由单片机控制的单极性的单极性逆变输出电路本科论

1、 山东交通学院2014届毕业生毕业论文（设计）题目：由单片机控制的单极性的单极性输出逆变电路院(系)别 信息科学与电气工程学院 专 业 自 动 化 班 级 自 动 化 101 学 号 10081914 姓 名 孙 作 潇 指导教师 王 旭 光 二一四年 六 月原 创 声 明本人孙作潇郑重声明：所呈交的论文“由单片机控制的单极性的单极性输出逆变电路”，是本人在导师王旭光的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产

2、权，并愿为此承担一切法律责任。 论文作者(签字)： 日期： 2014 年 6 月 9 日 摘 要 当今社会不断发展，能源短缺成为人们关注的问题之一。风能，太阳能等可再生资源的利用得到了广泛的关注。于是，如何将蓄电池或者发电机所供给的直流或者交流电转化为设备所需的交流电成为逆变技术领域所需要解决的问题。本文首先对逆变电路系统的主电路设计进行了详细的介绍，包括整流电路，全桥逆变电路以及保护电路；其次对电路设计中涉及的控制电路及其各个芯片的功能做以介绍，包括保护电路以及程序设计；进而介绍了逆变过程中所采用的核心即SPWM技术；最后对各部分的驱动电路方案进行论证。本文在程序设计部分中给出了程序设计的流

3、程图，以及单片机的功能的一些简单介绍，并从硬件和软件两方面展开分析，对逆变电路的设计具有一定的参考价值。关键字：逆变电路，SPWM技术，控制电路Abstract The development of the society, the energy shortage has become one of the concerned problems. Wind energy, solar energy and other renewable resources widely attention by. So, how will the batteries or generators supply

4、DC or AC into the equipment required for the technical field of inverter AC becomes the question which needs to solve. Firstly,the design of the main circuitof the inverter circuitof the system is introduced in detail,including therectifier circuit,the full bridge inverter circuit and protection cir

5、cuit;then the functions of control circuit and the chip involved in circuit design to be introduced,including theprotection circuit andprogram design;then introduces thecore technology oftheSPWMinverterprocess;finallyto analyzedriving circuitscheme of each part.This papergives the flow chartof progr

6、am designin the programdesign,and the singlefunctionof some simple introduction,and launches theanalysis from two aspectsof hardware and software,has thecertain reference value to the design ofinverter circuit.Keywords:inverter,SPWM,control circuit目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc390432581 1 前言 PAGE

7、REF _Toc390432581 h 1 HYPERLINK l _Toc390432582 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc390432582 h 1 HYPERLINK l _Toc390432583 1.2 逆变技术概况和发展阶段 PAGEREF _Toc390432583 h 1 HYPERLINK l _Toc390432584 1.3 现代逆变技术的分类 PAGEREF _Toc390432584 h 2 HYPERLINK l _Toc390432585 1.4 本文研究的主要内容 PAGEREF _Toc390432585 h 2 HYPERLINK l _Toc3

8、90432586 2主电路及其工作原理 PAGEREF _Toc390432586 h 4 HYPERLINK l _Toc390432587 2.1 几种常见的逆变电路结构 PAGEREF _Toc390432587 h 4 HYPERLINK l _Toc390432588 2.1.1 推挽式逆变电路 PAGEREF _Toc390432588 h 4 HYPERLINK l _Toc390432589 半桥式逆变电路 PAGEREF _Toc390432589 h 5 HYPERLINK l _Toc390432590 单相全桥式逆变电路 PAGEREF _Toc390432590 h

9、6 HYPERLINK l _Toc390432591 2.1.4 三种电路的比较 PAGEREF _Toc390432591 h 6 HYPERLINK l _Toc390432592 2.2 主电路各器件的参数选定 PAGEREF _Toc390432592 h 7 HYPERLINK l _Toc390432593 2.3 滤波电路的设计以及参数选择 PAGEREF _Toc390432593 h 8 HYPERLINK l _Toc390432594 2.3.1 LC滤波电路的设计步骤 PAGEREF _Toc390432594 h 8 HYPERLINK l _Toc39043259

10、5 2.3.2 LC滤波电路的参数选择 PAGEREF _Toc390432595 h 9 HYPERLINK l _Toc390432596 3 驱动电路的设计 PAGEREF _Toc390432596 h 11 HYPERLINK l _Toc390432597 3.1 IGBT的简单介绍 PAGEREF _Toc390432597 h 11 HYPERLINK l _Toc390432598 3.1.1 IGBT的静态特性 PAGEREF _Toc390432598 h 11 HYPERLINK l _Toc390432599 3.1.2 IGBT的动态特性 PAGEREF _Toc3

11、90432599 h 12 HYPERLINK l _Toc390432600 3.2 场控器件的驱动 PAGEREF _Toc390432600 h 12 HYPERLINK l _Toc390432601 3.2.1 单管驱动电路 PAGEREF _Toc390432601 h 13 HYPERLINK l _Toc390432602 推挽式驱动电路 PAGEREF _Toc390432602 h 13 HYPERLINK l _Toc390432603 磁耦合驱动电路 PAGEREF _Toc390432603 h 14 HYPERLINK l _Toc390432604 3.3 场控元

12、器件的栅极保护 PAGEREF _Toc390432604 h 15 HYPERLINK l _Toc390432605 3.4 IR2110驱动器 PAGEREF _Toc390432605 h 15 HYPERLINK l _Toc390432606 3.4.1 IR2110引脚介绍 PAGEREF _Toc390432606 h 16 HYPERLINK l _Toc390432607 3.4.2 IR2110工作原理 PAGEREF _Toc390432607 h 17 HYPERLINK l _Toc390432608 3.5 6N137高速光耦合器 PAGEREF _Toc3904

13、32608 h 18 HYPERLINK l _Toc390432609 3.5.1 6N137内部结构及原理 PAGEREF _Toc390432609 h 18 HYPERLINK l _Toc390432610 3.5.2 6N137的使用方法 PAGEREF _Toc390432610 h 19 HYPERLINK l _Toc390432611 4 控制电路的设计 PAGEREF _Toc390432611 h 21 HYPERLINK l _Toc390432612 4.1 SPWM控制技术 PAGEREF _Toc390432612 h 21 HYPERLINK l _Toc39

14、0432613 4.1.1 SPWM基本原理 PAGEREF _Toc390432613 h 21 HYPERLINK l _Toc390432614 4.1.2 SPWM的实现方法 PAGEREF _Toc390432614 h 22 HYPERLINK l _Toc390432615 4.1.3 SPWM波的调制 PAGEREF _Toc390432615 h 25 HYPERLINK l _Toc390432616 4.1.4 调制时间的计算 PAGEREF _Toc390432616 h 25 HYPERLINK l _Toc390432617 4.2 80C51单片机的简单介绍 PA

15、GEREF _Toc390432617 h 26 HYPERLINK l _Toc390432618 4.2.1 单片机的特点及应用 PAGEREF _Toc390432618 h 26 HYPERLINK l _Toc390432619 4.2.2 80C51的基本结构 PAGEREF _Toc390432619 h 27 HYPERLINK l _Toc390432620 4.2.3 80C51定时器/计数器的工作方式 PAGEREF _Toc390432620 h 28 HYPERLINK l _Toc390432621 4.3 软件设计思路 PAGEREF _Toc390432621

16、h 29 HYPERLINK l _Toc390432622 4.3.1 SPWM脉冲列的控制 PAGEREF _Toc390432622 h 30 HYPERLINK l _Toc390432623 4.3.2 单片机查表法生成SPWM控制脉冲列 PAGEREF _Toc390432623 h 31 HYPERLINK l _Toc390432624 结 论 PAGEREF _Toc390432624 h 34 HYPERLINK l _Toc390432625 致 谢 PAGEREF _Toc390432625 h 35 HYPERLINK l _Toc390432626 参考文献 PAG

17、EREF _Toc390432626 h 361 前言1.1 课题背景现实状态下，人类努力实现着经济和社会的可持续发展，但是在有限资源和环境严格要求的双重制约下，经济发展问题成为重要话题，而更为突出的确实能源问题。主要体现在环境污染，能源短缺和温室效应等问题上。于是，人们开始试图通过科技进步，大规模的开发利用可再生洁净能源的途径来解决现实的困境。另一个原因就是由于太阳能和风能等能源具有储量大，普遍存在，利用经济和清洁环保等优点。其实，从二十世纪九十年代开始，太阳能发电和风力发电等可再生能源的利用技术已经成为世界能源电力市场的新星迅速发展起来了。光伏发电系统主要是由太阳电池阵列，充电控制器，蓄电

18、池以及逆变电路组成。其中逆变电路是系统中重要的组成部分，它完成直流电能到交流电源的变换，即将太阳能电池发出的直流电变换成用户要求的高质量定频定压正弦交流电能。在这个过程中，首先需要有合理的电路结构，还有严格的元器件赛选，这是保证逆变电源产品不受影响的必备条件。不近如此，逆变电路也应具备保护功能。除此之外，还要求系统能够适应较宽的直流电源输入范围，且其输出电压与频率保持稳定的状态，并且具有良好的负载变化动态响应性能。高性能的逆变电路应该具有对输出电压进行高要求的高频滤波处理。由此可见逆变电路技术设计了电力电子技术，计算机技术等多个学科，其相关产品工业应用和日常生活方面具有广阔的市场和应用前景。1

19、.2 逆变技术概况和发展阶段通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；反过来将直流电变成交流电的过程叫做逆变。电力电子技术从1956年晶闸管问世，电力电子学诞生，至今已有近60年的发展历城，目前已经基本行程比较完整的理论和学科体系，并成为一门独立的学科。尤其在最近二十年，电力电子学获得了突飞猛进的发展，被视为人类社会上的第二次电子革命，Bose教授认为：电力电子技术在世界范围的工业文明发展中所起的作用可能仅次于计算机。从21世纪开始，将对工业自动化，交通运输，城市供电，节能和环境污染控制等方面的发展。产生了巨大的推动作用。目前国内外研究得比较多的主要有 PID 控制、无差拍控制、双环反馈控制、重

20、复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。PID 控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，具有较快的动、静态响应特性数字 PID 算法也获得了应用。在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术，电力电子技术以及自动控制技术将成为三种最重要的技术。从而逆变器技术，将成为电力电子技术中最重要的组成部分之一。一般认为，逆变技术的发展可分为两个阶段：19561980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关期间以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主

21、，体积重量交大，逆变效率低，正弦波逆变器开始出现。1980年至今为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速期间为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量较小，逆变效率较高。正弦波逆变技术发展日趋完善。逆变技术经历了不同的阶段逐渐发展起来，从一开始通过直流电动机到交流电动机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六七十年代的晶闸管逆变技术，再到21世纪，逆变技术多采用了MOSFET，IGBT，GTO，IGCT，MCT等多钟先进且易于控制的功率器件，控制电路的发展也从模式集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。逆变电源在人们的日常生活中起到了不可或缺的作

22、用：变频空调，变频冰箱到航空领域的机载设备，也都用逆变电源的存在。毋庸置疑，随着计算机科学技术和各种新型功率器件的不断发展，逆变装置也讲想着体积更加小，效率更加高，性能指标更加优越的方向发展。1.3 现代逆变技术的分类现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式有下列几种：1）按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变，中频逆变和高频逆变。工频逆变一般是指5060Hz的逆变器；中频逆变的频率一般是400Hz到十几KHz；高频逆变器的频率则一般为十几KHz到MHz。这里需要说明的是，在现代高频开关电源领域，500KHz以上的才算是高频，但是在逆变领域，有事功率比较大，20K

23、Hz的超音频被认为是高频。2）按逆变器输出的相数，可分为单相逆变，三相逆变和多相逆变。3）按逆变器输出的能量去想，可分为有源逆变和无源逆变。4）按逆变主电路的形式，可分为单端式，推挽式，半桥式和全桥式。5）逆变开关器件的类型，可分为晶闸管逆变，晶体管逆变，场效应管逆变，IGBT逆变，等等。6）输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。7）接输出电压或者电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。8）按控制方式，可分为调频式逆变和调脉宽式逆变。9）按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变，定频硬开关式逆变和电频软开关式逆变。1.4 本文研究的主要内容本文主要是基于单片机控制的单极性

24、逆变电路的设计。实现直流到频率达到要求的交流的功能。结合现在市面上已有的各种芯片的控制功能对SPWM专用芯片电路进行电路设计，在此过程中用到了性能可靠的可编程单片微型机80C51进行各种控制以及保护的输出，提高了电路系统的可靠性。本文主要研究的内容如下：1）对基于SPWM技术的逆变电源进行了设计和实现并对比个中主电路的优缺点。2）应用单片机80C51完成基于SPWM技术的逆变电源的软硬件的设计。3）各种驱动电路的设计以及保护电路的设计。4）对文章的总结。2主电路及其工作原理2.1 几种常见的逆变电路结构逆变电路设计结构按照主电路拓扑结构分类，可分为推挽式逆变结构，半桥逆变结构，全桥逆变结构三种

25、。另外根据输出相数的不同还可以分为单相逆变气和三相逆变器。本文只介绍前三种。2.1.1 推挽式逆变电路图2.1推挽式结构电路Fig.2.1 push-pull circuit structure图2.2推挽电路波形Fig.2.2 push-pull circuit waveform图2.3推挽电路负载为感性负载Fig.2.3 push-pull circuit load of inductive load图2.1是单向推挽式逆变器的拓扑结构，该电路有两只功率开关器件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成，若交流电负载为纯阻性负债，当t1tt2时，VT1功率管加上驱动信号后导通，VT2截止，变压

26、器输出端感应出正电压；当t3tt4时，VT2功率管加上驱动信号后导通，VT1截止，变压器输出端输出负电压波形图如2-2所示，若负载为感性负载，则变压器内的电流波形连续，输出电压，电流如图2.3所示，推挽逆变器的输出只有两种状态+U和U两种状态，实际上是双极性调制，通过调节VT1和VT2的占空比来调节输出电压。2.1.2半桥式逆变电路图2.4半桥式逆变电路结构Fig.2.4 half bridge inverter circuit structure 半桥式逆变电路的拓扑结构如图2.4所示，两只串联的电容中点作为参考点，当开关原件VT1导通时，电容C1上的能量释放到负载上，而当VT2导通时，电容

27、C2上的能量释放到负载上，VT1和VT2轮流导通时在负载两端获得了交流电能，半桥式逆变电路在功率开关原件不导通时承受直流电源电压Ud，由于电容C1和C2两端的电压均为直流电源电压的一半，因此功率原件VT1和VT2所承受的电流为二倍的干路电流。2.1.3单相全桥式逆变电路图2.5单相全桥式逆变电路Fig.2.5 single phase full bridge inverter circuit单相全桥逆变电路又称为“H桥”电路，图2-5为单相全桥逆变电路的拓扑结构，该电路有两个半桥电路组成，我们以方波为例说明单相全桥电路的工作原理。工作时，Q1和Q2通断互补，Q3和Q4通断互补，其控制规律为：在

28、输入电压正半周，Q1导通Q2关断，Q3和Q4交替通断，负载电流比电压滞后。在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，Q1和Q4导通时，输出电压U等于电源电压。Q4关断时，负载电流通过Q1和D2续流。这时，U=0。负载电流为负的区间，Q1和Q4仍然导通。电流为负，实际上电流从D1和D3流过，仍有输出电压等于电源电压。Q4关断Q3开通后，电流从Q3和D1续流。输出电压为0。输出电压U总可得到电源电压和零两种电平。在输出电压U为负半周，Q2保持导通，Q1保持关断，Q3和Q4交替通断。U可得到负的电源电压和零两种电平。根据三角波和正弦波的相对极性的不同，正弦波脉宽调制可以分为

29、单极性和双极性SPWM两种控制。2.1.4 三种电路的比较推挽式方波逆变器的电路拓扑结构简单，另个功率管可以公地驱动，但功率管承受开关电压为二倍的直流电压，适合应用于直流母线电压较低的场合。另外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。半桥逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，不会产生磁偏或者直流分量，非常适合后级带动变压器负载，另外，当该电路工作在工频时，电容必须选取较大的容量以控制两个电容器电压的均衡，使电路的成本上升，因此该电路主要应用于高频逆变场合。全桥逆变电路共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。其输出电压U的波形与半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍。其在

30、直流电压和负载都都相同的情况下，其输出电流的波形也和半桥输出电流波形相同，仅仅幅值增加一倍。关于无功能量的变换，对于半桥逆变电路的分析也完全适合于全桥逆变电路。因此，全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。鉴于上述分析，本文逆变电路设计采用全桥逆变电路。2.2 主电路各器件的参数选定（1）假设本文所要求的系统为1KVA的额定容量和高频SPWM调制方式,故逆变主功率器件选择绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。IGBT综合了MOSFET和GTR的优点,具有开关速度快,输入阻抗高,驱动功率低,通流能力强的特点,目前IGBT的电流电压等级已达1800A/1200V,关断时问己缩短到40ns,工作频率可达4

31、0kHz,擎住现象得到改善,安全工作区域扩大。 系统的额定容量为1KVA,额定输入直流电压为22OV,考虑电压波动及开关电流引起的电压尖峰等因素,取耐压值Vcer为600V系列的IGBT功率管即可。由于蓄电池直流电压选择为220V,则放电时的最低工作电压为220v,考虑采用SPWM控制时的调制深度及基波含量,变压器原边电压选择为130V,副边电压选择为22OV,所以变压器原边额定电为39A,其峰值电流为55A,考虑负载类型及允许的过载倍数, IGBT的额定电流值按1.5一3倍额定选择,我们选用电压电流等级为600V/150A的日本三菱公司的CM150DY一12型IGBT。 （2）续流二极管作用

32、为：续流二极管都是并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的其它原件的安全。肖特基二极管和快恢复二极管是常用的两种整流二极管。但肖特基二极管的反向漏电流较大并且反向耐压较低，所以本文选用的是快恢复二极管。（3）熔断器的作用：熔断器的作用：熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统喝控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。熔

33、断器是一种简单而有效的保护电器。在电路中主要是起短路保护作用。它主要是有熔体和安装熔体的绝缘管当电路发生故障时，熔断器瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。（4）过电流保护的接线方式是指保护中电流互感器与继电器的连接方式。正确地选择保护的接线方式，对保护的技术、经济性能都有很大影响。其基本接线方式有三种：三相三继电器的完全星形接线方式，两相两继电器的不完全星形接线方式，两相一继电器的两相电流差接线方式。其中三相三继电器完全星形接线方式，对各种形式的短路都起保护作用，且灵敏度高，而两相两继电器不完全星形接线和两相一继电器的两相电流差接线方式，只能对三相短路和各种相间短路起保护作用，当在没有装电流互感

34、器的一相发生短路时，保护不会动作。 图2.6 过流保护电路装置图Fig.2.6 over-current protection circuit devices2.3 滤波电路的设计以及参数选择2.3.1 LC滤波电路的设计步骤一般而言，逆变输出的LC滤波器设计的步骤大致如下：（1）明确输出所需要的最高输出频率与不需要的最低次高频谐波频率，在二者之间明确一个频率可作为滤波转折频率，这一频率必须在最大设计负载下，基本不影响前者幅度，相位，尽可能衰减后者，（衰减倍数可以按照滤波后单次谐波含量等要求设计），一般可以将转折频率选取在需要输出的最高频率和最低谐波频率的对数中点，还可以依据应用要求（如滤波器

35、尺寸）适当偏移这一频率。（2）将输出视为理想电压源，根据逆变开关电路的具体工作模式，开关频率以及滤波电感电容高频电流纹波要求，确定滤波电感的电感量，一般开关频率越高，滤波电感量越大。各种不同的工作模式下逆变开关电路输出电流纹波情况是不一致的。滤波器参数与逆变器特性，控制性能密切相关，一般而言，只要是乘积一致，滤波电感相对较大和滤波电容相对较大对滤波器幅频相频等稳定特性影响是一致的，但对系统瞬态特性，电气应力，损耗等效应影响不一致，必须进行严格的设计。在实际应用中，LC滤波器往往考虑诸如全桥逆变电路共模干扰抑制等要求。2.3.2 LC滤波电路的参数选择图2.7理想滤波器拓扑结构Fig.2.7 i

36、deal filter topology 逆变开关电路的直接输出总是具有非常丰富的高次谐波成分，而负载需要的电源频谱范围则要一般窄的多。在SPWM技术中，开关电路使用面积等效原理/电压平均值模型来获取所需要输出的低频/基波成分，但消除响应多余高次谐波的任务就必须由滤波器来完成。大部分高频开关工作的逆变器都使用滤波器来获得接近基准的理想输出。逆变器对输出滤波的要求呈低通特性，尽可能不影响需要的频率成分的幅值，相位。此外的谐波成分要尽量衰减，理论上应与逆变器的其他部分一样不损耗能量等等。显然，满足上面要求的最简单的滤波器结构是LC二阶低通滤波器，如图2.7。以纯电阻负载为例，容易得到起传递函数为：

37、W(S)= （2.1）滤波器特征阻抗为：Z= （2.2） 谐振角频率为： （2.3）谐振频率为： （2.4）品质因数定义为：Q= （2.5）那么滤波器与电阻负载的传递函数为：W(S)= （2.6）从式2.6可以分析滤波器的幅度-频率特性以及相位-频率特性，在品质因数不是特别低的情况下，以谐振角频率为转折频率，对于角频率远小于转折频率的输入信号，滤波器对其幅度的增益为0dB，也就是不衰减也不放大，滤波后其相位移为零；对于频率远高于转折频率的输入信号，滤波器按40dB每十倍频（相对转折频率）进行幅度衰减，并且相移约一百八十度即基本上反相。所以，为了活的好的滤波性能，一般需要滤波器的转折频率远大于输

38、出基波频率，同时远小于开关频率。负载电阻也可以看成是多滤波原件LC谐振的并联阻尼，负载越重负载电阻越小，品质因数越低，阻尼越大，在输出负载很小甚至空载的情况下，在谐振转折频率附近频率的输入型号都会得到一个大的增益，当转折频率过于接近输出需要的最高频率分量或者开关频率时，都容易引起控制的不稳定性。3 驱动电路的设计3.1 IGBT的简单介绍 IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT是电压控

39、制型器件，在它的栅极发射极间施加十几V的直流电压，只有A级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。3.1.1 IGBT的静态特性IGBT是一种电压控制型器件，通过改变栅极G和发射极E之间的电压来控

40、制集电极电流I的大小，栅极也没有电流，不可能有类似普通双极性晶体管的输入特性，反映控制特性曲线称为转移特性曲线，如图（3.1）所示。栅极-发射极之间的电压较小时没有集电极电流；当它们之间的电压达到开启电压时，开始出现集电极电流，随着栅极-发射极之间的电压的增加，集电极电流也开始增大。因此，IGBT也是一个电压控制型器件。这一点和MOSFET类似。图3.1 IGBT的转移特性Fig.3.1 transfer characteristics of IGBT图3.2 IGBT的输出特性曲线Fig3.2 IGBT output characteristic curve反映集电极电流与集电极-发射极间电

41、压关系的曲线为输出特性曲线，是以曲线族，如果4.2所示。曲线族中每条曲线由一个固定的电压值所确定。在这个电压值很小时，电流随着电压的增加而迅速上升，这个区域称为线性导电区。当Uce增大到一定的值，Ic不再跟随Uce的变化而基本保持恒定，该区域称为恒流饱和区；如果继续增大Uce的值，使电压超过了期间所承受能力。则曲线进入击穿区。电流增大，如图3.2中曲线弯曲部分。3.1.2 IGBT的动态特性IGBT在开通和关断过程中集电极电流Ic与栅极电压也存在着一定的延时。从栅极-发射极之间电压Uce上升到稳态电压值的百分之十到集电极电流上升到稳态值电流的百分之十对应的时间称为开通延迟时间Td。这段延迟时间

42、的产生机制与MOSFET相似。从Ic上升到到稳态值的百分之十到百分之九十所对应的时间称为上升时间Tr。整个开通过程对应的时间为开通时间Ton，Ton=Td+Tr。欲使IGBT关断，需要驱动信号源的电压下降到零或者负值，但由于G-E之间输入电容的作用，G-E之间的电压Uce不能突跳而是逐渐下降，下降到一定程度时集电极电流才开始下降。把从Uce下降到原来的百分之九十到Ic下降到稳态值的百分之九十所对应的时间称为关断延迟时间Ts；Ic从稳态值的百分之九十下降到稳态值的百分之十对应的时间称为下降时间Tf。关断时间Toff=Ts+Tf。3.2 场控器件的驱动对于场控器件的驱动，由于栅极和源极之间是绝缘的

43、，所以在期间导通和关断的稳定状态都不可能出现栅极电流，需要的仅仅是一个栅极电压。但是期间的各个电极之间都存在这电容，从驱动的输入端看相当于一个电容网络，进而驱动电压的变化将影响电容充放电电流。充放电时间常数影响栅极电压变化的速率，进而影响期间的开关速度，时间常数越大，充放电时间就越长。为了减少时间常数，要求驱动回路的电阻尽可能的小。这里应当注意的是：欲使场控器件关断必须为栅极-源极之间提供放电电路或者在栅极源极之间加反电压，不能简单的认为撤掉栅极-源极之间的正向驱动电压而使他们之间开路。3.2.1 单管驱动电路图3.3所示为简单的单管驱动电路，Us为驱动信号源。Us为正时晶体管VT导通，其发射

44、极电流为被驱动的MOSFET的输入电容充电，是栅极电位迅速上升，MOSFET开通。Us为0时VT截止，MOSFET栅极-源极之间储存的电荷经过VD和信号源放电，使MOSFET关断。图3.3单管驱动电路Fig.3.3 single tube driving circuit3.2.2推挽式驱动电路图3.4为推挽式驱动电路，当Us为正时晶体管VT1导通VT2截至，VT1发射极电流为被驱动的MOSFET的输入电容充电，MOSFET开通。Us为0时晶体管VT2导通VT1截止，MOSFET的输入电容存储的电荷通过VT2迅速释放，使MOSFET关断。图3.4 推挽式驱动电路Fig.3.4 push-pull

45、 driving circuit3.2.3磁耦合驱动电路在有些场合，需要在驱动电路和主电路之间实行电气隔离，如多个电力电子器件组成桥式连接时，控制电路共地而各个桥臂开通器件的电位各不相等，电气隔离是必需的。隔离的方法多采用脉冲变压器实现磁耦合或者通过光电器件实现光电耦合。图3.5是一种简单的磁耦合驱动电路。晶体管VT导通时脉冲变压器初级线圈中的电流上升，使得次级线圈感应出上正下负的电压。该电压通过二极管VD1为MOSFET的输入电容充电，使MOSFET导通。VT关断时脉冲变压器的初级线圈中的电流下降，次级线圈中感应出上负下正的电压，使MOSFET的输入电容反相充电，栅极-源极之间的电压由正变负

46、，MOSFET关断。图3.5中VD2为续流二极管，为晶体管关断后线圈中的电流提供通路。该二极管的导通压降很小，会使线圈电流经过很长的时间才能衰减到零。为加快电流的衰减速度，可在续流回路中串联一个大小合适的电阻或者一定数值的稳压管。做上述处理后，电流的衰减速度会加快，在次级线圈中感应电流电压也会加大。能够缩短MOSFET的关断时间。图3.5 简单的磁耦合驱动电路Fig.3.5 simple magnetic coupling driving circuit3.3 场控元器件的栅极保护 一般来说场控元器件的栅极有一层氧化物绝缘层，所以栅极-源极之间有很高的输入电阻，而这一绝缘层有很是脆弱的，只能承

47、受几十伏的电压。由于绝缘性能好，栅极所聚集的静电没有释放的途径，长期积累可能产生较高的电压而使绝缘层击穿而损害期间。所以必须对场控元器件的栅极-源极之间采取专门的保护措施。其方法是：（1）栅极驱动电路的输出电压不超过正负20伏；（2）在栅极和源极之间并联一定数量的电阻，为聚集的静电电荷提供释放通路。（3）在栅极和源极之间并联稳压二极管支路，该支路有两个反相串联的稳压二极管组成，其稳压值分别限制栅-源之间的正向电压和反相电压。（4）在存储和运输时将场控元器件置于金属或其他导电材料制成的容器中或将器件的引脚短路，防止静电的产生和积累。3.4 IR2110驱动器IR2110是美国国际整流器公司利用自

48、身独有的高压集成电路及无门锁CMOS 技术，于1990 年前后开发并投放市场的大功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小(DIP-14、SOIC-16)，集成度高(可驱动同一桥臂两路)，响应快( ton /tof = 120/94 n s )，偏值电压高( td=1/100000; %td为时间间隔 t=0:td:10; m=0.95; %调制度为0.95 y1=m*sin(pi/10*t); %正弦波函数F1=50HZ y2=abs(sawtooth(20*pi*t,0.5); %三角板函数F2=10KHZ pl

49、ot(t,y1,t,y2) %将两个函数同时显示 gridMATLAB得到的仿真图4.4：图 4.4Fig.4.44.2 80C51单片机的简单介绍MCS51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多钟型号，如8051/8751/8031、8052/8752/8032、80C51/87C51/80C31、80C52/87C52/80C32等等。该系列单片机的生产工艺有两种。一是早期的的HMOS工艺，二是现在的CHMOS工艺。CHMOS工艺既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。80C51是MCS51系列单片机中CHMOS工艺的一个典型品种。另

50、外以80C51为基核开发出的CHMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。4.2.1 单片机的特点及应用单片机在一块芯片上集成了一台微型计算机所需要的基本部件。它在硬件结构、指令功能等方面均有独到之处，其特点如下： 性价比高。单片机性能稳定，功能强大，价格便宜。 体积小，集成度高、可靠性高。单片机将一台计算机所需要的基本部件集成在一块芯片上，减少了各部件间的连线，能大大地提高运行速度和抗干扰能力。 控制功能强。为了，满足工业控制的需要，单片机有很强的位处理功能。在其他的逻辑控制功能等方面，也都优于一般的8位微处理。单片机系统配置灵活、方便。由于单片机带有一定数量的接口电路，容易构成各种规模的应

51、用系统。 单片机类型多。单从ROM类型来说，单片机的只读存储器有ROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory等多种，可以根据实际需要进行选择。 由于单片机具有如上所述的特点，因此在工业生产、日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用，单片机的主要应用领域有：工业控制，如在工业生产过程中参数（如温度、压力、流量、液位等）的控制，数据处理功能于一体，如转速测试仪、噪声测试仪、振动测试仪及电子秤等。计算机网络与通信，单片机上有并行I/O接口角儿串联I/0接口，可用于通信接口，如单片机控制的自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、遥测遥控系统等。家用电器，由于单片机体积小，控制能力强，且片内与

52、定时器/计数器，所以广泛应用于家用设备中。如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。4.2.2 80C51的基本结构80C51内部结构图如图4.5图4.5Figure 4.580C51单片机基本型包含：一、CPU系统（1）8位CPU，含布尔处理器；（2）时钟电路；（3）总线控制。二、存储器系统（1）4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash,可外扩至64KB）；（2）128B的数据存储器（RAM，可在外扩64KB）；（3）特殊功能寄存器SFR.三、I/O口和其他功能单元（1）4个并行I/O口；（2）2个16位定时/计数器；（3）1个全双工异步串行口（UART）；（4）中断系统（5个中断源、2

53、个优先级）。图4.6为80C51的外部引脚分布图4.6Figure 4.64.2.3 80C51定时器/计数器的工作方式80C51单片机定时/计数器T0有4种工作方式（方式0、1、2、3），T1有三种工作方式。前三种工作方式，T0和T1除了使用的寄存器、有关控制位、标志位不同外，其他操作完全相同。下面以定时/计数器T0为例进行介绍。一、方式0方式0为13位计数，由TL0的低五位和TH0的8位组成。TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出时，置位TCO中的TF0标志，向CPU发出中断请求。C/T=0时为定时器模式，若t为定时时间，N为计数值，为机器周期，则N=t/通常，在定时/计数器的应用中

54、要求根据计数个数求出送入TH1、TL1和TH0、TL0中的计数初值。计数初值公式为：X=-N=8192-N式中X为计数初值。另外，定时器的初值还可以采用计数个数直接取补法获得。二、方式1工作方式1与方式0基本相同，它们的差别仅在于计数的位数不同。方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成16位加1计数器。计数个数与初值的关系为：X=-N=65536-N可见，初值在655350范围时，计数范围为：165536。计数初值要分解成2个字节分别送入TH0和TL0（对于T1则为TH1和TL1）中。三、方式2方式2为自动重装初值的8位技术方式。THO、TL0均装入8位初值。当TL

55、0计满溢出时，由硬件使TF0置1，向CPU发出中断请求，并将TH0中的计数初值自动送入TL0。TL0从初值重新进行加1计数。周而复始，直至TR0=0才会停止。计数个数与计数初值的关系为X=-N可见，初值在2550范围时，计数范围为1256。三、方式3方式3只适合定时/计数器T0。这里就不再详细介绍。4.3 软件设计思路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，使逆变器输出度按照正弦规律变化的电压脉冲阵列。按照这个原理，在利用单片机实现SPWM波形输出时，一般是将正弦调制波输入A/D模块中，归一化后，可以获得按正弦规律变化的PWM波调制度。将事先

56、设计好的SPWM波调制度送入寄存器，通过不断地更新调制度数据输出幅值不变调制波随正弦变化的SPWM波形序列。根据正弦波脉宽调制（SPWM）的产生原理，设，将正弦函数一周分为2p个等分，即正半周分为p等分，设等效矩形幅度为，脉冲宽度为，则： （4.7）那么第m个时间段中，矩形脉冲电压作用时间对应的相位宽度为。故 （4.8）而每个区间的相角宽度为/p，则占空比系数Dm为： （4.9）式中，。于是可以获得四分之一个周期内每个小区间的相角宽度，脉宽和占空比的数值。再利用正弦函数的奇偶性，得到整个周期每个小区间的、的值。将它列成一个表格，存放在ROM（或RAM）中。 本设计要求输出电压频率为50Hz，即

57、要求最终输出SPWM的频率为50Hz。根据面积等效理论，我们将正弦半波分成了200份，则单脉冲序列的频率为F=20KHz。程序设计中，设置每10个占空比相同的脉冲序列为一组，所以在正弦半波周期内，共连续输出20组占空比不同的波形序列，其占空比应按照正弦规律变化。正弦波负半轴周期应与此相同。4.3.1 SPWM脉冲列的控制如图5.7所示，利用80C51单片机内定时器T0对脉宽定时，定时器T1对脉冲总间隔2定时。定时到，改变1次并行口（P1.7）的电平状态，就可以生成一个SPWM控制脉冲。下一个脉冲的生成方法相同，只不过脉宽按正弦规律在变化。而SPWM脉冲列的转换周期等于正弦调制信号的周期。图4.7Figure 4.4 为了实现对定时器的控制，需根据、2算出对定时器T0、T1计数器的初值。设T0、T1均为16位定时方式，晶振频率为6MHz，则脉宽定时器T0的初值为：X0= （4.10）每个脉冲总间隔为2时，定时器的初值为：X1= （4.11）4.3.2 单片机查表法生成SPWM控制脉冲列所谓查表法，即先离线算出给定的不同正弦频率（=1、2、50Hz），在每个正弦周期内的N个SPWM脉冲的宽度总间隔2对应定时器T0和T1的初值X0和X1，并按时间或者相位递增的顺序依次存于扩展的EPROM中。运行时，单片机只需要根据输入的给定频率，从内