(shù)要求和成本均高。準正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價適中，因而成為市場中的主流產(chǎn)品。方波逆變器的制作采用簡易的多諧振蕩器。2 方案的論證2.1 功率器件的選擇通過對各種功率器件的分析，對于本次1.5kva逆變電源設(shè)計將選用igbt場效應(yīng)晶體管作為逆變器用功率開關(guān)器件。下面就對絕緣柵雙極晶體管（igbt

6、）做詳細的介紹。絕緣柵雙極性晶體管 (insulated gate bipolar transistor，igbt)是功率mosfet和雙極型功率晶體管組合在一起的復(fù)合功率器件。它既具有mosfet管的通/斷速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，又具有大功率雙極晶體管的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點。從igbt問世以來得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展很快。特別是在開關(guān)和逆變電路中，它是被廣泛應(yīng)用的、理想的開關(guān)器件。2.1.1 igbt的結(jié)構(gòu)特點和工作原理圖2-1 igbt的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號igbt的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號如圖2-1所示。圖2-1（a）為igbt的內(nèi)部

7、結(jié)構(gòu)，與mosfet比較，igbt是在mosfet的漏極下又增加了一個注入?yún)^(qū)，因而形成了一個大面積的pn結(jié)（）。這樣使得igbt導(dǎo)通時由注入?yún)^(qū)向n基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，使得igbt具有很強的流通能力。igbt的等效電路如圖2-1（b）所示。它是由mosfet和雙極型功率晶體管組成的達林頓結(jié)構(gòu)，相當于一個由mosfet驅(qū)動的厚基區(qū)pnp晶體管。因此igbt的驅(qū)動原理與電力mosfet基本相同，它是一種場控器件，其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓uge決定的，當uge為正且大于開啟電壓uge(th)時，mosfet內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使igbt導(dǎo)通。由于電導(dǎo)

8、調(diào)制效應(yīng)，使得調(diào)制電阻減小，這樣高耐壓的igbt也具有很小的通態(tài)壓降。當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，mosfet內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得igbt關(guān)斷。igbt的電氣符號如圖2-1（c）所示。igbt具有正反向阻斷電壓高、通態(tài)電壓大及通過電壓來控制其導(dǎo)通或關(guān)斷等特點。同時，由于采用mos柵，其控制電路的功耗小，導(dǎo)通和關(guān)斷時的靜態(tài)功耗也很小，只是在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在一定的動態(tài)損耗。這種動態(tài)損耗也可以通過軟開關(guān)即使使其達到最小。由于igbt具有這些特點，才使其被廣泛地作為功率開關(guān)期間用于開關(guān)和逆變電路中。2.1.2 igbt的基本特性igbt的基本特性分為靜態(tài)特性、動態(tài)

9、特性和高溫特性三個部分。2.1.2.1 靜態(tài)特性igbt的靜態(tài)特性主要包括輸出（伏-安）特性、轉(zhuǎn)移特性和靜態(tài)開關(guān)特性。1）輸出（伏-安）特性igbt的輸出（伏-安）特性曲線如圖2-2所示。它是表示以柵極-發(fā)射極間電壓為變量的集電極電流和集電極-發(fā)射極間電壓的關(guān)系曲線。圖2-2 igbt的輸出（伏-安）特性曲線 ibgt的輸出伏-安特性曲線分為四個區(qū)域：（1）i區(qū)為截止區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，由于很小，隨著的增加很小，且變化不大。此時，基本上是c、e間的漏電流。（2）ii區(qū)為線性放大區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，隨著的增加，當（igbt的開啟電壓）時，開始增加，并且隨著的變化呈線性關(guān)系：式中，為igbt的跨導(dǎo)。當ig

10、bt用于逆變電路的開關(guān)狀態(tài)時，要求盡快越過這個區(qū)域，以便減小通態(tài)損耗。因此，這個參數(shù)在實際應(yīng)用中顯得不是很重要了。（3）iii區(qū)為飽和區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，當為某一定值時，隨著的增加，基本不變，達到飽和。達到飽和后的集電極-發(fā)射極電壓成為igbt飽和電壓，記為。一般情況下=24v。（4）iv區(qū)為擊穿區(qū)。當為某個確定值時，增加并達到后，會突然增大，發(fā)生過電壓擊穿。此時的稱為igbt的擊穿電壓。igbt絕對不能用在此區(qū)域內(nèi)。2）轉(zhuǎn)移特性igbt的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2-3所示。它表示在不變的情況下，與的關(guān)系曲線。在很小時，=。隨著的增加，在=且繼續(xù)增加時，呈線性增加而進入放大區(qū)。我們把從截止區(qū)轉(zhuǎn)移到線性放大

11、區(qū)的轉(zhuǎn)移點稱為的柵極開啟電壓。一般情況下，=35v。圖2-3 igbt的轉(zhuǎn)移特性曲線3)靜態(tài)開關(guān)特性igbt的靜態(tài)開關(guān)特性曲線如圖2-4所示。igbt的靜態(tài)開關(guān)特性實際上時表示igbt瞬間從導(dǎo)通（關(guān)斷）狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關(guān)斷（導(dǎo)通）的情況，即瞬間越過線性放大區(qū)的特性曲線。圖2-4 igbt的靜態(tài)開關(guān)特性曲線2.1.2.2 動態(tài)特性前面講述的靜態(tài)特性，只表明了igbt從一個穩(wěn)態(tài)變換到另一個穩(wěn)態(tài)的特性，從而沒有涉及狀態(tài)變換的過程。igbt狀態(tài)變換過程的特性為其動態(tài)特性。igbt的動態(tài)特性與其負載有關(guān)。因為igbt用于逆變電路時的負載多半時感性負載。igbt的負載為感性時的動態(tài)特性曲線如圖2-5所示。1）導(dǎo)

12、通特性一般情況下，igbt的柵極加有一個負偏壓以保證igbt可靠地處于關(guān)斷狀態(tài)。當柵極電壓由這個負偏壓開始往正方向變化時，由于柵極電容有個充電過程，在經(jīng)過一段時間后，達到柵極開啟電壓，igbt的集電極電流才有漏電流開始增加。這段時間稱為導(dǎo)通延遲時間。再經(jīng)過一段時間后，達到=(為流經(jīng)感性負載的電流)。稱為電流上升時間。此時，開始下降，在時間內(nèi)下降到飽和電壓。稱為電壓下降時間。igbt的導(dǎo)通時間為、之和，即=+2)關(guān)斷特性在igbt處于導(dǎo)通狀態(tài)時，柵極電容上充有正電壓，當向負方向變化時，由于柵極電容有個放電過程，在經(jīng)過一段時間后，減小到柵極開啟電壓，集電極電流開始下降。這段時間稱為存儲時間。過后開

13、始從=下降，由于感性負載的的作用，在上升過程中會產(chǎn)生電壓過沖，這段時間稱為電壓上升時間。在過后，繼續(xù)下降，最后達到，這段時間稱為電流下降時間。igbt的關(guān)斷時間為、之和，即=+第二代igbt的導(dǎo)通時間=0.30.8，關(guān)斷時間=0.61.5；第三代igbt的和則更小。圖2-5 igbt的負載為感性時的動態(tài)特性曲線2.1.2.3 高溫特性igbt具有優(yōu)良的高溫通態(tài)特性，在環(huán)境溫度（散熱片溫度）達到200左右時，仍能正常工作。特別值得一提的是，隨著溫度的增高，igbt的正向壓降反而略有下降，并且還可以在某個特定的通態(tài)電流下，隨著溫度的變化，其通態(tài)正向壓降保持基本不變。當通態(tài)電流高于此值時，隨著溫度的

14、增高，其正向壓降略有增加。但實際應(yīng)用中，還是應(yīng)該注意器件的散熱問題，以避免器件工作在高溫環(huán)境中。2.1.3 igbt的主要參數(shù)igbt的主要參數(shù)包括：（1） 擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間toff。（2） 最大集射極間電壓uces 這是由器件內(nèi)部的pnp晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。（3） 最大集電極電流 包括額定直流電流ic和1ms脈寬最大電流icp。（4） 最大集電極功耗pcm 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。igbt的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：（1） igbt開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。有關(guān)資料表明，在電壓1kv以上時，igbt的開關(guān)損耗只有g(shù)tr的1/10，與電力mosfet相當。

15、（2） 在相同電壓和電流額定的情況下，igbt的安全工作區(qū)比gtr大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。（3） igbt的通態(tài)壓降比vdmosfet低，特別是在電流較大的區(qū)域。（4） igbt的輸入阻抗高，起輸入特性與電力mosfet類似。（5） 與電力mosfet和gtr相比，igbt的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可保持開關(guān)頻率高的特點。2.1.4 igbt驅(qū)動電路的基本要求1）加在igbt柵極g和射極e之間，用來開通和關(guān)斷igbt的柵極驅(qū)動電壓的正、負脈沖，應(yīng)以足夠陡的上升沿和下降沿，使igbt開關(guān)時間短，開關(guān)損耗小。2）由驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流要有足夠的幅值，使igbt總處

16、于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。的幅值要綜合考慮減小igbt通態(tài)損耗和提高其短路電流耐受能力這兩方面的要求來選取。本系統(tǒng)中為+15v。3）在關(guān)斷過程中，為盡快抽出igbt內(nèi)部pnp管中的存儲電荷，應(yīng)施加負偏壓-，其值受g，e極間最大反向耐壓的限制，在本系統(tǒng)中為-5v。4）igbt內(nèi)部存在寄生晶閘管，當集電極電流ic過大或igbt關(guān)斷過程中 太高時，都可能使寄生晶閘管誤導(dǎo)通，形成靜態(tài)和動態(tài)擎住效應(yīng)，使igbt失控。故應(yīng)注意限制igbt集電極電流的最大值，本系統(tǒng)柵極外加串聯(lián)電阻，以延長其關(guān)斷時間，減小的值。5）由于igbt在電力電子設(shè)備中多用于高電壓，所以驅(qū)動電路應(yīng)與控制電路在電位上嚴格隔離本系統(tǒng)中，采用了tlp

17、521光藕進行隔離。6）igbt的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡量簡單實用和可靠，自身最好帶有對igbt的保護功能，并有較強的抗干擾性。驅(qū)動電路與igbt的連線要盡量短，并采用絞線或同軸電纜線。2.2 逆變電路的選擇2.2.1 逆變電路的介紹逆變電路根據(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。它們也分別被稱為電壓源逆變電路（voltage source type invertervsti）和電流源逆變電路（current source type invertercsti）。逆變器按主電路形式分類如下：圖2-6 逆變器按主電路形式分類對于本設(shè)計采

18、用單相電壓型的逆變電路，電壓型逆變電路有以下主要特點：1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，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。2.2.2 單相電壓型逆變電路常見的單相逆變電源主電路主要有半橋、全橋兩種結(jié)構(gòu),其中以全橋逆變電路應(yīng)用最為廣泛。2.2.2.1 半橋逆變電路在高壓開關(guān)電源中，功率輸出大的一

19、般都使用半橋式變換電路。其電路圖如圖2-7所示。它由兩只電容和兩只高壓晶體管組成。當兩只晶體管都截止時，若兩只電容的容量相等且電路對稱，則電容中點a的電壓為輸入電壓的一半。當導(dǎo)通時，電容將通過、變壓器初級繞組放電；同時，電容則通過輸入電源、和的原邊繞組充電。中點a的電位在充、放電過程中將指數(shù)規(guī)律下降。在導(dǎo)通結(jié)束時，a點的電位為，且兩只晶體管全都截止。兩只電容和兩只晶體管的集射極間的電壓基本上相等，都接近于輸電源電壓的一半。相反，導(dǎo)通時，放電、充電，a點的電位將增至，即a點電位在開關(guān)過程中將在的電位上以的幅值進行指數(shù)變化。由此可見，在半橋式電路中，變壓器初級線圈在整個周期中都流過電流，以磁心利用

20、得更充分。圖2-7 單相半橋電壓型逆變電路半橋式變換電路的主要優(yōu)點是簡單，使用器件少，其電路中所使用的功率開關(guān)晶體管的耐壓較低，絕不會超過輸入電壓的峰值；晶體管的飽和電壓也降至最低；輸入濾波電容的耐壓也可以減小。其確定是輸出交流電壓的幅值僅為輸入的一半，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的平衡。因此，半橋電路常用于幾kw以下的小功率逆變電源。2.2.2.2 全橋逆變電路將半橋式變換電路中的兩電解電容換成另外兩只高反壓功率晶體管，并配以適當驅(qū)動電路即可組成全橋式變換電路，如圖2-8所示。、組成4個橋臂。高頻變壓器t連接在它們中間。相對臂的、和、由驅(qū)動電路激勵而交替導(dǎo)通，將直

21、流輸入電壓變換成高頻方波交流電壓。其工作過程與推挽式功率轉(zhuǎn)換電路一樣。這樣，高頻變壓器工作時，其初級線圈得到的電壓即為電源電壓。它是半橋電路輸出電壓的一倍，而每個晶體管耐壓仍為電源電壓，使輸出功率增大一倍。若是電流達到半橋電路的水平，即電流增大一倍的話，則輸出功率就可以增大4倍。全橋電路的主要不足是需要4組彼此絕緣的晶體管基極驅(qū)動電路,使控制驅(qū)動電路成本增大并復(fù)雜化，但選用全橋變換電路可使輸出功率大大提高,而且晶體管的損少。圖2-8 單相全橋逆變電路3 系統(tǒng)主電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成如圖3-1所示：acdcc整流升壓逆變直流電壓穩(wěn)壓調(diào)節(jié)dc過流保護負載逆變橋逆變pi調(diào)節(jié)器過流保護控制電

22、路工頻lc濾波欠壓保護3.2 系統(tǒng)的主電路圖系統(tǒng)主電路圖如圖4-2所示：圖3-2 主電路圖3.3 系統(tǒng)的工作原理如圖3-2所示主電路，本系統(tǒng)通過直流升壓斬波電路將輸入的110v直流電斬波為220v頻率為50hz的直流方波信號，該信號通過由igbt組成的單相電壓型橋式逆變電路后，該信號逆變成為50hz,220v的交流方波電壓，最后通過lc濾波電路后給供給負載3.4 主電路的設(shè)計3.4.1 斬波器的設(shè)計直流斬波電路（dc chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱直接直流-直流變換器（dc/dc converter）。本設(shè)計采用該電路的目的是將輸入的110v直流電壓轉(zhuǎn)

23、換成輸入逆變電路中可用的220v 50hz直流電壓。升壓斬波電路的原理圖3-3 升壓斬波電路的原理圖分析升壓斬波電路的的工作原理，首先假設(shè)電路的中的電感l(wèi)值很大，電容c值也很大。當可控開關(guān)v處于通態(tài)時，電源e向電感l(wèi)充電，充電電流基本恒定為i1，同時電容c上的電壓向負載r供電。因c值很大，基本保持輸出電壓u0為恒值，記為u0。設(shè)v處于通態(tài)的時間為ton,此階段電感l(wèi)上積蓄的能量為eit。當v處于斷態(tài)時e和l共同向電容c充電并向負載r提供能量。設(shè)v處于斷態(tài)的時間為t，則在此期間電感l(wèi)釋放的能量為（u0-e）it。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期t中電感l(wèi)積蓄的能量與釋放的能量相等，即化簡得，輸出電壓

24、高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost變換器升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變uo。將升壓比的倒數(shù)記作b，即。b和導(dǎo)通占空比a有如下關(guān)系： 因此，上式可表示為 升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是電感l(wèi)儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容c可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為v處于通態(tài)期間因電容c的作用使輸出電壓u0不變，但實際上c值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，u0必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于上式所得結(jié)果。不過，在電容c值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。3.4.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路有以下主要特點：1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容

25、，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，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。圖3-4 單相全橋逆變電路圖工作過程分析：設(shè)在t1時刻前v1和v4，輸出電壓u0為ud，t1時刻v3和v4柵極信號反向，v4截止，而因負載電感中的電流i0不能突變，v3不能立即導(dǎo)通，vd3導(dǎo)通續(xù)流。因為v1和vd3同時導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到t2時刻v1和v

26、2柵極信號反向，v1截止，而v2不能立即導(dǎo)通，vd2導(dǎo)通續(xù)流，和vd3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-ud。到負載電流過零并開始反向時，vd2和vd3截止，v2和v3開始導(dǎo)通，u0仍為-ud。t3時刻v3和v4柵極信號再次反向，v3截止，而v4不能立即導(dǎo)通，vd4導(dǎo)通續(xù)流，u0再次為零。以后的過程和前面相似。這樣，輸出電壓u0的正負脈沖寬度就各為。改變，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。4 控制電路設(shè)計控制電路的設(shè)計是本次設(shè)計中的重要部分，它包括了系統(tǒng)的觸發(fā)電路和保護電路。觸發(fā)控制電路中主要設(shè)計正弦脈寬調(diào)制波（spwm）的產(chǎn)生控制以及igbt的驅(qū)動控制。stc單片機spwm4.1 控制電路的設(shè)計圖4-1 觸發(fā)控制

27、結(jié)構(gòu)框圖4.1.1正弦脈寬調(diào)制波（spwm）的產(chǎn)生原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。此定理稱之為面積等效原理。它是pwm控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。圖4-2 用pwm波代替正弦波如圖4-2的正弦半波分成n份，就可以把正弦半波看成是由n個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，是矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相

28、等，就得到上圖下半部分的脈沖序列。這就是pwm波形。假如這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形，也稱spwm波形。實際中應(yīng)用的主要是調(diào)制法，結(jié)合igbt單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明：設(shè)負載為阻感負載，工作時v1和v2通斷互補，v3和v4通斷也互補。控制規(guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段為正，一段為負，負載電流為正區(qū)間，和導(dǎo)通時，等于，關(guān)斷時，負載電流通過和續(xù)流，=0，負載電流為負區(qū)間，為負，實際上從和流過，仍有=，斷，通后，從和續(xù)流，=0，總可得到和零兩種電平。同樣，在負半周，讓保持通，保持斷，和交替通斷，可得-和零兩種電平

29、。圖4-3 單相橋式pwm逆變電路4.1.2 pwm控制芯片sg3525sg3525是電流控制型pwm控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。圖4-4 sg3525引腳和內(nèi)部框圖1）引腳1：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 2)

30、引腳2：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。 3）引腳3：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。 4）引腳4：振蕩器輸出端。 5）引腳5：振蕩器定時電容接入端。 6)引腳6：振蕩器定時電阻接入端。 7)引腳7：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。 8)引腳8：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。 9）引腳9：pwm比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比

31、例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。 10）引腳10：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。 11）引腳11：輸出端a。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。 12）引腳12：信號地。 13）引腳13：輸出級偏置電壓接入端。 14）引腳14：輸出端b。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。 15）引腳15：偏置電源接入端。 16）引腳16：基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準sg3525的工作原理 ：sg3525內(nèi)置了5.1v精密基準電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。sg3525還增加了同步功能，可

32、以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計提供了極大的靈活性。在ct引腳和discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于sg3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。sg3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5 的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的pwm比較器反向輸入端處于低電平，pwm比較器輸出高電平。此時，pwm瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，sg3525才開始工作。由于實際中，基準電壓

33、通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致pwm比較器輸出為正的時間變長，pwm瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，pwm瑣存器將立即動作，禁止sg3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程。注意，shutdown引腳不

34、能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響sg3525的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在sg3525的輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。 此外，sg3525還具有以下功能，即無論因為什么原因造成pwm脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，pwm瑣存器才被復(fù)位。4.1.3 stc12系列單片機的介紹圖4-5 stc系列單片機引腳圖 (1) stc12系列單片機的典型結(jié)構(gòu)stc 12系列單片機是宏晶科技公司新的低功耗16位flash單片機，它的16級中斷、高效尋址方式、10k大容量flash, eeprom, a/d轉(zhuǎn)換

35、、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器(pwm)等功能特點，較好的實現(xiàn)了強大的功能與超低功耗的結(jié)合，因此具有很好的性價比和應(yīng)用適應(yīng)性。 (2)基本配置stc12c5412ad單片機除了具有stc12系列單片機共有特點外，還具有一些自身特點，對其一些基本配置做以介紹:1.flash存儲器stc12c5412ad flash存儲器為l 0kb。flash存儲器主要用作程序存儲，可經(jīng)計算機串口接口下載程序;程序運行時能對其中的1段或多段進行擦/寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。flash可用于程序數(shù)據(jù)保存，實現(xiàn)掉電保護，flash存儲器可以按字或字節(jié)讀寫，最小擦除單位為1段，經(jīng)過擦除的位為“1，寫入位為“0”。

36、2.脈寬調(diào)節(jié)模式(pwm)所有pca模塊都可用作pmw輸出。輸出頻率取決于pca定時器的時鐘源。由于所有模塊共用僅有的pca定時器，所有它們的輸出頻率相同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器epcnl,ccapnl有關(guān)。當cl sfr的值小于epcnl, ccapnl時，輸出為低，當pca cl sfr的值等于或大于epcnl, ccapnl時，輸出為高。當cl的值由ff變?yōu)?0溢出時，epcnh, ccapnh的內(nèi)容裝載到epcnl,ccapnl中。這樣就可實現(xiàn)無干擾地更新pwm。要使能pwm模式，模塊ccapmn寄存器的pwmn和ecomn位必須置位。3.i/o口工作類型

37、設(shè)置stc12c5412ad帶有24個i/o引腳，它的i/o與傳統(tǒng)的i/o不同，每個i/o口均可由軟件設(shè)置成4種工作類型之一，使得功能口和通用i/o口復(fù)用。4種類型分別為:準雙向口(標準8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出功能。在對同一個i/o口進行操作前要選擇其要實現(xiàn)的功能，這樣大大地增強了端口的功能和靈活性。其中一些i/o口還可以與stc12c5410ad中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實現(xiàn)串行通信，與a/d模塊結(jié)合實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換等。此外，stc12c5410ad的i/o端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的i/o口都有6ma的驅(qū)動能力，對于

38、一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動而無需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接。 準雙向口輸出配置準雙向口輸出類型可用作輸出和輸入功能而不需重新配置口線輸出狀態(tài)。這是因為當口線輸出為1時驅(qū)動能力很弱，允許外部裝置將其拉低。當引腳輸出為低時，它的驅(qū)動能力很強，剛一吸收相當大的電流。準雙向口有3個上拉晶體管適應(yīng)不同的需要。在3個上拉晶體管中，有1個上拉晶體管稱為“弱上拉”，當口線寄存器為1且引腳本身也為1時打開。此上拉提供基本驅(qū)動電流使準雙向口輸出為1。如果一個引腳輸出為1而由外部裝置下拉到低時，弱上拉關(guān)閉而“極弱上拉”維持開狀態(tài)，為了把這個引腳強拉為低，外部裝置必須有

39、足夠的灌電流能力使引腳上的電壓降到門檻電壓以下。第2個上拉晶體管，稱為“極弱上拉”，當口線鎖存為1時打開。當引腳懸空時，這個極弱的上拉源產(chǎn)生很弱的上拉電流將引腳上拉為高電平。第3個上拉晶體管稱為“強上拉”。當口線鎖存器跳變到1時，這個上拉用來加快準雙向口由邏輯4到邏輯1轉(zhuǎn)換。當發(fā)生這種情況時，強上拉打開約2個機器周期以使引腳能夠迅速地上拉到高電平。推挽輸出配置推挽輸出配置的下拉結(jié)構(gòu)與開漏輸出以及準雙向口的下拉結(jié)構(gòu)相同，但當鎖存器為1時提供持續(xù)的強上拉。推挽模式一般用于需要更大驅(qū)動電流的情況。僅為輸入(高阻)配置僅為輸入時，不提供吸入20ma電流的能力。.開漏輸出配置當口線鎖存器為0時，開漏輸出

40、關(guān)閉所有上拉晶體管。當作為一個邏輯輸出時，這種配置方式必須有外部上拉，一般通過電阻外接到。這種方式的下拉與準雙向口相同。開漏端口帶有一個施密特觸發(fā)輸入以及一個干擾抑制電路。4. ad模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器stc12c5412ad單片機的a/d轉(zhuǎn)換口在p1口(p1.7-p1.0)，有8路10位高速a/d轉(zhuǎn)換器，stc12c5410ad系列是12位精度的a/d，速度均可達到100khz。8路電壓輸入型a/d，可以完成溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等功能。上電復(fù)位后p1口是弱上拉型的i/o口，可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為a/d轉(zhuǎn)換，不需作為a/d使用的口可繼續(xù)作為i/o口使用。這樣，

41、a/d轉(zhuǎn)換和i/o口可以靈活的運用，節(jié)省了軟件及時間。5.有配套的仿真開發(fā)工具stc12c5412ad的flash存儲器給用戶的開發(fā)帶來方便。用戶可以將芯片焊接在線路板上后進行下載程序、調(diào)試程序和修改程序。同時，stc12c5410ad的片內(nèi)己集成了程序斷點控制等邏輯功能。因此，它的開發(fā)工具較為簡單，只需1套pc環(huán)境下的調(diào)試軟件和1個連接于并口的仿真器。仿真器與stc12c5410ad經(jīng)串口連接。因此，用戶只要在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時為調(diào)試需要預(yù)留好stc12c5410ad的串口接口的引出插座，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的程序下載調(diào)試、系統(tǒng)現(xiàn)場編程硬件仿真或軟件升級功能，而且無需外加編程電壓。4.2 驅(qū)動電路的設(shè)計

42、4.2.1 exb840功能介紹exb840集成芯片是一種專用于igbt的集驅(qū)動、保護等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅(qū)動用變頻器、伺服電機驅(qū)動、ups、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。具有以下的特點：1）不同的系列（標準系列可用于達到10khz開關(guān)頻率工作的igbt，高速系列可用于達到40khz開關(guān)頻率工作的igbt）。2）內(nèi)置的光耦可隔離高達2500v/min的電壓。3）單電源的供電電壓使其應(yīng)用起來更為方便。4）內(nèi)置的過流保護功能使得igbt能夠更加安全地工作。5）具有過流檢測輸出信號。6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式圖4-6 exb840的功能方框圖exb840

43、的使用特點：1）exb840的驅(qū)動芯片是通過檢測igbt在導(dǎo)通過程中的飽和壓降來實施對igbt的過電流保護的。對于igbt的過電流處理完全由驅(qū)動芯片自身完成，對于電機驅(qū)動用的三相逆變器實現(xiàn)無跳閘控制有較大的幫助。2）exb840的驅(qū)動芯片對igbt過電流保護的處理采用了軟關(guān)斷方式，因此主電路的比硬關(guān)斷時小了許多，這對igbt的使用較為有利，是值得重視的一個優(yōu)點。3）exb840驅(qū)動芯片內(nèi)集成了功率放大電路，這在一定程度上提高了驅(qū)動電路的抗干擾能力。4）exb840的驅(qū)動芯片最大只能驅(qū)動1200v/300a的igbt，并且它本身并不提倡外加功率放大電路，另外，該類芯片為單電源供電，igbt的關(guān)斷

44、負電壓信號是由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的5v信號，容易受到外部的干擾。4.2.2 驅(qū)動電路的設(shè)計在電路的設(shè)計過程中，注意以下幾個方面的問題：1）igbt柵射極驅(qū)動電路接線必須小于1m；2）igbt柵射極驅(qū)動電路接線應(yīng)為雙絞線；3）如想在igbt集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，那么增加igbt柵極串聯(lián)電阻（rg）即可；4）應(yīng)用電路中的電容c1和c2取值相同，對于exb840來說，取值為33f。該電容用來圖4-7 igbt的驅(qū)動電路吸收由電源接線阻抗而引起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。5 保護電路設(shè)計保護電路用于當電源出現(xiàn)異常情況時保護設(shè)備以及電源本身。當主回路中發(fā)生過載，過壓等異常狀況時，停止電路元件的工

45、作。保護電路能有效的保護逆變器件和負載不被損壞。5.1 過流保護回路設(shè)計5.1.1 產(chǎn)生原因及危害過流保護不僅直接關(guān)系到igbt器件本身的工作特性和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全。它包括短路和過流保護兩種，控制回路誤動作或誤配線等都會造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流流過逆變器的開關(guān)器件，會使元件燒壞，因此，必須在很短的時間內(nèi)封鎖pwm驅(qū)動信號輸出，使逆變器停止工作，同時，還應(yīng)使輸入側(cè)電源開關(guān)跳閘。短路電流的整定值一般為逆變器輸出額定電流的200%300%，超過逆變器額定電流200%以上的電流應(yīng)立即采取保護措施。5.1.2 過流保護電路圖5-1 過流保護原理圖過流保護電路如

46、圖6-1所示。此電路是過流保護電路，其中100k電阻用來限流，通過比較器lm311對電流互感器采樣轉(zhuǎn)化的電壓進行比較，lm311的3腳接一10k電位器來調(diào)比較基準電壓，輸出后接一100的電阻限流它與后面的220f的電容形成保護時間控制。當電流過流時比較器輸出是高電平產(chǎn)生保護，使spwm不輸出，控制場效應(yīng)管關(guān)閉，等故障消除，比較器輸出低電平，逆變器又自動恢復(fù)工作。5.1.3 短路保護電路此電路是短路保護電路，用0.1進行采樣電壓，通過470k電阻得到電流，此電流流過光電耦合器，當電流高于光藕內(nèi)二級管導(dǎo)通電流時光藕輸出端導(dǎo)通，u3990的10腳變成低電平，使spwm波不輸出，關(guān)閉場效應(yīng)管，形成保護

47、，此過程非常快，當故障排除后，光電耦合器輸出關(guān)斷，逆變器正常工作。圖5-2 短路保護原理圖5.2 過壓保護回路的設(shè)計5.2.1 產(chǎn)生原因及危害1）電網(wǎng)輸入電壓長時間過高；2）減速過快，引起泵升電壓過高，當超過igbt的安全工作電壓時就可能造成開關(guān)器件的損壞；3）我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，在重負載時，線電壓通常小于380v，而在用電低谷期時，線電壓高達440v，如此大的電壓變化范圍，會導(dǎo)致直流回路過電壓，同樣會損壞igbt。5.2.2 過壓保護回路設(shè)計的過壓保護電氣原理圖如圖6-3圖5-3 過壓電路原理圖直流電壓保護信號取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電容器分壓后獲得，為防止高壓信號進入控制電路，采

48、用光電耦合電路，直流電壓保護動作限定在670v以上。5.2.3 工作原理正常情況下，采樣電壓小于給定電壓，比較器輸出低電平，經(jīng)反向器cd4090輸出高電平，指示燈不亮。當故障發(fā)生時，采樣電壓經(jīng)與非門cd4090輸出低電平，過壓指示燈led1亮，同時，過壓信號經(jīng)與非門74hc30輸出信號set，送至鎖存器74hb66封鎖驅(qū)動脈沖輸出。6 總結(jié)通過此次課設(shè)設(shè)計加深了電力電力課本的知識的理解，同時也擴寬了與有關(guān)元器件的知識，比如說stc12系列單片機的應(yīng)用和sg3525等等，由于本設(shè)計是關(guān)于逆變所以在控制電路方面關(guān)于pwm技術(shù)，pwm控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是pwm逆變電路。可以說pwm控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。電力電子技術(shù)是電力、電子和控制結(jié)合的產(chǎn)物。目前，電子技術(shù)在不斷向數(shù)字化方向迅速發(fā)展。同時，數(shù)字化技術(shù)化技術(shù)也是電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向。同時電力電子技術(shù)在電機和照明中的成功應(yīng)用，而被稱為