电流滞环跟踪变压变频器设计

1、第一章 频率幅度可调的正弦波发生器11.1 电路原理11.2 芯片介绍21.3 总体设计9第二章 电压比较器172.1 LM339简介172.2电压比较器的应用电路18第三章 IGBT193.1 IGBT总体介绍193.2 IGBT 的基本结构193.3 IGBT的工作原理和工作特性20第四章 总体设计23第一章 频率幅度可调的正弦波发生器1.1 电路原理电路如图：图1.1 原理图1.2 芯片介绍1.2.1 TLC5618数模转换芯片介绍可编程建立时间至0.5 LSB的2.5s或12.5s的典型两个12位电压输出DAC中的CMOS8引脚封装用于DAC A和同时更新DAC B单电源供电3线串行接

2、口高阻抗基准输入电压输出范围2倍参考输入电压软件掉电模式内部上电复位和SPI兼容的TMS320低功耗：- 3在低速模式毫瓦典型值，- 8 mW的典型快速模式输入数据更新率1.21兆赫单调过温在Q -温度可用汽车HighRel汽运配置控制/打印支持汽车标准资格应用电池供电测试仪器数字偏移和增益调整电池操作/远程工业控制机与运动控制设备蜂窝电话描述 该TLC5618是双通道12位电压输出数字至模拟转换器（DAC）与缓冲基准输入（高阻抗）。这些DAC有一个输出电压范围是两次参考电压，以及DAC的单调性。该设备使用简单，由单一运行五，一个5供应上电复位功能，是在设备注册成立，以确保可重复的启动条件。数

3、字控制的TLC5618超过3线CMOS兼容的串行总线。器件接收用于编程和16位字生产模拟输出。数字输入施密特触发器高噪声的免疫力。数字通信协议包括SPI，QSPI，和Microwire标准。两种设备的版本。该TLC5618没有内部状态机并在所有外部定时信号而定。该TLC5618A有一个内部状态机，它计数时钟数从CS的下降沿，然后更新，并禁止从接受进一步的设备数据输入。该TLC5618A推荐的TMS320和SPI处理器和TLC5618是建议只对SPI或3线串行接口的处理器。该TLC5618A是向后兼容，设计工作在TLC5618设计的系统。图1.2 TLC5618数模转换芯片管脚连接图图1.3 T

4、LC5618数模转换芯片时序图1.2.2 51单片机51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机.      图1.4 单片机管脚图后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机即是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不

5、具备自编程能力。 当前常用的51系列单片机主要产品有： *Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； *ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； 主要功能：8位CPU·4kbytes 程序存储器(ROM) ·256bytes的数据存储器(RAM) ·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令 ·21个专用寄存器 ·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级 ·一个全双工串行通信口 ·外部数据存储器寻址空间为64kB ·外部

6、程序存储器寻址空间为64kB ·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装 ·单一+5V电源供电 CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据； ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格； I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统； 一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

7、片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。1.2.3 LM358功率放大器LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。图1.5 LM358引脚图及引脚功能LM358封装有塑封8引线双列直插式和贴片式两种。LM358的特点: . 内部频率补偿. 低输入偏流. 低输入失调电压和失调电流. 共模输入电压范围宽，包括接地. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围. 直流电压增益高(约100dB) . 单位增益频带

8、宽(约1MHz) . 电源电压范围宽：单电源(330V)；. 双电源(±1.5 一±15V). 低功耗电流，适合于电池供电. 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 图1.6 LM358管脚连接图图1.7 LM358示意图1.3 总体设计1.3.1 电路设计总体思路由单片机产生一个正弦波信号，用数模转换器转换成正弦波的模拟信号。频率可调由单片机完成。数模转换器输出的模拟信号接到滑动变阻器上，由滑动变阻器接上输出，通过调滑动变阻器的滑头调节输出幅度。滑动变阻器的滑头另一端接功率放大器，然后接到输出端口。1.3.2单片机设计思路：求出正弦波每个横坐标对应的值，把该值转换为2进

9、制，然后按12位串口输出。程序代码：#include <REG52.H>#include <math.h>#define uchar unsigned charsbit DIN=P10;sbit CLK=P11;sbit CS=P12;int S;uchar W=10;main() int i,j; char ss16=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0; IE=0x85; TCON=0x01; P2=W; while(1) for(i=0;i<3.1416*2/(0.01*W);i+) S=1900*sin(i*0.01*W)+190

10、0; for(j=0;j<12;j+) ssj=S%2; S/=2; CS=0; for(j=0;j<16;j+) CLK=1; DIN=ss15-j; CLK=0; CS=1; void delay(void)int i,j;for(i=0;i<1000;i+)for(j=0;j<50;j+);void INC_W(void) interrupt 0 W+; if(W>20)W=20; delay();void DEC_W(void) interrupt 2 W-; if(W<1)W=1; delay();数模转换器设计给数模转换器提供2.5V的基准电压。

11、让正弦信号以5V为基准上下摆动。图1.8 设计思路示意图：平衡位置即为2.5V各部分电路功能介绍（1）名称：晶体振荡器功能：为单片机提供时钟频率clk图1.9晶体振荡器（2）名称：单片机及其外接控制开关功能：产生频率可调的正弦波图1.10单片机及其外接控制开关（3）名称：烧程序接头功能：将程序下载到单片机图1.11烧程序接头（4）名称：数模转换器功能：把数字正弦波信号转换成模拟正弦波信号图1.12数模转换器（5）名称：滑动变阻器（电位器）功能：滑动变阻器接数模转换器的输出，中间的接头接到功放作为整个电路的输出。从而实现幅度可调。图1.13滑动变阻器（电位器）（6）名称：功率放大器功能：减小负载

12、对电路性能的影响，使负载上的信号电流和电压较大。图1.14功率放大器（7）名称：直流分压电路功能：为数模转换器提供基准电压图1.15直流分压电路（8）名称：共地和输出接口 功能：接地，接输出图1.16 共地和输出接口1.3.5 新板子-电感三点式振荡器电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图1.17（a）所示，图1.17（b）是其交流等效电路。图1.17（a）中， Rb1、Rb2和Re为分压式偏置电阻；Cb和Ce分别为隔直流电容和旁路电容；L1、L2和C组成并联谐振回路，作为集电极交流负载，谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，符合三点式振荡器的组成原则。由于反馈信号由电感线圈

13、L2取得，故称为电感反馈三点式振荡器。采用与电容三点式振荡电路相似的方法可求得起振条件的公式为 （1.1) (1.2)当线圈绕在封闭瓷芯的瓷环上时，线圈两部分的耦合系数接近于1，反馈系数F近似等于两线圈的匝数比，即F=N2/N1。Rb1ReLVTCbCeCL1L2VTL1L2CVCCRb2(a) 原理电路(b) 交流等效电路图1.17 电感三点式振荡器振荡频率的近似为 (1.3)若考虑goe、gie的影响时，满足相位平衡条件的振荡频率值为 (1.4)式中，L=L1+L2+2M。由式 (1.4) 可见，电感三点式振荡器的振荡频率要比式 (1.3) 所示的频率值稍低一些，goe、gie越大，耦合越

14、松，偏低得越明显。 所以: 所以可先设定C=100pF，因此可得,可以设为,而所以可知： 当回路谐振时,所以有: 在输出端接上滑动变阻器后可实现调幅功能。第二章 电压比较器2.1 LM339简介   LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。   &#

15、160; LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。图 2.1              LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参

16、考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外

17、，各比较器的输出端允许连接在一起使用。2.2电压比较器的应用电路输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接反馈电压Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。图2为其传输特性。图2.2如果Uin>UrUoutVCC (高电平UOH)如果Uin<UrUout 0 (低电平UOL)注意：不存在Uin=Ur的状态。因为这是一种不稳定的状态第三章 IGBT3.1 IGBT总体介绍IGBT是近年来发展最快的一种功率电子器件，已广泛应用于工业、交通、家电等各个领域。它的输入特性相当于一种自锁型场效应管，是一种简单、高效，几乎无功控制的新型元器件；而它的输出特性

18、又相当于一个二极管，尤其空穴导电的特性，使它达到相当大的载流容量因而不易过电压击穿；更由于现代精细加工技术及半导体掺杂技术向更高层次的发展，使它的开关频率可达几十到几百千赫兹。近年来,新型功率开关器件IGBT 已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比, IGBT 目前在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。3.2 IGBT 的基本结构 在 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构中， 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

19、漏、源之间的 P 型区（包括P+ 和P- 区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区（Drain injector），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。 IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路如图1所示。图中 Rdr 是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT 是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。N 沟道IGBT的图形符号有两种

20、，如图3.2所示。图3.1 IGBT的简化等效电路 图3.2 N-IGBT的图形符号 3.3 IGBT的工作原理和工作特性 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，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道 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 一层的空穴（少子），对 N 一层进行电导调制，减小 N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。  IGBT 的工作特性包括静

21、态和动态两类： 1 静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与 GTR 的输出特性相似。也可分为饱和区1 、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+ 缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压 Ugs之间的关系曲线

22、。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(th)时， IGBT 处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V 左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示： Uds(on) Uj1 Udr IdRoh  式中 Uj1 JI 结的正向电压，其值为 0.7 IV ；  Udr 扩展电阻 Rdr 上的压降；  Roh 沟道电阻。 通态电流Ids可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos       式中 Imos 流过 MOS