特种逆变电源的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

特种逆变电源的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

ii Mn  s in (22) t1sin t1OOiNU 图 22 等效回路算法原理图 由 图 22式可以明显看出，在载频固定，且给定输出角频率 1 (n=常量 )情况下，等效脉冲宽度和调制度 M成正比，和脉冲所在位置的正弦值 isin 成正比。 也就是说，只要 i 按正弦规律变 化， SPWM 就可以输出正弦电压； i 越宽，输出的电压值越高，根据这一规律，出现了多种形成 SPWM 的具体技术 [6]。 9 (1) 等效面积算法 等效面积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点。 其方法是把半个周期的正弦波分成 N等份，然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积都用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替，即相对应的同一时间段内矩形脉冲波面积的代数和与正弦波和横轴所包围的面积相等。 同样正弦波的负半周也可 用该方法来等效。 N的多少就意味着 SPWM 信号的调制频率高低，调 制频率越高正弦波的波形越好，但频率的选择又受元件频率特性的限制。 在载频 PWMf 固定，且输出频率 outf 已知的情况下， n = OUTPWM ff / ，从 而可以求得第 i个脉冲的宽度 i。 (2) 自然采样法 自然采样法源于模拟控制方法，计算正弦调制波与三角波的交点，从而求出相应的脉冲宽度和脉冲间歇时间，生成 SPWM 波形，其原理如图 23所示。 图中Tc表示载波周期， i 表示脉冲宽度。 这种方法所求得等效面积精确，但要求解复杂的数学方程，计算量大，难以用单片机实时计算，工程实现难度较大。 tM 1sin BA ttieT 图 23 自然采样法 (3) 规则采样算法 规则采样算法是对自然采样法的近似，根据近似的方法不同有不同的计算方法。 图 2— 4示出了一种常用的规则采样算法。 其原理是，在三角载波的负峰值时刻求得 iM sin 之值 E，并以此值在三角载波上截得 A， B两点，从而确定了脉 10 宽值。 这种方法实际上是用阶梯波代替正弦波，只要 n足够大，精度是可以保证的，但计算量要比自然采样小得多。 tM 1sin BA ttieTE 图 24 规则采样法 (4) 单片机产生 SPWM 波 单片机 (包括 DSP)在近年来发展很快，其强大的功能使其当然成为正弦脉宽调制控制器的主角。 为了进一步简化结构、提高运算效率、降低成本、减少外围硬件电路，近年来，出现了多种专门产生 PWM 的单片机。 其结构原理是在原来通用单片机的基础上，增加了 PWM 产生电路， 同时还增加了相关的辅助电路，如 A／ D电路、专用通讯口等。 譬如： AVR单片机 AT90PWM2， DS87C550以及Infinenon公 司的 C504， XC164等单片机。 用 XC164产生三相 SPWM 的应用如图25可以看出，利用专用单片机，可省去大量外部辅助器件，降低硬件成本，软件开销也明显下降。 图 25 XC164构成的驱动电路i XC164 驱 动 单 元 IPM 功率 模块 P 直 流 输入 N U V W 故障输入 11 3． 主电路设计 特种逆变电源的原理 本逆变电源的设计， 由 输入电路、逆变主电路、输出电路、采样电路、控制电路、驱动电路、辅助电路和保护电路组成，基本的结构框架和关系如图 31所示。 图 31 逆变系统原理框图 (1) 输入电 路 逆变电路的主回路输入可以是直流电或交流电。 本系统采用直流电，因为直流电波动比较大，所以要增加电容滤波电路来稳压。 (2) 输出电路 输出回路将逆变器变换的交流电作进一步处理，以得到谐波含量较少的交流输出。 该部分电路一般有低通滤波电路组成，当输出侧接有变压器时，也可以利用变压器的电感进行滤波。 (3) 控制电路 控制电路的功能是按要求调节并产生一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。 逆变控制电路的形式多种多样，输入电路 逆变电路 输出电路 驱动电路 辅助电路 控制电路 采样电路 12 DC AC AC 从大的方面讲，有模拟电路和数字电路（ 包括基于单片机的控制系统）。 图 32给出了控制系统的结构框图。 图 33给出 了 逆变器的数字控制电路基本框图；数字信号输入和模拟信号输入指各种反馈量，以及保护、检测量等信号，单片机检测到各种信号后，根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模转化输出控制信号，经放大后控制高频电力电子电路来实现 DCAC 变换，交流输出经变压器变换后即可得到所需交流电。 图 32 逆变器的数字控制电路基本框图 图 33 逆变器的数 字控制电路具体框架 (4) 逆变 电路 这部分电路是逆变电源的主体部分，主要由各种开关器件组成，用来实现主要的 DC—AC 变换。 (5) 辅助和保护电路 辅助电路包括控制系统所需的各种电源等电路。 保护电路的主要保护功能包括：过电压、过电流保护，完善的保护能确保逆变系统稳定、安全和可靠工作地保障。 模拟信号 数字信号 单 片 机 D/A 波形生成电路 比较器 隔离 驱动 电路 高频开关变换电路 变压器 A/D 逆变电路 逆变 变压器 输出整流 滤波电路 调节器 脉冲形成电路 输出 反馈电路 13 主电路原理图及工作原理 本系统的主电路为 DC AC 逆变电路，输入直流电压供给逆变器，主电路开关器件采用六个 IGB T 模块和吸收电路来构成三相逆变器 主电路。 图 34 系统主电路图 图 34是逆变主电路， 直流输入经开关器件组成的桥式逆变输出三相交流电a、 b、 c，经变压器隔离变换后得到所需的三相交流 A、 B、 C。 该逆变电路较适用于三相对称负荷场所；但三相不对称而出现中心点漂移后，可 以通过增加一个桥臂来进行调整，从而组成了三相四桥臂逆变电路； 也可以采用三个独立的单相逆变器经过一定的连接方式组成三相逆变系统，该系统可以三相对称运行，也可以单相独立运行。 主回路通电后，逆变电源开始工作，同时辅助电源也通电。 输入直流电压首先经 LC电路滤波，使输入电压平滑 地加在开关管的源极和漏极。 而此时 IGBT的门极将有脉冲出现，使 IGBT开通，在门极脉冲连续变化时，六只 IGBT将按一定的规律导通。 而每一个门极的控制脉冲的占空比都是随着正弦波变化的，并且 6个 IGBT的导通顺序是 l23456，所以，输出三相对称的交流电，系统要求此交流电的幅值是 380V，频率是 50Hz。 输出信号的电压和频率都是由 IGBT的门极控制脉冲决定的，因此，利用调节 SA8282的输出 SPWM脉冲的占空比就可以得到所需要的输出电压。 其逆变电路的预期工作波形如图 35所示。 14 图 35 三相桥式逆变主电路的预期工作波形 在逆变主电路中，功率半导体器件是电能转换的关键器件， IGBT是功率器件中目前发展最快且很有发展前途的一种混合器件，由于其具有开关速度快、驱动功率小、电流容量大、电压等级高且价格低等优点，使其应用范围越来越广泛，特别在开关电源、逆变焊机、 UPS、变频调遣器等领域中更是大量应用。 而在挢式电路中， IGBT的吸收电路对其能否正常可靠使用起着至关重要的作用。 吸收电路的参数 设计合理，可以大大延长脚的使用寿命，提高设备的可靠性。 否则，图 6 8ucur Uur Vur WuuU N 39。 uV N 39。 uW N 39。 uU NuU VUd UdO tOOOOO t t t t t2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud32 Ud 15 将会使 IGBT 常失效，甚至无法工作 [7]。 IGBT 的基本特点 绝缘栅双极型晶体管 IGBT， 是由 BJT(双极型三极管 )和 MOS(绝缘栅型场效应管 )组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 , 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。 GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大 ； MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电 路、牵引传动等领域。 图 36所示为一个 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构 ， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。 N+ 区称为漏区。 器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。 沟道在紧靠栅区边界形成。 在漏、源之间的 P 型区，称为亚沟道区。 而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区，它是 IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。 附于漏注入区上的电极称为漏极。 图 36 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。 反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制E C G ID + RN VJ1 + +。 IDRon。 C。 G E 16 输入极 N－ 沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。 当 MOSFET 的沟道形成后，从 P+ 基极注入到 N－ 层的空穴（少子），对 N－ 层进行电导调制，减小 N－ 层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 主电路吸收电路的研究 图 3— 7 主电路吸收电路 吸收电路又称为缓冲电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压，dtdu/ 或者过电流和 dtdi/ ，减少器件的开关损耗。 缓冲电路可以分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。 在无缓冲电路的情况下， IGBT 开通时电流迅速上升， dtdi/ 很大，关断时dtdu/ 很大，并出现很大的过电压。 在有缓冲电路的情况下， IGBT 开通时缓冲电容 C 先通过 R 向 IGBT 放电，使电流 Ci 先上一个台阶，以后因为有 dtdi/ 抑制电路的 R， Ci 的上升速度减慢。 在 IGBT 关断时，负载电流通过 VD 向 C 分流，减轻了 IGBT 的负担，抑制了 dtdu/和过电压。 本系统的主电路 吸收电路 如图 3— 7所示。 系统中电容值为 33 f ，电阻值为。 IGBT在应用时，其电压上升不能太慢，但也不宜太快，电压上升速率太高，需要较重的吸收电路才能使 IGBT正常工作，但同时也增大了开关应力，使器件寿命缩短。 所以选择适宜的电压上升速率、较轻的吸收电路参数，能使器件长期可靠工作，图 38是 逆变主电路有无吸收电路的波形比较。 17 OBAD C无 吸 收 电 路有 吸 收 电 路 CEuCi 图 38 有吸收和无吸收电路的比较 18 4． 控制电路设计 控制电路硬件设计 该逆变器的控制电路主要由 AT89C51单片机最小系统和 SA8282 三相 PWM 发生器构成。 单片机用于完成对 SA8282 的初始化和输出脉宽控制、频率控制 , 同时完成闭环控制算法的运算及数据处理、模拟信号与数字信号的检测以及保护功能的逻辑判断等。 由于 SA8282和单片机共用一个石英晶体振荡器 ， 故同步性 能稳定 ,漂移小。 图 41 控制电路原理图 采样信号送入 A／ D转换器 ADC0809中进行转换， A／ D转换器的输入电压为0～ 5 V，故系统中选用霍尔电流传感器 CS600B系列，经过变换得到相应的直流电压。 A／ D转换结果经单片机处理后，可完成对 SA8282的初始化、输出脉冲控制、。