基于单片机地单相电机调速系统--电源电路地设计教案

PAGEV本科毕业设计论文论文题目：基于单片机的单相电机调速系统——电源电路的设计作者姓名指导教师所在院系专业班级提交日期____2009年5月

基于单片机的单相电机调速系统——电源电路摘要 本文简单介绍了单相电机的工作原理及变频调速原理，同时详细介绍了开关电源的工作原理。基于这些理论设计了相应的电源电路，将200AC电源整流后提供给单片机，并设计了一开关电源作为控制电路和单片机及外围电路的电源。另外根据单相电机的参数，选择合适的驱动芯片和驱动管，实现对单相电机的驱动。本文作者还完成了原理图和PCB板的设计以及硬件调试。本系统成本不高，采用了脉宽调制技术组成的PWM交-直-交变频装置。关键字：单相电机，变频调速，开关电源，驱动

目录摘要 IABSTRACT II目录 III图例 VI第1章 绪论 11.1 课题研究的背景 11.2 国内外研究现状 21.3 课题研究内容 41.4 课题研究意义 51.5 设计方案 6第2章 开关电源简介 92.1 开关电源简介 92.2 开关电源的原理 92.3 开关电源的三个条件 102.4 开关电源的种类 102.4.1DC/DC变换 102.4.2AC/DC变换 112.5 开关电源的选用 122.5.1输出电流的选择 122.5.2接地 122.5.3保护电路 122.6 开关电源电器可靠性设计 132.6.1供电方式的选择 132.6.2电路拓扑的选择 132.6.3控制策略的选择 132.6.4元器件的选择 14第3章 电源电路的设计与分析 163.1 全波整流滤波输入电路 163.1.1桥式整流电路 163.1.2滤波电容的选取 173.2 开关电源电路 183.2.1IR2153芯片简介 193.2.2TL431简介 213.2.3LM7805简介 243.3 输出整流滤波电路 25第4章 驱动电路的设计与分析 264.1 驱动电路原理图 264.2 功率驱动单元元器件的选取 274.2.1功率器件 274.2.2接口驱动芯片的选取 284.3 集成驱动芯片IR2130介绍 294.3.1IR2130驱动芯片的特点 304.3.2IR2130内部结构及其工作原理 314.3.3桥式MOSFET驱动电路 324.4 电机驱动电路 334.3 保护电路分析 34第5章 PCB板的设计 355.1 元器件的布局 355.2 电源的设计 365.3 线路的设计 365.3 PCB图 37第6章 硬件调试 396.1 调试准备工作 396.2 调试工作 396.3 调试结果 40全文总结 44参考文献 45附录实物图 47致谢 48图例TOC\t"正文文本,1"\h22893图1-1单相电机变频调速原理图 720461图3-1全波整流滤波电路 1629232图3-2开关电源电路 1917936图3-3IR2153引脚排列图 1930373图3-4IR2153的内部简化功能框图 213003图3-5TL431封装形式 225549图3-6TL431功能模块示意图 229001图3-7改变控制极电压得到阴极电压的实验电路和数据 239201图3-8TL431阴极伏安特性图 2425681图4-1功率驱动主电路 2724502图4-2IR2130内部结构图 3027115图4-3桥式MOSFET驱动电路 3278图4-4电机驱动电路 3324463图5-1PCB图 3822075图6-1PWM4和PWM5的波形图 4022075图6-2Q1的1,3引脚间的波形图 4122075图6-3U3-3波形图 4122075图6-4LO1与HO1输出波形图 4222075图6-5M1与M2输出波形图 4222075图6-6IALL输出波形图 43PAGE42绪论课题研究的背景电机是一种进行机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量这个转换的功能来看，电机可分为两大类。第一类是发电机，它是把机械能转换为电能的装置，通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后通过发电机转换电能，经输、配电网络送往各工矿企业、城市、家庭等各种用电场合。第二类是电动机，它把电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和其他装置，以满足人类的不同需求[1]。三相电机和单相电机原理基本相同，都是电磁原理的应用。只是三相电机的磁场为圆形，可以自启动，单相电机的磁场为脉振磁场，需要增加电容或电阻以及启动线圈使之形成椭圆形磁场，才能启动。另外的区别是使用的电源不同。通常家庭以及没有三相电源的地方使用单相电机，功率通常比较小，通常小于750W，工业和功率较大场所都选用三相电机。三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关[2]。单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来[3],[4]。随着电力电子技术、微控制器及控制理论的快速发展,近年来交流电机调速技术取得了突飞猛进的进步。尤其是随着一些高性能的交流调速方法如“矢量控制技术”、“直接转矩控制技术”及“同步机自控式”等方法的出现,交流电机调速更是获得了几乎可以和直流调速相媲美的性能。由于交流电机结构简单、价格低廉等自身的优点,交流调速迅速兴起,彻底打破了直流调速占调速领域主导地位的格局,调速系统向着交流化、高频化、网络化的方向发展[5]。交流调速系统一般包括以下几部分的内容:异步电动机变压调速系统、异步电动机变频调速系统、绕线转子异步电动机双馈调速系统、同步电动机变频调速系统。目前变频调速是交流调速发展的主流,已成为电力传动领域研究的一个热点。国内外研究现状随着我国电子、电气技术的迅猛发展、人们生活水平的不断提高，对电机的性能提出了许多新的更高的要求，出现了各种各样的电器产品，在各种电器产品中使用着各种各样的电动机。目前在工业发达国家，每个家庭平均使用着50～100台小功率电动机。据美国能源部报告，美国电动机电力消耗中，小功率电动机站64%。从世界销售市场统计，各类电机年总销售额为300亿美元，小功率电动机占了1/3。小功率电动机是我国机电产品出口的主要项目之一，近年来发展很快，具有良好的前景[6]。目前世界各国小功率电动机的产量逐年增加，其增长率大于大中型电机。我国加入世贸组织后，已经融入全球经济，形成国际化市场的竞争环境，即带来了新的机遇又带来新的挑战。在国际市场上，电机是机电产品的重要组成部分，每年的世界贸易额约为35亿美元。再由于工业发达国家对于原材料、工时耗用多而获利少的普通电机产品不愿意制造，纷纷转向发展中国家加工和购买，因此国际市场上对电机的需求呈上升趋势。现在面对国内外广阔的市场前景，国内生产厂家投入大量人力、财力来进行中小功率电动机的研究与开发，是很有必要的。近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[7],[8]。我国电气传动产业始建于1954年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来天津电气传动设计研究所的前身。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。

国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重目前国内主要的产品状况如下：IGBT或BJT

PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比重。负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。随着我国经济的飞速发展，交流调速技术得到了广泛的应用，通用变频器年销售额已超过50亿。国家“十五”期间，许多大型项目需要交流调速传动。例如，西气东输的大型压缩机传动。大型船舶电力推进，大型热轧和冷轧交流传动，高速铁路牵引传动，以及风机水泵高压变频节能传动等等。目前我国电动机调速技术的特点是以低压、小容量调速对象为主，高压、高效的变频调速装置以进口为主。面对节能、改善工艺的迫切需求和巨大的市场前景，国产高压大功率变频器的产品生产还基本上刚刚起步。然而，困难与希望同在，挑战与机遇共存。国际上具有生产、研制新型大功率变频调速装置能力的均是世界知名的大电工电气公司，由于他们在电力电子技术发展的过程中一直是按部就班进行的，形成了从功率半导体器件到整机生产的全套工业环节，市场惯性和企业本身的庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品。而我国是一个新兴的发展中国家，尽管在老技术方面有一些投资，但投资相对较小，包袱不大，可以马上转入最新技术的开发和利用，借鉴别人的经验，跨过他们已经走过的路程。在最新领域取得研究成果的基础上尽快产业化，可大大缩短与先进国家的差距，在某些方面甚至还可以超过他们。从目前看，大容量交流电机调速技术应用的时机业已成熟，国内只要在体制改革、生产管理和经营决策方面走上轨道，其发展前途不可限量[9],[10]。课题研究内容目前，单相电机调速大多通过降压来实现，本课题希望通过单片机系统实现单相交流电机的V/F调速功能，从而使系统的性能得到显著的提高。课题根据对单相电机调速系统的要求，设计相应的电源及驱动电路。（1）将200AC电源整流后提供给单相电机，并设计一开关电源，作为控制电路和单片机及外围电路的电源；（2）新型MOSFET桥式电路驱动芯片的选型随着集成电路制造技术的发展，当前出现了许多用于中小型电机驱动的性能优良的集成电路产品，对于中小型电机控制电路的设计人员来说，选用性能参数都比较合适的集成功率放大器，与采用分立元件设计的功放电路相比，不但能减小功放电路的体积，提高功放电路的整体性能；而且由于集成功放中设计了多种多样的保护电路，从而可以减少系统发生故障的可能性，提高电路的可靠性。课题根据单相电机的参数，选择合适的驱动芯片和驱动管，实现对单相电机的驱动。课题研究意义单相交流异步电动机结构简单，生产成本低廉，使用维护方便，在小功率电机应用方面，如电冰箱、洗衣机、电风扇、空调等家用电器，汽车附件等领域占据主导地位[11]。随着电力电子技术、微控制器及控制理论的快速发展，近年来交流电机调速方法如“矢量控制技术”、“直接转矩控制技术”及“同步机自控式”等方法的出现，交流电机调速更是获得了几乎可以和直流调速相媲美的性能。由于交流电机结构简单、价格低廉等自身的优点，交流调速迅速兴起，彻底打破了直流调速占调速领域主导地位的格局，调速系统向着交流化、高频化、网络化的方向发展【5】。交流调速系统的应用不但可达到节能的目的，还可实现整个系统的性能最佳，改善工艺条件，并大大提高生产效率和产品质量。近年来，由于微处理机和大功率晶体管（GTR）的应用，交流调速技术进入了一个崭新的时代，且大有在调速系统内，大批取代直流调速系统的趋势。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段，作用相当明显。随着单片机的普及应用，利用单片机来控制电机调速的系统，以其控制灵活、参数调节方便、调节性能良好等诸多优点受到人们的青睐。单片机具有价格低廉、可靠性高、内部资源丰富、易于开发等优点，它的出现大大地推动了电机控制行业的发展。用单片机作为电动机的核心控制元件，可避免传统的调速方案中的一些缺点,达到提高控制精度的目的[12],[13]。众所周知，单相电机的使用性能与它的驱动电路有着密切的关系，随着电子技术和功率开关电子器件的出现，使电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大的变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使电机驱动电源的研制上了一个新的台阶，使其性能指标有了显著的提高。国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能的电机驱动电源却很少，而且国内的驱动电源方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便，国外虽然有通用的各种类型的电机驱动电源，但大都存在一些问题，如价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。如前所述，电机的系统性能，不仅与电机本身的特性有关，而且还与电机的控制方式、驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系，特别是驱动电源技术方面，对电机运行性能的改善，如高频力矩的提高，单步振荡及振动的消除等方面起着至关重要的作用。因此，对电机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研究，做出适合单相电机运行特性的电源电路及驱动电路，不仅具有较高的现实意义。而且具有极大的经济价值。设计方案变频调速作为一种新的电机调速方法，就是通过整流桥将工频电源整流成直流电源，再通过控制电力电子器件构成的逆变器来提供可变频率的电源给电机，使电机的同步的转速能够变化，从而改变电动机的转速。本课题采用的单相电机调速电路如图1-1所示。（a）（b）图1-1单相电机变频调速原理图系统的总体结构和硬件配置由整流电路、开关电源、电机驱动电路、桥式MOSFET驱动电路、保护电路和PIC单片机等组成，本次设计采用了PIC单片机，Microchip公司推出的PIC系列单片机最大的特点是：不搞单纯的功能堆积,而是从实际出发-重视产品的性能与价格比,靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求；精简指令使其执行效率大为提高。具有独特的RISC结构,数据总线和指令总线分离的哈佛结构总线，使其指令具有单字长的特性且允许指令码的位数可多余4位的数据位数,这与传统的采用复杂指令集结构的4位单片机相比可以达到2:1的代码压缩,使指令的执行速度比一般的单片机要快4-5倍；产品开发容易、周期短，并且能够快速进入市场，采用了RISC指令集，指令少，且全部为单字长指令易学易用，相对于CISC复杂指令集,结构的单片机可节省30%以上的开发时间、2倍以上的程序空间。如果采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市；低价实用，配备有OTP型、EPROM型和E2PROM型等多种形式的芯片，其OTP型芯片的价格很低；功耗低，采用CMOS设计结合了诸多的节电特性,使其在静态设计可进入睡眠省电状态而不影响任何逻辑变量；优越的开发环境，OTP单片机开发系统具有实时性，每推出一款新型号的同时,推出相应的仿真芯片,所有的开发系统由专用的仿真芯片支持,实时性非常好；芯片引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至交流电源,可直接与继电器相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便；自带看门狗定时器，可以提高程序运行的可靠性；彻底的保密性，以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。因此PIC系列的微控制器在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、工业控制等不同领域获得了非常广泛的应用[14],[15]。开关电源简介开关电源简介开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源具有工频变压器所不具备的优点，新型、高效、节能的开关电源代表着稳压电源的发展方向，因为开关电源内部工作于高频率状态，本身的功耗很低，电源效率就可做得较高，一般均可做到80%，甚至接近90%。这样高的效率不是普通工频变压器稳压电源所能比拟的。开关电源常用的单端或双端输出脉宽调制（PWM），省去了笨重的工频变压器，可制成几瓦至几千瓦的电源。开关电源的原理简单地说,开关电源的工作原理是：交流电源输入经整流滤波成直流；通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载；输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰；在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源。以上说的就是开关电源的大致工作原理。其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。例如TOP系列的开关电源芯片(或称模块),只要配合一些阻容元件,和一个开关变压器,就可以做成一个基本的开关电源[17]。开关电源的三个条件开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态；高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；直流：开关电源输出的是直流而不是交流。开关电源的种类人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述[18]。DC/DC变换DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。还有Sepic、Zeta电路。上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。AC/DC变换AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。开关电源的选用开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.5～1）％。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点。输出电流的选择因开关电源工作效率高，一般可达到80％以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：Is=KIf式中：Is—开关电源的额定输出电流；If—用电设备的最大吸收电流；K—裕量系数，一般取1.5～1.8。接地开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。保护电路开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。开关电源电器可靠性设计电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性。供电方式的选择集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，容易组成N＋1冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。电路拓扑的选择开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60％降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。控制策略的选择在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。元器件的选择因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四个方面：（1）元器件可靠性问题元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件失效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。（2)设计问题首先是恰当地选用合适的元器件：尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。多采用集成电路，减少分立器件的数目。开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。集成电路必须是一类品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500标准B－1以上质量等级的军品。设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。在潮湿和盐雾环境下，铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况，所以在舰船和潮湿环境，最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。钽电解电容温度和频率特性较好，耐高低温，储存时间长，性能稳定可靠，但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。关于降额设计：电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的元器件外，其它均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低，所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度，除可靠性外还需考虑体积、重量、成本等因素。不同的元器件降额标准亦不同，实践表明，大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，以下为开关电源常用元器件的降额系数：电阻的功率降额系数在0.1～0.5之间。二极管的功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。发光二极管。电源电路的设计与分析全波整流滤波输入电路图3-1中F1为交流保险丝，当发生过流现象时，F1就会自动熔断，以断开市电与内部电路，保证内部电路无损。市电经过由整流桥组成的桥式全波整流电路，成为脉动直流。图中C20是一个滤波电容，使脉动直流变为平滑直流。C20接在整流电路和驱动主电路之间还起到缓冲的作用。DC+输出为300V电压。图3-1全波整流滤波电路桥式整流电路变换器的最大输出功率设计为500W，效率为η=90%，则输入功率:Pin=500/0.9=555（W）（3-1）所以输入整流桥电流的有效值为：Pin/220=2.52（A）（3-2）在实际使用中，考虑电流的足够裕量，整流滤波电路中的整流桥选用了MicKBPC609。滤波电容的选取滤波电容的容量和输出功率的大小有密切的关系。由于输入级没有PFC电路(一种高效率的功率因子改善电路,电路采用零电流转换方式进行控制,并采用双向开关实现电路初级的同期整流,从而实现了高功率因子,高效率和低高次谐波的功率因子改善电路)，电容选得大，输入电流的畸变率高，而容量低又会导致输入纹波变动范围大。滤波电容滤波电容器在输入电压220V±20%或输入电压85V~265V（110V－20%~220V＋20%）时的最高整流输出电压可以达到370V，因此应选择额定电压为400V的电解电容器或选择两只额定电压为200V（也可以是250V）的电解电容器串联使用。需要注意的是，尽管电解电容器的额定电压有10%左右富裕量，在上述应用场合下，从产品的安全角度考虑是不允许使用额定电压为300V或350V的电解电容器。对于带有功率因数校正的整流滤波电路，当功率因数校正电路输出电压为380V时可以选择额定电压400V电解电容器，而功率因数校正电路输出电压高于380V时则只能选择额定电压为450V的电解电容器。滤波电容容量的选择滤波电容器，为限制整流滤波输出电压纹波，正确选择电容量是非常重要的。通常滤波电容器的电容量在输入电压220V±20%时按输出功率选择为：不低于每瓦1μF（即：≥1μF/W），输入电压85V~265V（110V－20%~220V＋20%）输入时按输出功率选择为：不低于每瓦（3~4）μF（即：≥（3~4）μF/W）。滤波电容器电容量的取值依据为：在220V±20%交流输入及85V~265V交流输入的最低值时，整流输出电压最低值分别不低于200V和90V，在同一输入电压下的整流滤波输出电压分别约为：240V和115V，电压差分别为：40V和25V。每半个电源周波（10mS），整流器导电时间约2mS（ms），其余8mS为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，即：（3-3）220V±20%交流输入时：（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）即：1μF/W85V～265V交流输入时：（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）即：3.6μF/W每半个电源周波（10mS），整流器导电时间约3mS，其余7mS为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，则：滤波电容器容量为：0.88μF/W和3.15μF/W。以上是从滤波后的纹波电压角度考虑如何选择，如果从电解电容器的额定电流和寿命考虑则需要清楚滤波电解电容器所能承受的纹波电流和预计电容器的寿命。综上，本课题中选用470μF，450V的电解电容。开关电源电路本文采用了半桥驱动芯片IR2153和LM7805组成的开关电源。如图3-2所示。图3-2开关电源电路DC+（+300V，经前端全波整流滤波电路所得）输入，R19和C12组成一个RC振荡器，通过改变R19或C12的大小可以改变电路的工作频率。增加R9时，电路的工作频率会减少，驱动电流和功率都会增加。图中IR2153利用C6和D2构成自举供电方式，直接驱动高端、低端功率管。HO输出来驱动MOS管IRFP460。与普通的脉冲变压器驱动等结构形式的半桥电路相比，该电路具有结构简洁、功能齐全、开关损耗低等优点,适合多种场合使用。由于变换级采用无电感形式的直流输出电压叠加方式，使能够有效地克服电流输出闭塞的现象、能够有效地适应电极肥大的场合。电路中通过7805进行转换得到+5V的电压。IR2153芯片简介半桥驱动集成电路IR2153可直接驱动高端和低端大功率常效应管，可使半桥驱动电路简化，提高单路性能。故其在电源电路中得到了较广泛的应用。引脚排列及主要功能图3-3给出了IR2153引脚排列图。图3-3IR2153引脚排列图VCC：低端逻辑和内部MOS管的门极驱动电源电压；RT：振荡器定时电阻输入端（此端电压波形与半桥高端HO相同）；CT：振荡器定时电容输入端；COM：低端返回端；LO：低端门极驱动输出端；VS：高端浮动电源返回端；HO：高端门极驱动输出端；VB：高端MOS管门极驱动浮动电源。IR2153是IR公司生产的为高压、高速功率MOSFET或IGBT驱动集成电路，IR2153由低端功率晶体管驱动级、高端功率晶体管驱动级及内部定时振荡电路组成。可驱动高侧和低侧MOSFET或IGBT，能够提供高达600V的直流偏置电压，具有自振荡或外接同步振荡功能，振荡频率的设置和CMOS555定时芯片类似，由定时元件RT和CT决定：。其中，为芯片内部定时电阻。芯片内部设有死区时间控制,死区时间通常设为，以免高低侧在交替导通时刻产生直通现象。IR2153集成电路可取代传统的变压器驱动方式。可以根据自举原理工作，电路外围元件少、电路特别简单实用。半桥输出振荡在由CT、RT确定的频率上，当充电超过低压阈值时，IR2153自动启动。IR2153的开通时间为80ns，关断时间为35ns，为75Ω，并具有输出关断功能，输出关断滞后时间为660ns。芯片特点带自举二极管的浮动设计,最大耐压为600V；允许瞬时负压；欠压保护；内部振荡器频率可调整；高、低通道匹配的死区时间；起动电流很小,仅为90μA；高、低通道的关断功能；低通道输出电压波形与RT端电压波形相同。芯片内部简化功能框图IR2153是在IR2155和IR2151基础上推出的改进型的VMOS和IGBT栅极驱动器，它将高压半桥驱动器和一个类似于555时基电路的前端振荡器集成在一个8脚芯片上，使其成为一款功能更多，更易于使用的功率驱动IC芯片。如图1所示，脚CT兼有保护关断功能，可以用一个低电压信号使驱动器停止输出。另外，输出脉冲的宽度保持相等，一旦Vcc上升到欠压闭锁阈值，驱动器能以更加稳定的频率开始起振。通过降低栅极驱动器di/dt的峰值和提高欠压闭锁阈值的滞后电压到1V，使电路的抗噪性有了实质性的提高，同时，电路引脚的整体抗噪保护方面也有所改进。IR2153的内部简化功能框图如图3-4所示。图3-4IR2153的内部简化功能框图TL431简介TL431是美国德洲仪器公司（TexasInstrument）开发的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的全称是可调式精密并联稳压器（俗称可调稳压管）。问世以来，由于它的性能好，体积小，成本低，因而在电压比较器、电压监视器、延时电路、精密稳流源电路中获得了广泛的应用。特别是在高频开关电源中，大多采用TL431担任输出电压的取样放大，并驱动光电耦合器件，去改变主变换电路中控制IC（集成电路）的脉冲宽度或频率，从而实现自动稳压的功能。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置从2.5V到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等等。它包括一个精密电压基准、一个运算放大器和一个并联晶体管。采用TL431来制作一些电子电路，能取得很好的效果，既简化了电路，又节约了制作成本，并且制作的电路稳定可靠。因此，TL431得到了越来越广泛的应用。（TL431在电路中的作用与工作原理没有说明）TL431的引脚及主要参数TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低而广泛应用在各种电源电路中。其封装形式与塑封三极管9013等相同。如图3-5所示。图3-5TL431封装形式3个引脚分别为阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端REF。TL431的主要参数如下：最大输入电压为37V；最大工作电流150mA；内基准电压为2.5V；输出电压范围为2.5~30V。TL431可等效为一只稳压二极管。TL431的功能模块TL431的具体功能可以用如图3-6的功能模块示意。图3-6TL431功能模块示意图由图可以看出VI是一个内部的2.5V基准电压，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微笑变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。TL431的阴极最低电压点图3-7是一个通过对电位器RP1的调节,来改变TL431的控制极（R）电压从而得到一组对应的TL431阴极（K）电压的实验电路。从图2-8实验数据知道,该TL431控制端参考电压VREF在2.53V（VREF的额定范围：2.44V-2.55V）左右,当控制极（R）电压从2.52V上升到2.53V时,阴极（K）电压从11.52V下降到2.10V，下降了9.42V。但是,当再增加VREF电压时,阴极电压基本停留在1.98V左右,不再下降。有人一直以为TL431作为比较器使用时，阴极输出低电平时的电压会低至0.7V以下(甚至想象应该在0.3V左右)，这主要是受TL431方框图的影响，实际上由于内部电路与框图有所不同的原因,阴极电压最低点只能达到1.98V左右（厂方资料：2V）。这是我们在采用TL431设计电路时必须要注意的问题。图3-7改变控制极电压得到阴极电压的实验电路和数据说明：R2为TL431的限流负载电阻,这里设定阴极最大电流约为25mA。LED1为指示灯。当调节电位器RP1的阻值时,即改变了TL431的控制极电压（R）,其阴极电压（K）会随之改变。TL431的临界状态从实验中知道，当TL431控制极电压从2.50V变化到2.52V时,其阴极电压从12.95V下降到11.52V，下降了1.43V，特别是阴极电流相应地从0.51mA上升到了3.2mA，TL431的这个临界状态特性会使由TL431组成的比较器等电路带来设计上的麻烦。在阴极电压变化较缓慢的电路中,甚至使设计的比较器电路不能正常工作。所以,要十分引起注意。一般利用TL431的比较器特性的电路，大多应用在控制极电压较快增长的电路里,利用其输出突变的特性对电路起保护作用。如果用在采用LED指示器的测量电路中,可能会因其临界状态而影响实际效果。TL431在一些恒流、反馈、稳压电路中使用时,一般将阴极电压设计在3.1V左右，这时TL431处于放大状态。根据图2-9的TL431使用特性曲线,在TL431设计规程里规定其阴极电流设计需大于1mA，典型使用阴极电流为10mA。这从图3-8的曲线比较中可以看出来,在右边的特性曲线图中,小于1mA的阴极电流将使临界状态很严重[19]。图3-8TL431阴极伏安特性图LM7805简介78系列产品是三断稳压电路。输出电流可达1.5A(Pa15W)，独立工作无须外加部件，内部有电流保护功能，内部有热过载保护装置，输出晶体管安全区补偿，输出电压误差为4%。LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供DC5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A的电流，如果使用外围器件，它还能提供不通的电压和电流。LM7805属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。它由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护等组成。此外它还有过热和过压保护电路。因此，其稳压性能要优于分立元件的串联型稳压电路。如串联稳压的启动电路是比较放大管的负载电阻，此电阻在电源工作过程中始终接于电路中，当输入电压变化（电网波动），通过负载电阻的影响，输出电压也跟着变化。而三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态下，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。一般我们在使用三端稳压器比如LM7805等时，输入端输出端都要接电容，那么他们各起什么作用呢？输入端接电容器其实相当于平滑电容，起到一个滤波的作用，提高IC工作的稳定性。

因为一般稳压管的输出电阻随着频率的增加而增加，这可以通过IC的DATASHEET中输出阻抗和频率的曲线图得出。其实这一现象也不难理解，因为放大器的的增益在高频下增益随着频率的增高而下降的。这样输出电压就随输出电阻的增加而增大，从而违背的输出稳定电压的初衷，如果在输出侧并联一个电容器，因为Zc=1/WC，频率越高，WC越大，Zc越小，输出阻抗也就变小，这样就可以输出稳定的电压。输出整流滤波电路输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流变换成符合要求的输出电压或电流。本输出电路主要有两路输出组成，分别是+15V，+5V。其中+5V是利用7805芯片从+15V引出的，采用7805产生5V电压具有电路简单，电压稳定的优点。用于给单片机控制电路供电。驱动电路的设计与分析驱动电路原理图本文中驱动电路采用六只功率开关管MOSFET（IRFP460)，以IR公司的IR2130作为接口驱动芯片。一般的单相电机驱动器为了方便控制各相电流，每相采用的都是"H"桥，这样三相电机需要用3个"H"桥，而每个"H"桥需要4个功率管，整个驱动器功率管个数为12个，需要12路控制信号，增加控制的复杂度的同时也增加了系统的成本。故本文中选用了三相逆变桥替代三相"H"桥，功率管的数量只需要6个。这样在减小了控制的复杂性的同时也降低了系统硬件成本。IR2130具有电流反馈和过流、欠压保护功能，内部集成电流比较器CC和电流放大器CA，电流检测由跨接于Vss和Vso之间的无感取样电阻来实现，从而省去了通常驱动电路的电流反馈所需要的外部电流放大器和过流检测所需的外部比较器。可见，采用IR2130作为驱动元件时，外围元件少、线路简单、工作安全可靠，性价比较分立元件明显提高。功率驱动主电路图如图4-1所示。(a)(b)图4-1功率驱动主电路功率驱动单元元器件的选取功率驱动单元主要由功率器件、接口驱动芯片及外围元器件组成，以下详细介绍它们的选取。功率器件在全控型器件中，IGBT和功率MOSFET具有输入阻抗高、开关频率高、通态电压低、热稳定性好，是本系统的首选。由于MOSFET比IGBT的开关频率高，价格便宜，保护电路相对简单，因此本系统选用了MOSFET作为开关器件。功率MOSFET的优点：开关速度快。MOSFET是一种多子导电器件，无固有存储时间，开关速度取决于极间寄生电容，所以开关时间很短(小于50--100ns)，工作频率很高(达500KHz以上)驱动功率小。它是电压型器件，功率增益高，驱动功率小，驱动电路简单。安全工作区宽。MOSFET无二次击穿现象，因此比同等功率GTR器件安全工作区大，更稳定耐用。过载能力强。短时过载电流一般为额定值的4倍。抗干扰能力强。功率MOSFET器件的开启电压一般为12-15V，因此具有很高的噪声容限和抗干扰能力。本系统选用IR公司的MOSFETIRFP460，其额定电压和额定电流分别达500V和20A。接口驱动芯片的选取驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率器件，所以单从原理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于功率器件的开关特性与驱动电路的性能密切相关。同样的功率开关，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率器件的开关特性，从而减小开关损耗，提高整机的效率及功率器件工作的可靠性。功率MOSFET属于MOS门级器件，它对MOS门级驱动电路的要求有以下几点：MOS门级驱动电路输出的驱动信号相对源极幅值在+l0V——+15V之间，以保证MOSFFT饱和导通或可靠关断。MOS门级驱动电路的输出阻抗要尽可能的低，以使被驱动MOS门功率器件的门级电容快速冲放电，使被驱动功率器件快速导通和关断，以减少开关损耗。MOS门级驱动电路应具有悬浮输出功能，可同时驱动高压侧和低压侧的MOS门功率器件。MOS门级驱动电路应具有很好的频率特性，在最高工作电压和频率下，损耗应该较小。被驱动功率器件过流、短路或MOS门级驱动电路自身电源过压或欠压时，MOS门级驱动电路能够对被驱动MOS门功率器件进行快速有效的保护。实际驱动电路设计中，上述要求不可能全部满足，有些要求需要折中处理。要根据整机的性能、指标、功率及工作频率等来设计合适的驱动电路。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，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，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，已有多种集成驱动器推出。如EXB840/841,EXB850/851,M57959L/AL,M57962L/AL,HR065等等，它们均采用的是光藕隔离，仍受上述缺点的限制。本系统采用了美国IR公司独家推出的MOS功率器件专用栅极驱动集成电路IR2130。它兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，而且它具有如下显著特点：巧妙运用自举技术形成悬浮的高压侧电源，因而只用一路(3V-20V)电源即可驱动三相桥式逆变电路中母线电压不超过600V的六个功率MOS；输入信号与TTL及CMOS电平兼容；片内集成死区电路，能产生2uS互锁延时死区信号以防止MSFET或IGBT由于直通而烧毁电路；内设有过流、过压、欠压、逻辑保护以及封锁和指示环节；内部集成比较器CC和线性放大器CA，从而省去了通常功率驱动电路中电流反馈和过流检测所需的外部比较器和放大器。可见，采用IR2130作为驱动元件时，外围元件少、线路简单、工作安全可靠，性价比较分立元件明显提高。集成驱动芯片IR2130介绍逆变器己广泛用于交流电气传动、UPS等许多技术领域中，其主电路开关器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，该器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源彼此隔离(如单相桥式逆变主电路需3组独立电源，三相桥式逆变主电路需4组独立电源)，这无疑增加辅助电源的设计困难和成本，同时也使驱动电路变得复杂，降低了逆变器的可靠性。采用如EXB840等专用厚膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍需要一个隔离的供电电源，且每个芯片仅可驱动一个功率开关器件，应用仍有不便。而美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片IR2130需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，可以使整个驱动电路简单可靠。IR2130驱动芯片的特点IR2130可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2μs互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(3～20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。IR2130管脚如图4-2所示。图4-2IR2130内部结构图VB1～VB3：是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VS1～VC3是其对应的悬浮电源地端。HIN1～HIN3、LIN1～LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护CA-、CAO、Vso：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。HO1～HO3、LO1～L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。Vcc、Vss：芯片供电电源连接端，Vcc接正电源，而Vss接电源地。IR2130内部结构及其工作原理IR2130的内部结构如图5-2所示，它的内部集成有1个电流比较器CURRENTCOMPARATOR，1个电流放大器CURRENTAMP，1个自身工作电源欠压检测器UNDERVOLTAGEDETECTOR，1个故障处理单元FAULTLOGIC及1个清除封锁逻辑单元CLEARLOGIC。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器INPUTSIGNALGEN-ERATOR两个脉冲处理和电平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器LATCH，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，U.VDETECTOR及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器DRIVER和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号L1～L3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1～H3先经集成于IR2130内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5V时，则IR2130内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2130的输出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时IR2130的FAULT脚给出故障指示。同样若发生IR2130的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。发生故障后，IR2130内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端LIN1～LIN3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。当IR2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。桥式MOSFET驱动电路图4-3桥式MOSFET驱动电路采用IR2130芯片驱动逆变器功率管时，可用典型的三相电压型逆变器电路。如图4-3所示，图中画出了IR2130驱动的3个桥臂的电路示意图。图中FC3、FC4、FC5是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量。DW3、DW4、DW5的作用是防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此DW3、DW4、DW5应有足够的反向耐压。DW3、DW4、DW5分别与FC3、FC4、FC5串联，这是为了满足主电路功率管开关频率的要求，所以DW3、DW4、DW5应选用快速恢复二极管。IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与单片机连接，由单片机控制产生PWM控制信号的输入，FAULT与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障。其容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5kHz时，该电容值应不小于0.1μF，且以瓷片电容为好。本文采用IR2130器件实现单芯片单电源供电的三相逆变器的驱动，驱动电路工作十分可靠，它不仅使电路结构简单，可靠性提高，而且可以可靠地实现短路、过流、欠压和过压等故障保护。电机驱动电路图4-4电机驱动电路电流检测方法有电流互感器、霍尔元件和直接电阻采样。采用霍尔元件采样，控制和主功率电路有隔离，可以检出直流信号，信号还原性好，但有µs级的延迟。而且价格比较贵；采用电阻取样价格非常便宜，信号还原性好，但是控制电路与主功率电路不隔离，功耗比较大。电流互感器具有能耗小、频带宽、信号还原性好、价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点，但是原边包含的直流分量不能在副边检出信号中很好的反应出来，且只能进行大电流检测，电流较小的时候检测效果不好。本文中的电路为了更好的控制过流现象发生和更准确的将驱动电路的电流值反馈给逻辑电路，分别进行了总电流采样和相电流采样，其中相电流采样采用了小电阻采样和互感器采样法并用的方法获得更加精确的电流反馈，使得电机在高低频运行时均有良好的性能。总电流检测是通过在主回路串电阻的方法实现的，将0.05欧姆、5瓦的无感精密采样电阻GRl串接于功率电路主回路中，将主回路的电流信号转换为电压信号，再经FR10,FR11分压后输入到IR2130的9号和13号引脚。并且该信号先经过滤波再进入IR2130的。由采样电阻送回的电机绕组电流信号中有许多尖峰和毛刺，这些尖峰和毛刺会引起比较器误动作，因此必须进行滤波。由于集成化的有源滤波器价格昂贵，自己制作的有源滤波器性能较差，因此选择RC无源低通滤波器进行滤波，结构简单且可靠。从尽量减少电流采样信号畸变的角度出发，选用了简单的一阶RC无源低通滤波器在三相各回路里各串一个0.1欧姆、5瓦的无感精密采样电阻GR7，GR16，GR25(其中GR16作为平衡电阻的)把相电流信号转化成电压信号反馈到PWM生成单元。当电机高频运行时通过电流互感器向PWM生成单元反馈高频电流信号。保护电路分析IR2130集成驱动器除了提供MOSFET的栅极驱动信号以外，另一个主要功能是提供欠压、过流保护，以使系统能够安全可靠地工作。IR2130集成驱动器的欠压保护主要是针对电源电压而言，当电源电压低于8V时，IR2130封锁桥臂上端管子的栅极驱动信号，此时，主要是防止上端管子不能正常开启，而产生误触发；当电源电压在8.5-20V时，在不出现过流的情况下，IR2130能正常工作，其开关时间约为100ns，死区时间约为2us。IR2130集成驱动器的过流检测主要是通过并在VSS和VSO之间的采样电阻Rs来完成，根据实际情况，Rs通常取值为0.10欧（由于本系统电流较大所以选用了0.05欧）。对于逆变器而言，电阻Rs上流过的电流为逆变器输入直流环路上的电流，也即电机三相总电流，因而IR2130集成驱动器不但可以作为过流、过载保护，还可以作为缺相、短路等保护。由于Rs取的很小，Rs上的压降在1V以下，VSS和VSO的电位仍很接近，这使得IR2130集成驱动器的输入、输出逻辑均可正常工作。负载电流经Rs采样后，具体的过流保护动作值可由电位器方便地调整。当ITRIP端的电位达到500mV（此时的电流为多大，好象要超过20A了）左右时，IR2130内部的比较器翻转，使得触发器产生高端输出的封锁信号，同时使FAULT端变低，指示过流或欠压故障。当电源复位或输入端有脉冲输入时，自动取消脉冲封锁。因而，为了可靠地进行故障保护，单片机必须对故障信号进行检测，为此，我们除了