毕业设计单相变频电源设计

毕业设计单相变频电源设计专业电气工程及其自动化学生姓名倪玲班级B电气041学号0410610121指导教师陈荣完成日期2008年6月17日单相变频电源设计摘要随着电力电子技术的飞速发展，变压变频电源已被广泛应用在各种领域中，与此同时，系统对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器，已成为电力电子领域的研究热点。在阐述单相全桥式变频电源原理的基础上，讨论了变频电源主电路主要器件参数的设计。为了提高输出波形质量，采用了基于脉宽调制器SG3525芯片的闭环控制电路，详细介绍了SG3525的应用特点，并分析了脉宽调制器SG3525产生脉宽调制波的形成过程，以及由SG3525控制的单相变频的实现原理。经分析结果表明，这种控制方式可实现逆变电源变压、变频，控制系统简单可靠，使用灵活，适用性强，具有良好的应用前景。关键词正弦波脉宽调制SPWM；变频电源；闭环控制；逆变DESIGNOFTHESINGLEPHASEFREQUENCYVARIABLEPOWERSUPPLYABSTRACTWITHTHEPOWEROFTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGY,VARIABLEVOLTAGEANDVARIABLEFREQUENCYPOWERSUPPLYHASBEENWIDELYAPPLIEDINVARIABLEFIELDS,ATTHESAMETIMETHEQUALITYOFTHEOUTPUTVOLTAGEWAVEFORMINTHEVARIABLEFREQUENCYPOWERALSOMADEINCREASINGDEMANDSTHEINVERTEROUTPUTWAVEFORMQUALITYREQUIREMENTSINCLUDETWOASPECTSFIRST,STEADYSTATEHIGHPRECISIONANDTHEOTHERISAGOODDYNAMICPERFORMANCETHEREFORE,THERESEARCHANDDEVELOPMENTISSIMPLEANDHASANEXCELLENTDYNAMICANDSTATICPERFORMANCEOFTHEINVERTERCONTROLSTRATEGY,WHICHHASBECOMEAPOWERELECTRONICSRESEARCHINTHEFIELDOFONEOFTHEHOTSPOTSTHISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFTHEMAINELEMENTSINTHEMAINCIRCUITOFTHESINGLEPHASEFREQUENCYVARIABLEPOWERSUPPLY,ADOPTSTHECLOSEDLOOPCONTROLMETHODWHICHISBASEDONPULSEWIDTHMODULATIONICSG3525TOIMPROVETHEQUALITYOFTHEOUTPUTWAVEFORMSTHISPAPERDESCRIBESTHECHARACTERISTICSOFSG3525,ANALYSESTHEFORMATIONPROCESSOFMAKINGUSEOFSINEPULSEWIDTHMODULATINGSIGNALSPRODUCEDBYTHESG3525ANDTHECONTROLTHEORYOFTHESINGLEPHASEINVERTERONSG3525THEEXPERIMENTALRESULTSHOWSTHATTHISCONTROLMETHODTOACHIEVEVARIABLEVOLTAGEANDVARIABLEFREQUENCYOUTPUTOFTHEPOWERANDTHEPOWERSUPPLYHASAGOODAPPLICATIONPROSPECTWITHTHEADVANTAGESOFRELIABILITY,FEASIBILITYANDADAPTABILITYKEYWORDSSINUSOIDALPULSEWIDTHMODULATIONSPWMFREQUENCYVARIABLEPOWERSUPPLIERTHECLOSEDLOOPCONTROLINVERTER目录1绪论511课题的研究背景5111电力电子技术的发展5112变频电源的发展6113变频技术的发展动向612课题研究的意义72系统方案论证与设计821系统方案论证8211结构方式8212构成变频电源方式10213电压源型变频器和电流源型变频器1122系统结构组成113变频主电路的设计1231电路构成1232变频电源的工作原理12321交直部分13322直交部分1633输出滤波电路设计184功率器件的驱动和保护电路设计1941M57962L驱动电路的简介19411引脚排列及主要性能参数20412M57962L模块具有以下特点21413M57962L工作原理2142IGBT保护电路21421过流保护21422过压保护225逆变器控制系统的设计2351SPWM控制技术23511PWM调制法基本原理23512SPWM波形生成方法的分析23513SPWM的约束条件26514SPWM调制方法2652SPWM控制电路设计27521SG3525的电路组成及各部分功能27522SG3525应用电路2953单片机接口电路设计30531A/D转换接口电路设计30532D/A转换接口电路设计336结束语37致谢38参考文献39附录401绪论11课题的研究背景111电力电子技术的发展1957年，美国研制出世界上第一只普通的400HZ以下反向阻断型可控硅，后称晶闸管。它是一种半控型器件，用它组成的电路简称半控型电路，其基本特点是容量大，但电路结构复杂，开关频率低，功率密度和整机效率不高。经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管以及80年代迅速发展起来的可关断晶闸管。70年代，晶体管进入工业应用领域，由于晶体管具有自关断能力且开关速度可达20KHZ，是一种全控器件。在PWM技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，但因晶体管是一种电流控制型器件，开通增益有限，这对驱动电路的设计和能耗而言都是一个负担，另外还存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题。比较而言，功率场效应晶体管MOSFET是一种电压控制型自关断器件，具有驱动功率低、安全工作区宽几乎不存在二次击穿问题、漏极电流为负温度特性易并联、输入阻抗高等优点，同时又是一种高频器件，能够在高频硬开关环境中工作。工作频率达到几十千赫至数百千赫，低压管甚至可达兆赫。功率场效应晶体管优点突出，但其导通电阻与耐压大小成正比，这就限制了它在高频、大功率领域的应用。基于晶体管和功率场效应晶体管的优缺点，80年代电力电子器件最引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，即具有MOSFET的输入特性、开关频率和晶体管的输出特性、开关容量，从而产生出较为理想的高频、高压和天电流器件。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBTINSULATEGATEBIPOLARTRANSISTOR。实际上它是一种用MOS门控制的晶体管。鉴于IGBT优良的器件特性和不断提高的制造工艺，IGBT逐渐占领了电力电子器件市场。除了器件本身性能的不断提高，器件模块化和集成技术也相继发展起来。就内部结构而言，MOSFET和IGBT都是功率集成器件，模块化技术的应用大大提高了电路功率密度和可靠性。随着集成技术的发展，功率模块逐渐向智能化方向发展，即模块内部除了主电路器件之外，还包括相应的各种接口电路、保护电路过流、过压、过热保护等和驱动电路，故也称智能功率模块或功率集成电路。这是电力电子技术的一大进步，说明集成电路已从信息电子技已术领域扩展到功率电子技术领域。尽管目前的IPM在功率等级上还很有限，但在各个应用领域中显示出显著的优点。112变频电源的发展随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。采用变频技术可以节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量，因而在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。目前应用最为广泛的是通用变频器，通用变频器大都为电压型交直交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给负载。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。工程上对这种泵升能量的多种处理方法如前所述，基本上分为两类1以热能或其它形式消耗；2通过能量回馈电路的技术处理使之回馈到交流电网或其它储能装置中。显然，前一类方法比较简单，但如前所述，这类方法不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用，这对整个系统的可靠性不利；后一类能量回馈制动技术虽然结构较为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起、制动或长期带势能性负载下放的系统，在有效制动的同时会产生显著的节电效果，将相应的能量回送到电网中。目前有些变频器己经有了能量回馈制动单元，但这些制动单元一般采用单片机控制，如51系列单片机。这些单片机的性能不能满足实时信号处理的需要，因此这些制动单元的功能较少，而且其大部分功能由硬件电路实现，造成硬件电路复杂、维护工作量大、输出电能质量不够高等缺点。DSP芯片数字信号处理器和ARM嵌入式技术的出现将完善和解决这些工程问题提到议事日程之上，为应用于能量回馈电路的新技术发展提供了广阔的前景。113变频技术的发展动向变频电源进入实用期已超过了1/4个世纪，在此期间，作为变频技术基础的电力电子技术和微电子技术都经历了飞跃性的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地为实现变频电源的进一步小型化而做着新的努力。从技术方面来看，随着变频电源市场的进一步扩大，今后变频技术将会随着有关的技术发展，在下面几个方面也会有进一步的提高A大容量和小体积化；B高性能和多功能化；C易操作性的提高；D寿命和可靠性增加；E无公害化。大容量和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，采用电压驱动的电力半导体器件IGBT发展很快，并在迅速进入传统上使用BJT和功率MOSFET的各种领域。此外，以IGBT为开关器件的IPM和单片功率IC芯片将功率开关器件和驱动电路，保护电路等集成在同一封装内，具有高性能和可靠性好的优点，所以随着它们在大电流化和高耐压化方面的发展，必将在中小功率的变频电源中得到更加广泛的应用。随着变频电源市场的不断扩大，如何进一步提高变频电源的易操作性，使普通的技术人员甚至非技术人员也能很快地掌握变频电源的使用技术已经成为厂家必须考虑的问题。因为只有容易操作的产品才能够不断获得新的用户，并进一步扩大市场，所以今后的新型变频电源将更加容易操作。随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频电源中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，这些都将使变频电源本身的寿命和可靠性进一步增加。在变频电源推广应用的初期，噪声问题曾经是一个比较大的问题。随着IGBT的低噪声变频电源的出现，这个问题已经基本上得到了解决。但是，随着噪声问题的解决，人们的目光又转向了变频电源对周围环境的其他影响并在不断探索新的解决办法。例如，对于采用了二极管整流电路和电压形PWM逆变电路的变频电源来说，变频电源本身造成的高次谐波将给电源电压和电流带来畸变，并影响接于同一电源的其他设备。但是,通过在变频电源中采用PWM整流电路，就可以基本上解决这个问题。虽然因为价格和控制技术等方面的原因目前采用PWM整流电路的变频电源尚未得到推广，但是，随着变频技术的发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频电源对环境的影响，直至推出真正的无公害变频电源。12课题研究的意义近年来，变频电源已成为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。变频电源自问世以来引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。传统的体积大，笨重，效率低的变频电源已不能满足要求，现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁最佳的性能指标等显著优点受到青睐，并广泛应用于电气传动、计算机、电子设备。仪器仪表、通信设备和家用电器中。然由于用电对象具有多样性、新颖性和复杂性，且要具备适应各种不同负载的能力，各种用电设备对电源提出了越来越高的要求，因此要针对一些中小功率的电气设备设计出适宜的可调节其频率和电压的电源显得越发重要。变频电源主要由整流滤波电路、开关稳压电路、逆变电路、电流电压检测电路及控制器电路等部分组成。其中逆变器部分很重要，有了逆变器，就可利用直流电（蓄电池、开关电源、燃料电池等）转换成交流电为电器提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。小型逆变器还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。逆变器有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。变频逆变电源应用广泛，应用该电源可以实现从三相交流电到单相交流电的转换，为设备提供电源，其变频功能还可以改变单相交流电的输出变频频率，可以很方便的用于一些中小功率的单相电机进行变频调速等。许多电子设备、电器设备需要为其提供频率、电压均要变化的电源，如变频调速系统、大功率信号源等，这类电源均称为变频变压交流电源。在实际运行中，这些电源需要随机改变电源电压、频率，或者电源电压和频率之间按照一定规律进行变化，以使负载或者对象按照一定的规律运转。因此，研究变频电源设计与实现具有实际的意义。2系统方案论证与设计21系统方案论证211结构方式从结构上看，静止式变压变频装置有直接和间接两种结构方式。A）直接变压变频装置的结构如图所示。ACACVVVFCVCF50HZ交交变压变频图21直接（交交）变压变频装置这种装置只有一个环节，就可以把恒频恒压CVCF的交流电源变换成VVVF电源，因此，称之为直接（或交交）变压变频装置。常用的交交变压变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期互相切换，在负载上就获得交变的输出电压。的幅值决定于各组整流装置的控制角，的频率决定于两组OUAOU整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要得A到正弦波，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。交交变压变频装置虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用的器件数量更多，总设备相当庞大。这种装置受输出谐波电流和脉动转矩的限制，最高输出频率不超过电网频率的1/31/2。鉴于这类装置的器件数量多而输出频率低，一般只用于低转速、大容量的调速系统。B）间接变压变频装置则是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置，或交直交变压变频装置。交直交变频器基本上由整流器、滤波器和逆变器3大部分组成。50HZAC恒压恒频（CVCF）整流逆变DC中间直流环节AC变压变频（VVVF）图22间接（交直交）变压变频装置先用可控硅整流器将交流电压整成电压可调的直流电压。中间经过大电D容或大电感进行滤波，统称为直流环节。然后采用开关器件令它们轮流切换导通，则在负载上得到频率可调的交流电压VO。VO的幅值由由整流器输出电压决定，VO的频率由逆变器开关器件切换的频率决定，并且不受电源频率的限制。为了提高电网侧的功率因数。前级整流器也可采用不可控整流来获得，然后再经斩波器或有脉宽调制功能的逆变器来实现调压。如图23所示。如图A中所示的这种装置，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得比较低时，电网端功率因数较低。而输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出谐波较大。如图B所示的装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服了图A装置的缺点，不过输出信号中仍有较大的谐波。如图C所示的装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，则输出谐波可以减少。这样，如图A所示的装置的两个缺点都消除了。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决PWM的开关频率，而开关频率则受器件的开关时间限制。采用MOSFET或IGBT时，开关频率可达10KHZ以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为正弦波脉宽调制SPWM逆变器，成为目前最有发展前途的一种装置形式。ACACACDCACACACDCDCDC可控整流逆变不控整流不控整流PWM逆变器逆变斩波器调频调压AB调压调频图23间接变压变频装置的不同结构形式A可控整流调压、逆变调压B不可控整流、斩波器调压、逆变器调频C不可控整流、PWM逆变器调压调频因此，为了提高通用性，系统选用ACDCAC变换电路（即交直交变压变频装置）。212构成变频电源方式总体来讲，实现变频电源的方案主要有两种模拟式和数字式。模拟式是采用反馈振荡电路，利用自激振荡和选频作用，通过正反馈机制建立连续的正弦波输出。频率的调节用电位器实现。这种方法构成的电路简单，成本低，而且频率连续可调。但是波形精度低，稳定性差，谐波成分较大且不易与微机接口。数字式是在微控制器的作用下，通过一定的方法，根据所设定的周期逐点输出正弦波的每个样值，再通过数模转换，从而形成连续平滑的波形。这种方法稳定性好，精度高，又能很方便得控制频率和幅值。ACAC整流直流环节逆变图24交直交变换器结构图在交直交变换器这种结构中，无论作为变频调速器还是逆变电源，逆变技术在整个系统占有重要的地位。传统的逆变电源技术采用的模拟电路控制，在早期的现实条件下，模拟电路控制技术满足了一定的要求，但是模拟电路存在一些固有的缺点A因采用大量的分立元件，导致系统的成本偏高，可靠性下降。B器件热漂移问题的存在，导致系统输出性能变差。C产品升级换代困难。在80年代初期，为了提高逆变电源的通信功能及显示功能，逆变电源的设计中采用了微处理器，但是，由于微处理器的速度有限，通常只具有给定正弦波的发生、控制逆变电源的开关及实现保护显示等功能，逆变电源的核心逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与。213电压源型变频器和电流源型变频器无论是交直交变频还是交交变频，从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。对于交一直一交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。交直交变频装置中，当中间的直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，而电流波形不规则，有许多毛刺。这类变频器称为电压源型变频器。电压型源变频器中的逆变开关器件都应反并联一个快速二极管，称为续流二极管，这是为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路。一般的交交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。当中间的直流环节采用大电感滤波时，直流电流比较平直，从逆变器输入端来看，直流电呈高阻抗，对负载来说基本上是个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流源型变频器。逆变器逆变器CDUDLDIDUDA电压源型B电流源型图25电压源型和电流源型交直交变频装置22系统结构组成基于以上的分析比较，结合本课题的实际应用，设计的变频电源系统构成如图26所示。A单片机。做为控制器的单片机是整个控制系统的大脑，它要完成对取样反馈回来的电压模拟信号转换成数字信号，决定PWM产生器SG3525输出PWM控制信号的任务，并通过显示电路显示出系统的最新运行状态。B整流电路。采用二极管单相不可控整流桥，将交流电转变成直流电。C滤波电路。二极管不可控单相整流电路输出的直流电含有纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。D逆变电路。采用全桥PWM逆变电路，将直流电逆变成负载需频率和电压的交流电。E隔离驱动电路。根据单片机提供的输出PWM控制波形的信息，产生相应的驱动信号。由于系统强电部分和弱点部分要实现电气土的隔离，所以中间需要加上光耦隔离。F输出滤波电路。逆变器输出的是高频PWM脉冲，需要滤波后才能得到负载需要的正弦波形。设计时采用LC滤波器。G检测电路主要是检测输出的电压值并传回单片机。脉宽调制器SG3525单片机整流电路滤波电路逆变电路输出滤波负载检测保护信号隔离显示图26系统结构框图3变频主电路的设计31电路构成变频电源由主电路和控制电路两大部分组成。主电路包括二极管整流滤波电路、IGBT绝缘栅双极晶体管逆变器，以及输出滤波电路等。控制电路包括单片机系统、驱动保护电路、信号检测电路以及显示电路。32变频电源的工作原理本文设计的变频电源是由ACDCAC部分组成的，即采用的是交直交方式，其主要工作原理如下首先把50HZ、220V的交流电通过整流、滤波电路转换成直流电，然后再用单相桥式逆变电路把直流电转换成单相交流电，在逆变过程中逆变出的交流电的频率是可以控制的，其具体算法主要采用SPWM（正弦脉宽调制）。321交直部分近年来，在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，由于大多数逆变器（特别是SPWM逆变器）本身可以调压，所以大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。该电路适用于小功率单相交流输入的场合，所以本系统中将采用电容滤波的单相不可控整流电路，电容滤波的不可控桥式整流电路及输入特性波形图如图31所示。1U2VD1VD2VD3VD4CRII2IUDID2UTOA电路B波形图31电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形3211工作原理及波形分析假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。该电路的基本工作过程是，在U2正半周过零点至T0期间，因时使V4RC导通，V3关断，；当时，使V3关断，V4导通，0。这样，就得到了SPWM波形。RUCOUOU图中的虚线表示中的基波分量。像这种在的半个周期内三角波载波只在OFOUR正极性或负极性一种机型范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。33输出滤波电路设计经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在本系统的电路中采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在桥式整流电路后。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压。因此在本课题的变频电源电路中，整流电路接滤波电容，以减小整流电压的脉动程度，来满足电路的需要。FLFCOIOU图35输出滤波电路图A输出滤波电感参数计算电感的选取应保证直到输出最小规定电流（通常为额定电流的1/10）时，电感电流也要保持连续，其临界情况是在一个开关周期的最后时间电感电流刚好下降到零，此时的直流电流应等于该种情况电感电流峰值时的一半。B输出滤波电容参数计算假设纹波系数要，由于该电源额定输出电压为220V，则输出电压的20纹波幅值OUT044V，考虑到功率开关管开/关造成的电压尖峰，可令输出电压的交流纹波为100MV，而I01A，最小的输出电容可用下式计算FUFCO508/2I0输出电流；允许的输出电压纹波峰峰值；工作频率。这样F算出的电容是最小值，考虑到实际要求，选择适合的输出滤波电容。4功率器件的驱动和保护电路设计对IGBT驱动电路的主要要求如下A栅极驱动电压IGBT开通时，正向栅极电压的值足够使IGBT产生饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压应该在12V20V之间。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。为保证IGBT在集电极发射极电压上出现噪声时仍DTU/保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，一般反向偏压取5V15V。B串联栅极电阻RG选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。IGBT是电压驱动的功率模块，栅极驱动不但要有足够的电荷量，还要有足够高的电压，此外，还要考虑控制信号与主回路强电之间的隔离。若是按照传统的逆变电路的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源要彼此隔离，这无疑增加了硬件电路的设计困难，降低了逆变电路的可靠性。为解决这个问题，目前市场上已推出了一些专用集成驱动电路模块，使得电路设计简单、可靠。41M57962L驱动电路的简介在本系统的逆变装置中，使用了日本三菱公司的驱动模块M57962L，它由光电耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及关断电路等组成。M57962模块的内部结构图如图41所示。14131586光耦合器连接电路检测电路定时复位电路门关断电路检测输入故障输出VEEVOUT图41M57962L内部结构方框图411引脚排列及主要性能参数M57962L驱动器的印刷电路及外壳用坏氧树脂封装，共有14根引脚，其中2、3、4、7、9、10、11、12脚为空脚，其外型与引脚排列如图42所示。M57962L的主要参数列于附表41中。123456789101314图42引脚排列框图各引脚的功能如下1脚DEF检测输入；4脚VCC正电源；5脚OUT输出脚；6脚VEE负电源；8脚FOUT过载/短路指示输出；13脚IN输入脚；14脚VIN输入级电源2、3、7、9、10、11、12均为空脚（但前面5个引脚不允许随意连接任何电极。）表41符号参数条件范围单位VCCVEE电源电压DC1815VVVI输入电压1314脚输入17VVO输出电压5脚输出VCCVIOHP5AIOLP输出电流脉宽2S频率20H5AVISO隔离电压正弦电压60HZ，1分钟2500VRMSTOPR工作温度260OCTSTG存贮温度2100OCIOH输出电流DC05AIFD故障输出电流8脚输出20MAVR1输入电压13脚输入5VTRESET保护恢复时间从开始到消除（输入信号为高）12MSVSC检测电压15V412M57962L模块具有以下特点A具有较高的输入隔离度；B采用双电源供电方式，以确保IGBT可靠通断；C内有短路保护电路；D输入端为TTL门电平，适用于单片机控制。413M57962L工作原理M57962L的工作原理如下当电源接通后，首先自检，检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路，IGBT的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在8脚输出电平“过载/短路”指示信号。IGBT正常时，输入信号经光耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。M57962L输出的正驱动电压均为15V左右，负驱动电压为10V。采用M57962L有以下几个特点A采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻，可将5V的电压直接加到输入端；B采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。电源电压的极限值为18V/15V，一般取15V/10V；C信号传输延迟时间短，低电平高电平的传输延时时间以及高电平低电平的传输延迟时间都在15以下；SD具有过流保护功能，M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L将对IGBT实施软关断，并输出过流故障信号。42IGBT保护电路在实际使用中，由于IGBT的耐压能力和耐过流能力较差，一旦出现以外就会使其损坏，为此，必须对IGBT进行相关保护。M57962L驱动电路中主要包括过流、过压与过热保护，因此应用它效果比较好。421过流保护生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件，且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒，耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。产生过流的原因大致有晶体管或二极管损坏，控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路等。422过压保护IGBT在由导通状态关断时，电流I突然变小，由于电路中的杂散电感将在IGBT的C、E端产生很高的浪涌尖峰电压，加上IGBT的耐过压能力较差，这样会使IGBT击穿。因此，其过压保护也很重要。本文中采用吸收电路，吸收回路的作用是当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。RRV2V1图43吸收回路图44栅极保护电路设计采用充放电吸收回路，对于电路中元器件的选用，在实际工作中，电容C选用高频低电感绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2左右。电容选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好一些，但过大会受到放电F时间的限制。电阻选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按计算，T为主电路的开关周期。二极CR6/管应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。除了上述减少CE之间的过电压之外，为防止栅极电荷积累或栅源电压出现尖峰损坏IGBT、可在CE之间设置一些保护元件，电路如图44所示。电阻R的作用是使栅极积累电荷泄放，其阻值可取47；两个反向串联的稳压二极管V1、V2是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。因此，综上所述本文采用的M57962L驱动IGBT的应用电路如图45所示。5VTLP5211K0OC11314SPWM1VIVINOVCUVR1VOUTVCCVEE154630VMUR4100E5V12V18VC1G1E185V15V10V图45M57962L驱动电路示意图5逆变器控制系统的设计从系统框图可以看出，该变频电源的控制电路主要由以下几个部分构成控制电源、单片机、PWM脉冲信号产生电路等部分。变频电源性能的好坏取决于输出的电压、电流波形是否近似于正弦波，这需要采用电子技术来调制波形或幅值。变频器的调制方式可以分为PAM控制方式、PWM控制方式和高载频PWM控制方式。目前采用较多的是正弦脉宽调制技术即SPWM控制技术。下面对PWM控制方式的原理和调制方法进行简单的介绍。51SPWM控制技术PWMPULSEWIDTHMODULATION控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常都是等幅PWM波。当各脉冲的幅值相等，而宽度是按照正弦规律变化的PWM波形称为SPWM波形。511PWM调制法基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。此原理称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。实际应用中，很多电力电子负载都要求逆变电路的输出电压、电流以及频率能够得到有效、灵活的控制，以满足它们的工作要求，而一般的电压型或电流型逆变电路输出的电压或电流为矩形波，谐波分量很大，造成功率因数降低，特别是频率很低时，转矩脉动严重，甚至不能工作。采用脉宽调制逆变电路，可同时解决调压和改善波形的双重任务。这种电路通常称PWMPULSEWIDTHMODULATION型逆变电路。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或所需要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。512SPWM波形生成方法的分析SPWM控制方式就是对逆变电路功率器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波。依据SPWM控制原理，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。而微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微机来实现。利用微机或单片机的实时处理能力，出现了多种生成SPWM波的方法，如采样法、直接面积等效法等。采样法又有如下几种A自然采样法自然采样法就是在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，从而生成SPWM波形，如图51所示。正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般不采用。B规则采样法自然采样法是最基本的SPWM波形生成法，它以SPWM控制的基本原理为出发点可以准确地计算出各功率开关器件的通断时刻，所得的波形很接近正弦波。但是这种方法计算量过大，因而在工程上实际使用并不多，规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，它的效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。CURPTCTO1T2TTT图51生成SPWM波形的自然采样法实际应用较多的是采用三角波作为载波的规则采样法。根据采样点选择的不同，可分为对称和不对称规则采样法。对称规则采样法在采样时，每个脉冲的中点和三角波中点（负峰点）重合，即使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化，如图52所示，在三角波的负峰时刻对正弦调制波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角DT波分别交于1和2点，在1点的时刻和2点的时刻分别控制功率开关器件1T2T的通和断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法PT所得到的脉冲宽度非常接近。从图52可得如下关系式（52SIN1CPDRTTU1）因此可得（5SIN12DRCPTUTT2）在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度为PT（5SIN141DRCPCPTTTT3）CURUPTO1T2TTTDPPTPCURUPTO1T2TTTDFF图52对称规则采样法图53不对称采样法不对称规则采样法如果既在三角波的顶点时刻又在三角波德底点时刻对正弦波进行采样，这样就形成一个等效阶梯波，再将等效阶梯波与三角波相交以确定脉冲宽度，所得到的脉冲宽度在一个载波周期内是不对称的，此方法称为不对称规则采样法。如图53所示。不对称规则采样法采样形成的阶梯波比对称规则采样形成的阶梯波更接近于正弦波，脉宽调制的结果更接近于自然采样法，逆变器输出电压基波分量更大。当载波比为3或3的倍数时，输出电压将不存在偶次谐波，其它高次谐波含量也很小，故不对称规则采样法更常用。C等效面积法把一个正弦半波分为N等分，每一等分的正弦曲线玉横轴所包围的面积都用一个与此面积相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效。显然这一系列脉冲波形的宽度和开关时刻可以严格地用数学方法计算得到。513SPWM的约束条件根据SPWM的特点，逆变器主电路的功率开关器件的开关特性和频率以及SPWM参数的选取对逆变器的性能有很大影响。所以实际应用SPWM技术时必然受到一定条件的制约，主要为功率开关器件开关频率的制约；微处理器采样与计算周期的制约；功率开关器件开关损耗和散热条件的制约；以及调制度M的制约。SPWM技术的基本原理是以正弦波作为调制波去调制三角载波，由它们的交点确定逆变器的开关模式，使逆变器输出宽度按正弦规律变化的电压脉冲阵列。为了保证逆变器功率开关器件安全工作，所调制的脉冲载波有最小脉宽和最小间隙限制，以保证脉冲宽度大于功率开关器件的导通时间和关断时间。ONTOFT这就要求正弦调制波幅值不能超过三角载波的峰值，并用调制度描述这一关系（5CORTEVMSIN4）式中正弦调制波幅值；SINV三角载波的峰值。CORTE在理想的情况下，M可在01之间变换，以调节输出电压的幅值。一般来说，采用微机处理器产生SPWM信号，可以使调制度大于1。采用模拟电路和专用集成芯片的方法来产生PWM波形，调制度都在01之间，称为线性调制，调制度在此区间时，输出电压的基波分量正比于调制度。514SPWM调制方法理论上讲，各段矩形脉冲的宽度是可以计算出来作为控制逆变电路开关元件通断的依据，但计算过程十分繁琐。较为实用的方法是调制的方法，即把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到希望的PWM波形。脉宽调制的方法有很多，分类的方法也没有统一。较常见的分类主要方法有两类A根据调制脉冲的极性可以分为单极性、双极性和单极性倍频调制三种；单极性调制方式单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压；另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频输出基频，另一个桥臂始终为高频（载波频率，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。双极性调制方式双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率载波频率，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。单极性倍频调制方式单极性倍频凋制方式的特点是输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率载波频率，因此，开关管损耗与双极性相同。B根据载波信号和基准信号频率之间的关系，可以分为同步调制和异步调制两种在PWM控制电路中，载波频率与调制信号之比N/称为载波比。CFRFCFR根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。异步调制所谓异步调制，是指载波信号和调制信号不保持同步的调制方式。在异步调制方式中，通常保持载波频率固定不变，因而当信号波频率变化时，载波比N是变化的。同时，在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期脉冲不对称，半个周期内前后1/4周期内的脉冲是也不对称。当信号波频率较低时，这种不对称对产生的影响较小，PWM波形接近正弦波。当信号波频率增大时，载波比N减小，周期内的脉冲数减少，PWM脉冲数不对称的影响就变大，这就使得输出的PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以便在信号频率较大时能保持较大的载波比。同步调制载波比N等于常数，并在变频时时载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。在基本的同步调试方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波比N为3的整数倍，以使三相输出波形严格对称。同时，为了使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。52SPWM控制电路设计该变频电源利用脉宽调制器芯片SG3525产生正弦脉宽调制信号，实现逆变电路直流到交流的转换，同时可以保证电源的输出电压稳定、平滑。521SG3525的电路组成及各部分功能SG3525是美国通用电气公司的产品，是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，其输出级采用推挽电路，双通道输出，每一通道的驱动电流最大值可为500MA；内部含有基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。SG3525的内部结构见图54所示。A基准电压调整器基准电压调整器是输出为51V、50MA，有短路保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。图54SG3525内部结构图B振荡器振荡器的充电回路由C1、C2、R构成，电阻RD作为放电电阻，改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率，次品率也就是振荡器的振荡频率。此电路中，RD放电电阻较小，所以形成的锯齿波波形后沿较陡。C误差放大器及补偿输入误差放大器是差动输入的放大器，反馈电压接至反相输入端（脚1），同相输入端（脚2）接基准电压。根据系统的动静态特性要求，在误差放大器输出端脚9和脚1之间外加适当的反馈网络。D锁存器比较器的输出送到PWM锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。另外，由于PWM锁存器对比较起来的置位信号进行锁存，将系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于提高可靠性。E输出由11、14端输出脉冲相位相差的PWM脉冲信号。018此外，SG3525还有欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路。13端直接接电源，12端则接地。本电源不须使用闭锁控制和软启动。522SG3525应用电路SG3525的基本外围电路接线图如图55所示。SG3525A基准51V反馈电压给定电压R1R2161514131211109补偿封锁双路PWM输出12345678RDRTC5GNDININPUTNIINPUTSYNCOSCOCTRTDISSSTARTVREFVINOBVCGNDOADOWNCMP图55SG3525的基本外围接线图利用SG3525产生SPWM波的工作原理说明如下电压反馈电路通过光电耦合器实现了强电输出部分与弱电控制部分的隔离。光电耦合器采用的是HP4504，当输入端电流在04MA之间的时候，输入与输出之间的电流传递比呈线性关系，设计的时候选择合适的限流电阻，控制输入端电流在03MA之间变化。当输出电压升高时，光电耦合器的输出端发射极电流呈线性增大，OUTEI使发射极电压增大，通过电阻、电容的滤波稳压后输入到引脚1的V1也随之EV增大。当V1增大时，经误差放大9脚电压下降，比较器输出的脉冲宽度变宽，输出PWM脉