单相逆变器的软件编程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上单相逆变器的软件编程设计摘要逆变电源技术是电力电子技术的重要组成部分。逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置, 它从交流或直流输人获得稳压、稳频的交流输出。衡量逆变电源性能高低的主要指标是输出电压的品质，输出电压品质由以下特性来衡量: 稳压特性、稳频特性、波形特性、动态特性、电压调制特性。逆变电源之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能：逆变电源能将直流电转换为交流电；变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电, 也能将二相交流电转换为单相交流电。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，逆变电源的

2、发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中

3、，使逆变电源的性能有了质的飞跃。本次是基于MOSFET管构建的逆变器软件编程设计，使用的核心器件为单片机AT89S52及功率驱动集成芯片IR2110。本课题使用单片机AT89S52通过编程产生50Hz的准正弦方波，为逆变器提供输出功率信号，去推动MOS功率管。本次设计采用的电路拓扑为单相全桥逆变电路，用两片IR2110驱动全桥电路，每片分别驱动上下MOSFET，其耐压为500V。IR2110用于驱动全桥逆变器用以控制MOSFET的通断，在IR2110的外围电路使用二极管和齐纳二极管防止MOSFET的同时导通而击穿。美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变

4、换装置中驱动器件的首选。该芯片具有驱动电流大，速度快，外围电路简单，可驱动母线电压高达500V的全桥，对输入信号要求低等优良性能。关键词：逆变电源、晶体管（MOSFET）、驱动芯片IR2110、单片机AT89S52Single phase inverter software programming designAbstractInverter power supply power electronic technology is an important part of the technology. Inverter power supply is a way of using switch

5、 power transformation device, it from ac or dc input voltage, frequency of stability for ac output. Measure the performance of high and low inverter power supply main index is the quality of the output voltage, output voltage quality by the following characteristics: to measure voltage stability fre

6、quency characteristics, characteristics and waveform characteristics, dynamic characteristics, voltage regulation characteristics. The inverter power supply can be widely applied, because it can realize the following functions: inverter power supply can convert alternating current, direct current Fr

7、equency conversion, inverter power supply for the user to convert the utility for the ac frequency; In disguised form, inverter power supply single-phase ac conversion can be for three-phase ac, also can two phase ac conversion for single-phase ac. Inverter power supply appeared in power electronic

8、technology rapid development of the 1960 s, inverter power supply is the development of the power electronics device and the development of the contact together, the development of the device drives the development of inverter power supply. The original inverter power supply using thyristor (SCR) as

9、 inverter switch device, called the thyristor inverter power supply. With semiconductor technology and variable flow technology development, since shut off the power electronic devices, have appeared out power transistor (GTR), can shut off the thyristor (GTO), power field effect transistors MOSFET)

10、, insulation (gate bipolar type transistor (IGBT), and so on. Since the shutoff device in the application of inverter can greatly improve the performance of the inverter power supply. Because the shutoff device, making the switch frequency of use has been improved, and thus output voltage inverter b

11、ridge low time harmonic frequency is higher, to make the output filter size, and was reduced to the adaptability of the nonlinear load can be increased. Nearly 10 years to develop the new power up control technology, is still in continuously improve and developing, make the performance of the invert

12、er power supply with a qualitative leap. This is based on the construction of the MOSFET inverter software programming design, use the core device for monolithic integrated circuit AT89S52 and power drive IR2110 integrated chips. This topic use monolithic integrated circuit AT89S52 through the progr

13、amming produce 50 Hz ac square-wave, must sine for inverter power output signal, provide to promote MOS power tube. This design USES the circuit topology for single-phase bridge inverter circuits, with two pieces of IR2110 drive the whole bridge circuit, every piece of drive up and down the MOSFET r

14、espectively, compression for 500 V. IR2110 used to drive the whole bridge to control the MOSFET inverter was used to break in the periphery of the circuit, IR2110 using diode and zener diodes prevent MOSFET and at the same time conduction and breakdown. The United States IR company produces the IR21

15、10 drive, with light coupling isolation and electromagnetic isolated advantages, is small and medium-sized power transformation in the device of choice for the driving device. The chip has drive current, quick speed, simple, can drive buffer circuit for bus voltage up to 500 V of the whole bridge of

16、 the input signal, the excellent properties of low requirements. Key words：Inverter power supply、 transistor（MOSFET）、Drive chip IR2110、AT89S52 SCM引 言奇数页、偶数页的页首有不同的要求，要自己设置现代电力电子技术的迅猛发展，使逆变电源广泛应用于各个领域，同时对逆变电源输出电压波形质量提出了越来越高的要求。逆变电源输出波形质量包括稳态精度高、动态性能好以及负载适应性强。这种结构简单动静态性能优良和负载适应性强的逆变电源，一直是研究者在逆变电源方面追求的

17、目标。逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的争业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到日前为止，它已经历了三个发展阶段。面前，逆变电源技术的核心部分是逆变器和控制部分，虽然自关断器件的产生简化了主电路，但是它的开关频率和功率仍受一定的限制，于是逆变电源输出波形正

18、弦度仍不是很理想。虽然在控制方法上已经趋于成熟，但是有些控制方法实现起来仍很困难。因此，对逆变电源技术进行深入地研究有很大的现实意义。第1章 绪论1.1电力电子技术发展概况现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电

19、子时代。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，这将是毫无疑问的。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。但在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导

20、体器件是硅二极管。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展。和晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制(PWM)方式。PWM控制技术在电力电子技术中占有十分重要的位置，随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）就是软开关的最基本形式。从理论上讲，采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提高效率。另外，它也使得开

21、关频率可以进一步提高，从而提高了电力电子装置的功率密度。1.2逆变技术的发展概括1956年，第一只晶闸管问世标志着电力点子学的诞生，在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅SCR电压型逆变器。1961年，W.McMurrav与B.Dedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。1962年，A.Kernick提出了“特定谐波消除法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等。20世纪70年代后期，功率场效应管开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器在高频进程中的一次重要进展。进入80年代，人们又在降低电力半导体器

22、件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管中应用最广的时电流垂直流动结构的器件（VDMOS）。它具有工作频率高（几十千赫至数百千赫，低压管可达兆赫）、开关损耗最小、安全工作区宽（几乎不存在二次击穿问题）、漏电流为负温度特性（易并联）、输入阻抗高等优点，是目前高频化电力电子技术赖以发展的主要器件之一。80年代电力电子器件最为引人注目的成就之一就是开发双极性复合器件。这种器件兼具有MOS器件和双极性器件的突出优点，是较为理想的高频、高压和大电流器件。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极性晶体管IGBT和MOS栅控晶

23、闸管MCT。另外，问世于80年代中期的高压功率集成电路(HVIC)和智能功率集成电路时电力电子技术的又一重要发展，现已展现出极其诱人的应用前景。它们是在制造过程中，将电力电子同微电子技术紧密结合的产物，是今后微型化电力电子装置的发展方向。总之，80年代飞速发展起来的场控器件和功率集成电路为实现逆变电源的高频化合高性能提供了物质基础。PWM软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子高频化得最佳途径，也是一项理论性最强的研究工作。它的研究对于你变性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。逆变技术虽然发展历史不长，

24、但发展迅速。随着电力电子功率器件向高压、大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能的方向发展，材料学科的超导材料和软磁材料的惊人发展速度以及智能化控制技术、信息网络技术的发展，相信不久的将来，逆变技术一定会进入一个新的发展时代。1.3逆变技术的应用随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域获得了越来越广泛的应用。下面列举的是其主要的应用：1) 光伏发电能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，许多国家采取了提高能源利率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源等措施，以达到可持续发展的目的。开发利用新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响

25、的技术之一，充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的直流电，通过逆变电路变换为交流电供给负载或并入电网。自70年代开始采用太阳能光伏技术以来，目前，世界光伏发电累积装机容量已经超过了500MW，国外己开发出并网发电专用逆变器及相应的配套组件，光伏发电技术日趋成熟。我国具有丰富的太阳能资源，太阳能光伏发电前景非常广阔，但目前国内的光伏发电技术与世界先进国家相比有不小的差距。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统列入国家科技攻关计划，企业界己经在深圳和北京分别建成了100KW, 17KW和7KW的光伏发电屋顶系

26、统，并成功的实现了并网发电。2002年我国太阳能光伏发电系统累积总装机容量己达到了13.1MW，光伏发电的潜在市场非常巨大。2)直流输电由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个发展方向。首先把交流电整流成高压直流电，再进行远距离输送，然后再逆变成交流电供给用电设备。3)家用电器在现代的家庭生活中，有不少的家用电器都用到了逆变技术，从而达到了节能和改善使用性能的目的。如变频空调、电磁灶、微波炉、大屏幕彩电等。4)变频电源世界上一些国家采用的是60Hz的市电，而我们国家采用的是50Hz的交流市电。我们在生产出口外销的家电、电动机等产品时，调试、检验、老化过程中都需要大量的6

27、0Hz的交流电源。采用逆变技术就可以设计出这种电源。5)不间断电源系统在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需要采用不间断电源UPS。UPS的主要构件有充电器和逆变器。在电网有电时，充电器为蓄电池充电，负载由电网供电；在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成交流电供给用电设备。6)交流电动机变频调速采用逆变技术将普通交流电网电压变化成电压、频率都可调的交流电，供给交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风机、水泵、机车牵引、电梯、空调、机床等许多场合。7)通信开关电源8)风力发电风力发电机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，并网或供给用电设备都不安全。可以将其整成

28、直流，然后再逆变成比较稳定的交流，就能安全的并到交流电网上或直接供给用电设备。9)有源滤波、无功功率补偿10)现代汽车汽车电器的发展潜力很大，照明、音响、防盗、自动控制等都将逐步使用节电效果明显的开关式电源-11)弧焊电源12)感应加热中频炉，高频炉、电磁灶等设备利用逆变技术产生交流电，从而产生交变磁场，金属在磁场中产生涡流而发热，从而达到加热的目的。1.4 电力电子开关器件电力电子开关器件也称为功率半导体器件(PowerSemiconductorDevice),是电力电子技术中用来进行高效电能形式变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。1958年世界上第一支晶闸管研制成功，使

29、半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极性大功率晶体管，开关速度更高的单极Mosfet场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入90年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路己经形成，产品性能和技术参数正在不断的改进和完

30、善。电力电子开关器件正在向着高频化、全控化、集成化和多功能化的方向发展。表1-1根据开关器件的导电类型对常见的半导体功率器件进行了分类。表1-1 电力电子器件的分类类型器件名称器件符号双极型普通晶闸管双向晶闸管可关断晶闸管 静电感应晶闸管 大功率晶闸管 绝缘门极晶体管SCRTRISGTOSITHGTRIGBT单极型 功率场效应晶体管静电感应晶体管MOSFETSIT复合型MOS控制晶体管MOS控制晶闸管 MGTMCT目前，逆变电路中己经被广泛应用的电力电子开关器件主要有SCR，GTO, GTR, VMOSFET和IGBT。由于它们的电流容量和开关速度各不相同，所以在逆变电路中的应用范围也不相同，

31、具体的性能比较见表1.2 。根据电力电子开关器件的发展和各种开关器件的性能比较结果，在将来一定时间内，在对于主电路开关器件的选择基本上可以遵循以下几个原则:1) 在几百KVA以上的大容量和超大容量的逆变电路中，开关器件的选择仍以GTO为主。如高压直流输电、大型电机驱动和大型化学电源，其容量都在几百KVA以上。但是在某些工频场合下有时也用SCR，其中SCR主要还用于整流式电源设备。2) 在几KVA到几百KVA直至上Mw的中大容量的逆变器中，开关器件将以IGBT为主，GTR由于其驱动功耗大和开关速度慢等不足，将逐步被IGBT和其他新型开关器件所取代。这个容量等级的逆变器应用在交流电动机变频调速、逆

32、变式弧焊电源、通信开关电源和有源滤波装置等场合中。3) 在几Kw以下的逆变电源中，开关器件以MOSFET为主。这类电源的容量密度高，噪声很小。如医用电源、照明、汽车、和家用电器等。表1-2 几种常用的电力电子开关器件性能比较器件指标GTOGTRMOSFETIGBT电压耐量（V）9000140010004500电流通量（A）90008007002500浪涌电流（A）10le3le5le5le驱动方式电流电流电压电压驱动能耗中等高低低开关频率(HZ)10k50k20m150k最高结温()125150200200抗幅射性能很差差中等中等制造工艺复杂复杂很复杂很复杂使用难较难很容易中等注：1)这里电压

33、耐量是指目前应用器件的最高值，而不是所以器件能达到的耐压值。2)这里电流通量是指单个器件或模块的最大额定通流量。一般器件在最大通流量时耐压都很低，远远达不到最高耐压值。3)这里的1e是指单只器件的最大额定通流量。4)这里的开关频率是指该类器件的极限工作频率。各种开关器件的实际工作频率一般都比这个值低的多。1.5本次设计的内容设计一个单相桥式逆变电路，要求驱动电路采用功率驱动器件IR2110,控制开关管的PWM信号由单片机AT89S52软件编程实现，同时用两片IR2110驱动全桥电路，每片分别驱动上下MOSFET，其耐压为500V。该系统由主电路、控制电路和驱动电路三部分组成，其中主电路的核心部

34、分为由二极管和电容、阻感性负载搭成的整流桥和由大功率开关器件MOSFET、阻感性负载等搭成的单相全桥电压型逆变电路，以单片机AT89S52编程构成该系统的控制电路，IR2110及外围构件构成MOSFET驱动电路。第2章 整体系统设计整体系统框图？2.1 整流电路结构 整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于

35、滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路。图2-1整流电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。整流电路的工作原理如下：AC为

36、正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成AC、D1、负载 、D3通电回路，在负载上形成上正下负的半波整洗电压，AC为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成AC、D2、负载 、D4通电回路，同样在负载上形成上正下负的另外半波的整流电压。2.2逆变电路结构和工作原理逆变电源是一种可控的能量转换器，它将电能由一种形式转换成为另一种形式。常用的逆变式电源，实质上是由三个转换器组成，即:交流一直流整流器；直流一交流逆变器以及交流一直流整流器。这三个转换器即构成逆变电源的主电路。逆变主

37、回路是逆变电源的核心。目前国产逆变电源推广中的主要问题是可靠性问题。而其中的主电路设计是否合理(包括结构设计、参数设计、器件选取)是影响整机可靠性的一个最主要的因素。国外逆变电源的可靠性较高，很主要的一个原因就是他们很重视主电路各个环节的设计。所以，主电路的选择与设计是本文的一个重要内容之一。正弦逆变电源的作用是将直流输入电压转变为正弦交流电压输出，根据其主电路储能元件的不同，一般可以分为电压型和电流型两大类。电压型主电路具有结构简单、重量轻、控制方便、响应快等特点，因而在中小功率的逆变系统中被广泛采用。常见的单相正弦逆变电路主要有半桥、全桥、推挽三种结构，其中以全桥逆变电路应用最为广泛。下面

38、以全桥逆变电路为例，对单相电压型逆变电源的结构和工作原理进行分析和介绍。图2-1所示为单相全桥逆变电路。全桥逆变电路可以认为是两个半桥逆变电路组成的，在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路，主要用于大容量场合。在相同的支流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥逆变电路的2倍。这意味着输出功率相同时，全桥逆变器的输出电流和通过开关元件的电流是半桥逆变电路的一半。在大功率场合，这是一个显著的优点，可以减少所需并联元件数。图2-2 单相全桥逆变电路结构图电压型全桥逆变电路的原理图如图2-1所示，它共有4个桥臂，和作为一对，和作为一对, 和的栅极信号互补，和的栅极信号也互补，但的基极信号不是比落

39、后,而是只落后。也就是说，、的栅极不是分别和、的栅极信号同相位，而是前移了。这样，输出电压就不再是正负各为的脉冲，而是正负各为的脉冲。MOSFET管(STW15NA50)内部自带的作为其各自的反馈二极管，它们是负载向直流侧反馈能量的通道，同时也起着使负载电流连续的作用。在设计时，我们以输出220VAC(有效值)，频率为50Hz，输出功率为500W,允许过载20%，即；允许失真度为3倍，即在电压峰值时的电流峰值允许最大为有效值的3倍。则。根据开关管的电流定额可以选用14. 6A, 500V的STW15NA50采用LC滤波，L可取工频电感5mH, C为工频电容20 。下面对其工作过程进行具体分析。

40、设在t1时刻前和导通，输出电压为U，t1时刻和栅极信号反向，截止，而因负载电感中的电流不能突变，不能立即导通，导通续流。因为和同时导通，所以输出电压为零。到t2时刻和栅极信号反向，截止，而不能立刻导通，导通续流，和构成电流通道，输出电压为-U。到负载电流过零并开始反向时，和截止，和开始导通，输出电压仍为-U。t3时刻和栅极信号再次反向，截止，而不能立刻导通，导通续流，输出电压再次为零。以后的过程和前面类似。图2-3 逆变电路等效模型2.3.功率开关器件的选择随着现代电力电子技术的飞速发展，各种新型使用高频化、全控型功率开关器件不断产生并得到飞速发展，特别是80年代以来，各种自关断器件不断涌现，

41、性能不断改善，容量也不断增大。而电力电子器件不仅是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力，因此电力电子器件的发展使电力电子变换电路及控制系统不断革新，使电力电子技术产生一次又一次的飞跃。目前，全控型电力电子器件的品种繁多，它们包括:可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(功率MOSFET)、绝缘门极双极性晶体管(IGBT )、静电感应晶体管(SIT)和MO晶闸管(MCT)等，但目前已经产业化和商品化的器件只有GTO、GTR、功率MOSFET和IGBT。在器件的选择过程中，既要考虑性能指标的要求，又要考虑到成本和可靠性要求。在这些器件中，工作频率最高的属于功率

42、MOSFET. GTO则在大容量换流器中占重要地位，而中等容量范围内IGBT明显占优。GTO为高电压、大电流器件，一般应用于200Kva以上的大中容量变流设备中(最大容量为5000V/4500A), 工作频率为1-2kHz。从某种意义上说，GTO在大中容量变流电路中是一种比较理想的功率开关器件。然而，GTO的关断增益较小，门极反向关断电流较大，通常约为被关断的最大阳极电流的1/3。为了限制和关断损耗又需要专门设置缓冲电路，这又增加了电路的复杂程度，而且造成部分电能的消耗，使其整体效率降低，另外，它需要快恢复二极管、无感电容和无感电阻。GTR为电流控制的双极性功率器件，其开关频率可达到10kHz

43、,最大容量一般为几十千伏安，它具有通态电流大、反向阻断电压高等优点，但由于其结构的限制，其耐压很难超过1500V，而且存在二次击穿问题，驱动也不方便，故其发展受到很大的限制。目前GTR呈现被淘汰的趋势。功率MOSFET是单极性器件，具有良好的电压控制能力和开关特性，其开关频率可达到500kHz以上，而且其驱动方便，不存在二次击穿的问题，因此近年来发展很快，在中小容量的变流装置和传动装置中应用较广。 2.4 驱动电路的设计在MOSFET的使用过程中，驱动电路的选择的合理性和设计是否正确是影响其推广使用问题之一。MOSFET的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及电流等参数均与门极驱动条件

44、密切相关。因此，设计合理、性能优越的驱动电路是很必要的。2.4.1 驱动器的基本要求一个理想的MOSFET驱动电路应具有以下基本的性能：1.动态驱动能力强,能为MOSFET栅极提供具有陡峭前后沿的驱动电压脉冲;2.能向MOSFET提供适当的正向栅压，一般取15V为宜;3.能向MOSFET提供足够的反向栅压，幅值一般为5-15V;4.有足够的输入输出电隔离能力且不影响驱动信号的正常传输;5.具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿;6.输入输出信号传输具有尽可能短的延时;7.电路简单，成本低;8. MOSFET损坏时，驱动电路中其他元件不会随之损坏;9.当MOSFET负载短路或过流时，能在MOSFET

45、允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现软关断;10.出现过流、短路等情况时能迅速发出过流保护信号供给控制电路进行处理。2.4.2驱动器的选择 控制与驱动电路的设计对整个电源系统起着至关重要的作用，它实现的功能包括:驱动信号的发生，数据的采集运算，数据的通信，逆变电路及主回路过电流保护以及控制算法的实现等。控制与驱动电路的设计都是以微控制器为核心的，它要在其他外围电路的配合下实现前面的所有功能，因此微控制器及其系统的设计是控制及驱动的关键.在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离

46、，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。 光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。 电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快（脉冲的前沿和后沿），原副边的绝缘强度高， 共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在50。而且信号的最小宽度又受磁化电流所限。脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。 凡是隔离驱动方式，每路驱动都要一组辅助电源，若是三相桥式变换器，则需要六组，而且还要互相悬浮，增加了电路的复杂性。随着驱动技术的不断成熟，已有多种集

47、成厚膜驱动器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065 等等，它们均采用的是光耦隔离，仍受上述缺点的限制。美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。2.4.3 IR2110功率IC简介及其在功率转换器中的应用1.IR2110内部结构和特点 IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚

48、3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9）515V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。 IR2110 的内部功能框图如图1 所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110 的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。图2-4 IR2110引出端排列图图2-5 功能原理框图2.4.4

49、 IR2110的典型应用1）在BUCK变换器中的应用图2-6为用IR2110的高端部分驱动BUCK变换器中的MOSFET。对自举电容的初始充电是由VCC电源通过电感和滤波电容进行的，为了确保对自举电容充电电压不超过VSS（20V）的限制，这个LC谐振电路的Q值应是足够小，如果Q值不是足够小，就应在自举二极管支路串联一个电阻或在自举电容上并联一个齐纳二极管。如果图2-6所示的电路工作在连续电流模式，电源对自举电容的充电就在续流二极管的导通期间进行。在电流不连续模式中，如果续流二极管的导通期间非常短，电源对自举电容的充电就通过滤波元件与负载来进行。图2-6 IR2110在BUCK变换器中的应用2）

50、IR2110驱动全桥变换器的电路图2-7所示为用两片IR2110驱动全桥变换器的电路。在该电路中，变换器低端与IR2110的关闭端加有电流检测电路。该电流检测电路的具体工作方法与变换器所要求的PWM的技术、电源精度要求、有无负电源等有关。电路的关闭功能是锁定的，这样可以保证在负载电流通过功率MOSFET内部二极管衰减后，功率MOSFET仍保持断开的状态，锁定只有在下个周期的开始才能复位。图2-7 两片IR2110驱动全桥变换器电路图2-7中的寄生电感，在快速开关时的高di/dt作用下 ，在功率MOSFET上会产生过冲电压，当然在电源线与功率管间加去耦电容可减小这种不良影响，但在电路布局时最好能

51、紧密排列。这些电感加上续流二极管的正向恢复效应还会引起电源线上电压的来回摆动（例如Us端上的电压可能会低于COM端的电压），图2.5中给出Us端上的电压可低到-4V，这是最低极限，如果超过这个极限，就会引起高端通道工作不稳定。IR2110的开通与关断传输延迟时间是接近匹配的（失配时间不大于10ns），开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25ns，这就保证了功率管在工作时不会发生重叠导通，为了更加安全起见，可在功率管的栅极上加一电阻，二极管网络（如图2.6中的R1 、D1 、R2 、D2 、 R3 、D3 、 R4 、D4），这些电阻、二极管网络可进一步延迟功率管的导通而对其关断没有影响，这就相

52、当于增加了死区时间。 IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，du/dt=±50V/ns,在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为10-20V，逻辑电源电压范围我5-15V，逻辑电源地电压偏移范围为-5V+5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流不小于2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的10端可以承受2A

53、的反向电流。2.5 光耦隔离绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是MOS 栅器件结构与双极性晶体管相结合的复合型功率开关器件，兼具功率MOSFET 的高速、高输入阻抗与双极性晶体管的低导通电阻性能，是高压、大电流功率变换应用中的主要功率半导体器件。驱动器作为IGBT 与控制器之间的接口电路，对系统的功耗和可靠性等方面有着极大的影响1。驱动器的主要功能是放大控制信号以及为IGBT提供保护；为了保证控制器安全可靠工作，工业标准要求在驱动器中实现控制器与功率部分的安全可靠隔离2。另外，在常用的半桥式电路中，由于上管源极为浮地，上、下管的驱动信号也要隔离才能保证电路正常工作。因此，隔离方式的设计直接关系到I

54、GBT 驱动器的可靠性。常用的隔离方式包括：电平移位、光耦隔离、光纤隔离和脉冲变压器隔离等，各自不同的特点决定了其适用于不同的应用场合。光耦隔离方式通常的隔离方式有光隔离和磁隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题。而采用脉冲变压器隔离方式（磁隔离）可以实现相对较高的隔离电压，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此，在高压IGBT 驱动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。传统的驱动用脉冲变压器通常要求控制脉冲占空比小于50%，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。还存在驱动波形

55、失真，特别是在驱动大功率IGBT时，由于IGBT 的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很难满足驱动要求。图2-8 光耦隔离电路2.6设计的主电路 通过对逆变电路的工作原理分析，选择单相全桥逆变电路作为本设计的电路拓扑；根据驱动电路的要求以及对驱动芯片的分析，选择IR2110作为此设计的驱动芯片。在本章的前几节详细的介绍了所选电路的工作原理、驱动电路的选择、典型应用及设计。根据设计具体要求设计的逆变电路如图2-8所示。（注：附录A部分可见细节图）图2-9 逆变电路全图2.7 参数计算设计时，主电路（交流直流交流），交流有效值220V，全桥整流输出的直流电压的平均值是，则再逆变得到的

56、交流电压的有效值是。根据可知，C的取值满足的条件。电容的容量为电容的耐压值为 实际可选取容量为30uF，耐压为350V的电容由于，流过负载电阻的电流平均值二极管承受的最大反向电压二极管流过的最大平均电流查表可知，可选用1N4004，根据开关管的电流定额可以选用14. 6A, 500V的STW15NA50第3章 MOSFET简介MOSFET作为电子电路一种很重要的元器件，在主板的开关电源中也有广泛应用。MOSFET与晶体三极管很类似，不过三极管是通过电流控制电流的器件，而MOSFET是通过电压控制。金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semicondu

57、ctor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET和三极管一样有三个极，但名称和三极管不一样，分别是：G(栅极)、S(源极)及D(漏极)。功率MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，输入电容CISS、输出电容COSS和反馈电容CRSS与极间电容的关系可表述为：功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。由于 CISS的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为VGS，开关管的开通时间TON包括开通延迟时间TD和上升时间TR两部分。开关管关断过程中，CISS通过ROFF放电，COSS由RL充电，COSS较大，VDS（T）上升较慢，随着VDS(T)上升较慢，随着VDS（T）的升高COSS迅速减小至接近于零时，VDS（T）再迅速上升。 根据以上