（控制科学与工程专业论文）基于arm和pebb的单相桥式电压逆变器研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着电力电子技术的发展，模块化程度低、缺乏灵活性、设计复杂、标准化 程度低等因素日益成为制约其发展的瓶颈。而电力电子结构块( p e b b ) 正是为解 决以上问题而提出的方法。因此研究利用p e b b 来组建功率变换器具有一定的优 势和重要的意义。 本文将电子技术和计算机技术等领域先进的、成熟的集成相关的技术应用于 电力电子系统集成中，对电力电子系统集成中的操作系统、分布式控制技术和通 信技术进行了研究。 将电力电子系统进行结构划分，分为p e b b 功率部分和通用控制部分。对于 功率部分，采用分立元件设计了一个半桥p e b b ，包括主电路、保护电路、驱动 电路、吸收电路和滤波电路等。在分析和对比了各种通信接口后选择具有“即插 即用”功能的通用串行接口( u s b ) 做为p e b b 的数字通信接1 2 1 。对于通用控制部 分，选用具有高性价比的a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 做为核心处理单元，辅以相应 的外围电路。采用u s b 主机控制芯片使其具有类似u s b 主机的功能，实现与 p e b b 的通信和方便“即插即用”的管理。在软件设计上引入实时操作系统 u c o s i i ，采用多任务系统的形式，满足电力电子操作系统实时性的要求。然后， 用两个半桥p e b b 和一个通用控制器组成了一个单相全桥电压逆变器，分析和解 决p e b b 之间的同步等问题。最后给出并分析了实验结果。 通过上述工作，验证了p e b b 对解决当前电力电子技术系统集成问题的可行 性，为后续研究打下基础。 关键词：电力电子结构块、a r m 处理器、通用串行接口、实时操作系统、 桥式电压逆变。 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，m o d u l a rl o wl e v e l ，t h e l a c ko ff l e x i b i l i t y , d e s i g nc o m p l e x i t y ，l o wl e v e lo fs t a n d a r d i z a t i o no ft h ef a c t o r s c o n s t r a i n i n gt h e i rd e v e l o p m e n th a si n c r e a s i n g l yb e c o m e ab o r l e n e c k t h ew a yo ft h e p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ( p e b b ) t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m si st op u t f o r w a r da p p r o a c h s ot of o r mp o w e rc o n v e r t e ru s i n gp e b bi so fs o m ea d v a n t a g e sa n d g r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，e l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi na r e a ss u c ha sa d v a n c e da n d m a t u r et e c h n o l o g yi n t e g r a t i o nr e l a t e dp o w e re l e c t r o n i c ss y s t e mi n t e g r a t i o nf o rp o w e r e l e c t r o n i cs y s t e mi n t e g r a t i o no fo p e r a t i n gs y s t e m s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e d t h es t r u c t u r eo fp o w e re l e c t r o n i c ss y s t e m si sd i v i d e di n t ot w op a r t so fp e b b p o w e ra n du n i v e r s a lc o n t r o lp a r t t h ep o w e rp a r t o ft h ed e s i g nu s i n gd i s c r e t e c o m p o n e n t st oc o m p o s eah a l f - b r i d g ep e b b ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i t ，p r o t e c t i o n c i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ，s n u b b e rc i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i t i na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n ga v a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h e nt h es e l e c t i o no f p l u ga n dp l a y f u n c t i o no f t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) a st h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fp e b b f o r t h eu n i v e r s a lc o n t r o lo ft h es e l e c t i o no fah i g hc o s t - e f f e c t i v ec h i ps 3 c 4 4 b o xa s a r m 7c o r ep r o c e s s i n gu n i t , s u p p l e m e n t e db yt h ec o r r e s p o n d i n gp e r i p h e r a lc i r c u i t s t h eu s eo fu s bh o s tc o n t r o l l e rc h i pu s bh o s ts ot h a ti tw i l lh a v es i m i l a rf e a t u r e s ， w i t ht h ep e b bc o m m u n i c a t i o na n df a c i l i t a t e ”p l u ga n dp l a y ”m a n a g e m e n t s o f t w a r e d e s i g n i nr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi n t r o d u c e du c o s i i ，u s e dt h ef o r mo f m u l t i - t a s k i n gs y s t e mt om e e tt h ep o w e re l e c t r o n i c sr e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m t h e n , w i t l lt w oh a l f - b r i d g ep e b ba n dau n i v e r s a lc o n t r o l l e rt of o r m as i n g l e - p h a s ef u l l - b r i d g ev o l t a g ei n v e r t e r , a n a l y z i n ga n ds o l v i n gt h es y n c h r o n i z a t i o n b e t w e e np e b ba n ds oo n f i n a l l y ，g i v e na n dt oa n a l y z et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w i t ht h ea b o v e - m e n t i o n e dw o r k ，v e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo fp e b bp o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt os o l v et h ec u r r e n tp r o b l e mo fs y s t e mi n t e g r a t i o no fp o w e r e l e c t r o n i c s ，a n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rf o l l o w - u ps t u d y k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ，a r mp r o c e s s o r s ，u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，b r i d g ev o l t a g ei n v e r t e r i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：咩钍月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签弘吼咩年月牛日导师签乏骖日期：上d 孚年月牛日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 9 5 6 年人类发明了第一只晶闸管( s c r ) ，诞生了一门新兴的学科一电力电子 技术。经过近5 0 年的发展，电力电子技术己经发展成为集电力、电子和控制为 一体的多学科的边缘技术，电力电子技术在人们生活中的应用也越来越多。在现 代社会中，无处不存在着电力电子技术的应用。例如电机调速、汽车、空调、微 波炉、固定或移动电话、电视、计算机、以及打印机、复印机等办公用品装置中， 均需要应用电力电子技术。随着电力电子技术向高频化、大容量、智能化方向的 发展，对电力电子器件性能的要求越来越高，同时对电力电子装置和系统的性能 要求也日益增长，因此也对控制技术的发展不断提出更高的要求。 1 1 电力电子技术的发展 1 1 1 电力电子元件的发展 电力电子技术作为电子技术的一个分支建立以来，已经取得了令人瞩目的发 展。早期的功率器件是晶闸管( s c r ) ，s c r 是一种半控型器件，用s c r 构成的是 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。g t r 的出现和应用，使电力电子电路由半控型转为全控型，并 在不同程度上克服了s c r 电路存在的缺点，因而在中小功率领域中出现了g t r 电路取代s c r 电路的局面。但是和m o s f e t 相比较，g t r 具有导通内阻低和阻 断电压高的优点，但是其输入特性却远逊于p o w e r l o s f e t 。而p o w e r m o s f e t 是一种电压控制型器件，控制功率极低，同时又是一种高频器件，能在超音频硬 环境中工作。于是结合g t r 和p o 、e r m o s f e t 的优点发展出了一系列的新型复 合器件如i g b t 、i g c t 和f e t k e y 等。这些新型复合器件具有与m o s f e t 相似 的输入特性和开关频率，与g t r 相似的输出特性和开关容量。同时这些器件的 耐压不断增加，电流逐渐增大。如目前i g b t 耐压已达到4 5 0 0 v 以上，i e g t 已 有4 5 0 0 v d 0 0 0 a 的产品。同时由于这些器件是电压控制型的，使功率开关管的驱 动电路大大简化，例如i g b t 器件的门极驱动电路比双极型晶体管的基极驱动电 路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驱动功率也比双极型晶体管的基极驱 动电路的要少很多，从而使将驱动电路和功率开关管集成在同一芯片或模块中成 为可能，并且随着集成技术的进步，功率电子器件制造公司已推出了多种有智能 特性的复合器件和模块，例如s m a r t f e t 和i p m ，它们内部不仅集成了各种自 保护功能，也将控制芯片集成在里面。从电力电子器件的发展历程，我们可以看 出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器 件发展。作为电力电子技术的另一个方面的电力电子电路随着电力电子器件的发 展，也不断推出了各种新型的功率变换器的电路拓扑，特别是各种d c d c 、 中南大学硕士学位论文第一章绪论 a c d c 变换器【l l 。 1 1 2 电力电子控制技术的发展 对于电力电子控制技术的发展可以从三个角度来分析 1 、从信号的类型上看 电力电子控制技术的发展是从模拟控制到数字控制。随着各种性能优越的数 字芯片的出现，电力电子控制技术由原先的模拟控制逐渐发展为数字控制。相对 于模拟控制，数字控制具有电路简单、抗干扰能力强、控制灵活等特点。此外， 数字控制可以有效的避免模拟控制中因模拟器件的老化、温漂以及环境干扰而影 响系统长期稳定性的难题。对于比较复杂的控制，可以通过软件进行数字控制方 便的实现，若用模拟电路就会比较困难甚至是不可能。随着高速单片机和数字信 号处理器的发展，使得对器件实现较高开关频率的数字控制成为可能。此外，采 用数字控制，比较易于实现人机交互，进行装置之间或上下位机之间的通信。 2 、从电路的控制方式上来看 电力电子控制技术由原先对半控型器件的相位控制方式发展为对全控型器 件普遍采用的脉冲宽度调制( p w m ) 方式。p w m 控制方式使电路的控制性能大为 改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的 影响。调制技术的研究在过去几十年内一直是学术界研究的重点。每种变换器都 对应着某些合适的调制策略。其中载波p w m 和空间矢量p w m 是现在应用最广 泛的调制方式。现在绝大部分功率变换器都使用集成控制器来实现其控制，单纯 的使用半导体分立元件组成的控制电路基本上退出了历史舞台。p w m 集成芯片 的使用，减少了外围电路元器件，简化了电路结构，同时提高了控制性能。但 p w m 控制芯片的功能主要针对某类功率变换器，通用性还不够强。随着高速单 片机和数字处理芯片的发展，数字p w m 控制器的使用逐渐增多，其良好的可配 置性及强大的运算能力，使得p w m 的控制变得相当灵活和简单。 3 、从控制电路与功率电路部分之间的对应关系来看 电力电子控制技术包括集中控制技术和分布控制技术两类。现在功率变换器 普遍采用集中控制技术，即整个系统仅用一个中央控制器来进行系统的全面管理 和控制。对于简单的电力电子变换器，集中式控制结构具有结构简单、成本低、 可靠性高、控制环路设计方便等优点。但对于较复杂的电力电子变换器则存在着 一些缺陷： ( 1 ) 可靠性较差，随着系统复杂性的增加而急剧下降 因为采用集中式的控制，其p w m 的产生、a d 采样、控制算法的实现、闭 环控制等均由一个控制器全面负责，若其中一处出现故障，就可能导致整个系统 的瘫痪。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 设计难度比较大 随着复杂性的提高，在控制器与功率部分之间需要交换的数据量越来越多， 连线也相应越来越多，越来越长。过多过长的连线一方面使得连线变得不紧凑， 另一方面连线上所产生的干扰问题也相应增加。这些都使得设计的困难程度增 加，从而使得设计周期加长，成本增高。 ( 3 ) 系统的灵活性及可重新配置性较差 集中式的控制仅有控制和功率两个部分，系统模块化程度比较差，因此系统 的灵活性及可重新配置性较差。分布式控制技术是电力电子控制技术正处在研究 阶段的控制技术，它的提出是为了解决传统集中控制的不足。它的特点是整个系 统采用分散分层控制结构，系统中个每个子系统都具有一定的自治管理能力，子 系统通过与上层系统通信来接受上层系统的控制以及子系统之间的协调动作 1 2 】1 3 l 。 1 2 电力电子技术发展的瓶颈和现状 随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术不断走向成熟，电力电子技术 也在各行各业得到了广泛的应用，其面向的应用更加多样化。然而，现在电力电 子技术的发展己走到了十字路口。广泛而多样化的应用，使得对电力电子技术的 要求更加迫切，对电力电子产品的标准化、模块化、智能化以及生产的自动化的 要求也不断提高。但目前的电力电子电路普遍存在以下问题： ( 1 ) 模块化程度低； ( 2 ) 缺乏灵活性； ( 3 ) 设计复杂； ( 4 ) 标准化程度低； ( 5 可靠性低； ( 6 ) 产品成本高。 例如，现在即便一个小功率的开关电源设计都需要具有相关专业知识和技术 经验的专门人员来设计，而且各种零件的组装都要花费大量的时间和人工，成本 比较高，存在的不足己严重阻碍了电力电子技术的发展和应用领域的扩展，成为 电力电子技术的瓶颈。目前，国际电力电子学界普遍认为，电力电子集成技术是 解决电力电子技术发展面临的障碍，进一步拓展电力电子技术应用领域的最有希 望的出路【4 心。 1 2 1 电力电子集成的概念 电力电子集成技术就是将目前电力电子装置中的功率器件、驱动电路、控制 电路和保护电路等封装到一个集成模块内部，成为功能相对完整的，具有一定通 用性的元件。利用集成模块可以方便灵活的构成各种不同性能要求和应用目的的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电力电子装置和系统。 电力电子集成的概念的提出已经有十余年的历史了，早期的集成是单片集 成，其概念是将主电路、控制电路、驱动和保护等功能全部集成在一块硅片上， 体现了片内系统的概念，这种集成思想比较适合于小功率的场合。在中大功率场 合，因高压大电流使得高压隔离、传热等问题比较突出，只能采用混合集成的方 法，即由不同的裸芯片组成的电路封装到一个模块中，比较成功的产品就是智能 功率模块( i p m ) 。1 9 9 7 年美国政府、军方及电力电子领域的一些著名学者提出了 电力电子结构块( p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ) 的概念，从而集成化这一电力电 子的未来发展方向，并将电力电子集成化技术的研究推向高潮【6 l 。 1 2 2 电力电子集成的现状 电力电子集成技术是电力电子技术的重大发展，电力电子集成技术的研究内 容也要进行极大的拓展，将电子技术和计算机技术等领域先进的、成熟的与集成 相关的技术应用于电力电子集成中，可以大大加快电力电子集成的发展。图1 1 是与电力电子集成相关的技术。当然，随着电力电子集成研究的深入，会有更多 相关技术的加入【7 1 。 电力电子技术 分布式技术 封装技术 分布式控 制技术， 多芯片重 装技术 器件、拓、 o ) t 2 ，1 4 导通 t 1 ，1 r 3 关断 2 - k d 2 ，d 4 ( 当i o o ) t 1 ，t 2 导通 t 3 ，t 4 关断 3 0 t i ，d 2 ( 当i o o ) t 3 ，t 4 导通 4o d 3 ，t 4 ( 当i o o ) t i ，t 2 关断 需要指出的是，表3 1 中的运行状态是全桥式逆变电路理论上可能存在的状 态，在不同的控制方式中，也许只存在着上述状态中的几个，电路运行的状态同 中南大学硕士学位论文 第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 控制方式密切相关。通过对半桥和全桥式电路运行状态分析可以看出，全桥式电 路的输出端电压比半桥式多了一个0 输出电压状态，在同样的输入直流电压时， 全桥式逆变电源的输出电压有效值比半桥式高一倍，这样在同样的控制方式下， 全桥式电路电压的有效利用率就比半桥式电路高了一倍。因此，单相逆变器采用 全桥式拓扑结构具有显著的优点1 2 4 1 1 ”l 。 3 2 2 半桥p e b b 的硬件设计 p e b b 的主要特性之一就是其通用性。因此对电路拓扑的选择显得非常的重 要。通用性拓扑的使用可以使我们设计和生产尽可能少的模块来适应大多数的场 合。一个标准的基本模块应至少包含两个基本要素：提供功率流动通道的开关器 件和开关器件的控制部分。在众多的拓扑结构中，半桥结构的模块具有非常好的 普遍适用性。因此本文以半桥结构为模块基础设计了一个半桥p e b b 。 在本文设计的半桥p e b b 中将数字控制器( 这里指a r m ) 与功率器件集成在 了一起。数字控制器具有控制的灵活性以及由此带来的广泛的适应性等优点，将 二者集成在一起，一方面简化了电路的结构，另二方面使得模块具有良好的适应 性1 2 6 1 。数字控制器的使用，使得p e b b 实现了功率变换器的全部或部分功能， 由此将得到分布式的控制结构。在此基础上，必要的保护和接口电路等是形成一 个比较完备的p e b b 的重要的要素。半桥p e b b 的结构框图如图3 4 所示。 图3 - 4 半桥p e b b 的结构框图 l 、逆变主电路 逆变主电路主要包括前端直流电源辅助部分、桥式电路、i g b t 保护电路三 部分。前端直流辅助电源部分如图3 5 ，电路主要包括熔断器、启动电阻和直流 电源滤波储能电容器等器件。器件参数的选取计算如下： ( 1 ) 熔断器：熔断器主要起到短路保护的作用，考虑到设计的容量为3 3 k w , 则直流端额定电流为5 a ，考虑到余量，参考工程设计的原则，选取保险丝为1 0 a 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 的块熔断保险丝。 ( 2 ) 起动电阻：为避免电路中开机的瞬间产生的浪涌电流，在电源电路中串 接一个功率型热敏启动电阻。启动电阻的作用是当电路启动运行时，电阻值很大， 短时间内的压降很大，使得主电路的电压很低，对电子器件的冲击很小；当电路 稳定时，又要求启动电阻的阻值很小，电阻上的压降小，也即稳定损耗小。因此， 启动电阻一般选取负温度系数电阻，开机时热敏电阻温度低，电阻是5 q ，这时 分到开关管上的电压是电阻降压后的电压值。稳态运行时，自身温度升高，阻值 会下降，这样正常工作时热敏电阻上的损耗会减到最小，保证开关电源的效率。 电阻选取为n t c5 d 一2 5 ，启动时电阻值为5 q ，而正常工作时阻值又0 0 7 0 q ， 符合设计要求。 ( 3 ) d c 连接端电容的选取：耐压为4 5 0 v 的铝电解电容【2 7 1 【勰1 。 本设计的i g b t 选择了i r 公司的i r g 4 p h 4 0 u d ，它的硬开关速度能够达到 4 0 k h z ，关断电压达到1 2 0 0 v ，开通稳态电流为2 l a ( 1 0 0 0 c ) ，开通时管压降为 2 4 3 v ，驱动电压为1 5 v 。因此，此器件性能指标能够达到设计的要求。 鼢5 1 、4 7 0 u f 个4 7 0 u f 个4 7 0 u f7 - 0 2 2 u f0 2 2 u f t u 叫i _ - j 卜上l _ 图3 - 5 前端直流输出辅助电源部分 2 、i g b t 的保护电路 i g b t 兼有m o s f e t 和g t r 的优点，具有开关频率高，输出容量大，通态 电压低等特点，但是同时也有过载能力低，承受短路电流时间短等缺点，为了提 高电源整机工作的可靠性，避免i g b t 由于故障原因而导致损坏，必须要在驱动 和电控电路中设置过流、过压、欠压和过热等等保护单元，以保证其长期安全可 靠工作。设计保护电路考虑i g b t 的特点是：工作时过电压能力不大，要求对过电 压实时监视，防止超过极限；过电流容量小，工作电流必须限制在安全工作区内； 驱动信号不足将导致i g b t 的损坏。 ( 1 ) i g b t 的过流保护：过流保护包括短路和过流保护。控制电路、驱动电路 误动作，错误配线等，都会造成逆变器上、下桥臂直通等短路事故，i g b t 通常 只能承受1 0 u s 的短路电流，短路电流流过逆变器的开关器件，会造成元件烧毁， 因此必须在极短时间内( 1 2 u s ) 封锁p w m 信号输出。m 5 7 9 6 2 l 厚膜驱动电路中 设有过流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，当集电极电 压升高时，保护电路首先将栅极驱动电压由1 5 v 降低至1 0 v ，这样，i g b t 承受 短路电流的能力由5 u s 增加至1 5 u s ，保护电路作用就可以延时，如果此时i g b t 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 过流现象仍然存在，则保护电路就慢关断i g b t ，如果i g b t 的过流现象消失， 驱动电路又将栅极驱动电压升高至1 5 v ，保护电路不会误动作。 驱动模块检测到i g b t 发生过电流时，采取慢关断i g b t ，从而保证i g b t 不被损坏，如果以正常速度切断过电流，则线路杂散电感引起的l d i d ，过大， 在i g b t 的集电极上产生的电压尖脉冲足以损坏i g b t ，除慢关断外，采用缩短 直流配线可减少杂散电感，从而降低尖峰脉冲，并用吸收电容吸收尖峰脉冲。 过流保护采用双重保护，单管的过流保护如上所指，过流的集中保护采用 响应速度极快的霍尔电流传感器检测直流母线电流，过流时母线电流超过设定的 阈值，保护电路动作，封锁逆变桥驱动电路的驱动信号，确保i g b t 工作的安全 性，母线电流集中保护的电路见图3 - 6 。 图3 - 6 母线过电压集中保护 ( 2 ) 欠压保护：从i g b t 的特性可知，当电源电压低时，会因其驱动功率不 足而造成元件损坏，另外，当逆变器直流侧电容两端出现欠压时，也应立即关闭 逆变器，否则也会造成i g b t 永久损坏，欠压产生的原因主要有：( 1 ) 供电电网电 压偏低；( 2 ) 电网中有大功率负载投入或同一电源中其他电器设备短路；( 3 ) 电容 不足或电容损坏。 + l 肼 图3 - 7 欠压保护电路 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 欠压保护电路如图3 7 所示。电阻分压检测直流母线电压。欠压保护设定 8 0 u d ，设定欠压大于一段时间后，欠压保护电路才发出保护信号，这样既能 在真正欠压时，检出信号进行保护，又不至于因短时间并未构成危险时而保护误 动作。提高了系统的抗干扰能力和运行的可靠性【2 9 1 。 ( 3 ) 过压保护电路：过压保护电路为图3 8 所示。过压保护的原理同欠压的 相同。i g b t 的缓冲电路( 吸收电路) 。因为i g b t 工作于高频开关状态，开关过程 中电压、电流变化率极大，容易造成过电压、过电流，并增大开关损耗。因此缓 冲电路是i g b t 合理使用、安全运行的重要环节。缓冲电路的主要作用是：减小开 关过程应力，即抑制z 。d , ，d l d , ；改变器件的关断轨迹，使器件工作于安全 工作区内，避免过电压过电流；减小器件的开关损耗。 设计中所采用的缓冲电路为r c d 充放电型缓冲电路，如图3 - 9 所示，使用 快恢复二极管v d 钳位瞬变电压，既可以抑制震荡的发生，又增大了缓冲电阻值。 r c 时间常数设计为开关周期的1 3 ，以保证缓冲电容c s l 上吸收的尖峰电压在每 一个开关周期内通过r 1 放掉。 + 1f | v 图3 8 过压保护 ( 4 ) i g b t 的栅源保护：i g b t 的栅源电压一般不允许超过2 0 v ，在栅源两端 反并联一个稳压值为15 v 的稳压管，实现栅源保护。 i r g 4 p h 4 0 u d 图3 - 9 r c d 吸收电路 1 k 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 ( 5 ) 漏源过压保护：过高的漏源电压会将i g b t 击穿损坏，必须加以限制， 系统中采用缩短直流配线从而降低分布电感，在i g b t 的漏源两端并联r c d 缓 冲电路，如图3 - 9 所示，直流母线并联无感电容也起到缓冲作用。 ( 6 ) 过热保护：结温过高会使i g b t 的安全工作区变窄，易损坏i g b t ，因此 应设置过热检测保护措施，系统中采用温度继电器贴于i g b t 的散热器上，当散 热器温度高于温度设定值( 8 0 0 c ) 时，温度继电器的触点闭合，产生过热信号去封 锁驱动信号输出1 3 0 l 。 图3 1 05 7 m 9 6 2 a l 的实际应用电路 3 、驱动电路 驱动电路的电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，电源应有足够的功率， 以满足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路要采用独 立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立，以减小相互间的 干扰，推荐使用带多路输出的开关电源作为驱动电路电源。 本系统选用三菱公司生产的i g b t 专用驱动模块m 5 7 9 6 2 l ，该模块专门用 来驱动n 沟道i g b t ，它在输入信号和i g b t 之间实现了光藕隔离，于是从输入 端看来，它相当于一个具有电气隔离性质的信号放大器，而且内部具有短路电流 检测功能，当检测到短路信号时，输出故障信号并停止工作，使得i g b t 受到保 护。 根据上面的理论设计，给出实际的m 5 7 9 6 2 l 外围电路，如图3 1 0 所示。 由于全桥逆变需要四个i g b t ，故需要四路独立的驱动电路，所谓独立，是指其 供电电源相互独立，不共地。在此本文只给出一路驱动电路，其他三路原理完全 相同，所不同的地方在于驱动信号的时序不同而已。 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 由于本系统所确定的模块工作频率为1 6 k h z ，所以对于该驱动芯片来说， 需要注意以下几点1 3 1 1 1 3 2 1 ： ( 1 ) 驱动芯片的最大输出电流峰值受栅极电阻r g 的最小值限制，例如，对 于m 5 7 9 6 2 l 来说，r g 的允许值在5q 左右，这个值对于大功率的i g b t 来有些 偏高，当r g 偏高时，会引起i g b t 的开关上升时间f d ( 。) 、下降时间岛( o f f ) 以及开 关损耗的增大，在较高开关频率( s k h z 以上) 应用时，这些附加损耗过大了。 ( 2 ) h h 便是可以忽视附加损耗和开关时间，但在实际使用时，必须考虑驱动 电路的功耗，特别是当开关频率高到一定程度时( 高于1 4 k h z ) ，会引起驱动芯片 过热。 ( 3 ) 驱动电路缓慢的关断会使大功率i g b t 模块的开关效率降低，这是因为 大功率i g b t 模块的栅极寄生电容相对比较大，而驱动电路的输出阻抗不够低。 还有，驱动电路缓慢的关断还会使大功率i g b t 模块需要较大的吸收电容。 实际驱动电路经过实际调试，与上面理论分析基本相同，输出与输入同相， 完全符合系统的要求。输出滞后输入一小段时间，这是因为芯片内部有延时功能 的缘故。 4 、输出滤波器的选择和参数设计 输出交流滤波器的作用是滤除逆变桥输出s p w m 波中的谐波分量，表面看 来好象l c 滤波参数越大，系统输出波形越好。实际上，滤波时间常数越大，不 仅滤波电路的体积和重量过大，而且滤波电路引起的相位滞后变大，采用闭环波 形反馈控制时，整个系统的稳定性越差。相反，滤波参数选得过小，系统中的高 频分量得不到很好的抑制，输出电压不能满足波形失真度的要求。因此，选择滤 波器参数时，要综合考虑这两方面的因素。 在逆变电源中，通常使用的是r 型或者是n 型滤波器，如图3 1 1 所示。 由于r 型滤波器是最简单的一种形式，所以它的应用也最广泛。下面主要 对r 型滤波器进行讨论。 1 i ( a ) r 型( b ) n 型 图3 1 1 逆变系统中常用的滤波电路 一般的说，r 型滤波器是按照低通滤波器的计算方法进行设计的，使逆变 器基波频率落在通带内，从而达到抑制谐波、保留基波的目的。但是，仅仅这一 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 点是不够的，设计时还应考虑滤波器对逆变主电路的影响。在实际设计中，若不 考虑到滤波电路对逆变器主电路的影响，则往往可能造成逆变器工作不稳定、不 可靠。 逆变电源对输出谐波含量有明确的要求，即单次谐波含量小于3 ，总谐波 含量小于5 ，因此输出滤波器的设计是十分重要的因素，为了使逆变器与滤波 器成为逆变电源整体中的一个合理单元，在逆变电源中，对滤波器设计时的要求 可总结为如下几点： ( 1 ) 使单次谐波和总谐波含量降到指标允许的范围以内。 ( 2 ) 负载大幅度变化时，滤波器对主电路正常运行的影响尽可能地小。 ( 3 ) 负载变动后，输出电压的波动要尽可能地小。 ( 4 ) 在满足指标要求的情况下，滤波器所用的元件尽可能地少。 对于本次设计的滤波器，滤波电感为l ，= 1 2 m h ，滤波电容c ，= 5 3 u f 。 图3 1 2 为电路中设计的滤波器。 l 图3 1 2 输出滤波电路 5 、电压电流采样及其调理电路 根据设计方案中动态调节的双闭环电路，因此两个反馈通道，分别对滤波 器电容上的电压、电流进行采样。反馈电路包括电压、电流采样电路，信号电平 转换电路。逆变电源滤波电容上的电压、电流经过霍尔电压、电流传感器，转换 为可测量的电压，进入信号调理电路，得到满足片内a d 转换要求的被测信号， 送入片内a d 转换器。s 3 c 4 4 b o x 内部a d 转换器，输入信号的范围为0 - - 3 3 v 。 但实际在本系统中是对滤波电容上的电压、电流进行采样，被测信号为正弦波， 有正有负，所以仅是简单的调整输入模拟量幅值的调理电路不能满足要求，要在 输入端的信号调理电路中加入信号调理电路使输入信号为正。图3 1 3 为电压检 测及信号调理电路原理图 3 3 1 。 在此电路中，l v 2 8 p 为l e m 公司的闭环0 t 偿) 电压霍尔传感器。l m 3 3 6 2 5 集成电路是精密的2 5 v 并联稳压二极管，用它来提供2 5 v 的电压基准。在图 3 1 3 中，r 2 = r 3 ，r 4 = r 5 = r 6 ，c i 对送入采样通道的信号进行滤波。图3 1 4 为 电流检测及信号调理电路，图中l a 2 8 p 为l e m 公司的多量程电流传感器，最 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 大能够测量3 6 a 的电流，在这次的设计中采用了原边额定电流8 a 的接法。调理 电路和电压检测调理电路相同。 图3 1 3 电压检测及信号调理电路 图3 - 1 4 电流检测及信号调理电路 3 2 3p e b b 通信接口硬件设计 p e b b 通信接口采用p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 进行设计，p d i u s b d l 2 是p h i l i p s 公司生产的符合u s b l 1 协议的u s b 接口芯片。此芯片是带有并行 总线和局部d m a 传输能力的全速u s b 接口器件。片内集成了高性能的u s b 接 口器件、s i d 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器 处理器实现高速并行接e l ( 2 m b s ) 。p d i u s b d l 2 功能结构图如图3 1 5 所示。 p d i u s b d l 2 共有3 个端点，可以通过s e tm o d e 命令配置为4 种不同的模式， 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 分别为：非同步传输( 模式o ) ；同步输出传输( 模式1 ) ；同步输入传输( 模式2 ) ； 同步输入输出传输( 模式3 ) 。 j二册耳爵ij p l l 内部r a m d + jiji d _ 位时钟恢复 s o f t c o n n e c t 一 存储器 1r1 r i 电压调整器 模拟收发器i 串行接口引擎 管理单元 h 一 i并行和 d m a 接口 图3 - 1 5p d i u s b d l 2 功能结构图 i 图3 - 1 6p i d u s b d l 2 与s 3 c 4 4 8 0 x 的硬件连接 p e b b 与u c 除了在通信接口上的设计不同以外，p e b b 中还包含功率器件， 这里只讨论p e b b 通信接口的设计。p d i u s b d l 2 的八位并行数据总线接入 s 3 c 4 4 b o x 的数据低八位，即d 0 - - - d 7 。用s 3 c 4 4 b o x 的a 0 与p d i u s b d l 2 的 a 0 相连接，作为p d i u s b d l 2 数据和命令的选择线。片选信号接i s ，作为i o 空间被访问。当对p d i u s b d l 2 的a 0 口写l 时，对p d i u s b d l 2 发命令；当对 p d i u s b d l 2 的a 0 口写o 时，给p d i u s b d l 2 写数据或者从缓冲区中读数据。 p d i u s b d l 2 与s 3 c 4 4 b o x 的数据交换采用中断方式。这里将p e b b 设计成一个 自供电的u s b 设备。因s 3 c 4 4 b o x 为3 3 v 电压供电，p d i u s b d l 2 也应采用3 3 v 电压供电，即将v o u t ( 3 3 ) 和v c c 均连接到3 3 电压母线上。由于是自供电设备， 中南大学硕士学位论文第三章单相全桥电压逆变器硬件结构设计 故电源必须要与总线的电源进行隔离，自供电电源与u s b 总线的电源之间只能 共地，同时设备不能通过u s b 口向v b u s 输出电流。p d 砌s b d l 2 片内集成了 6 m h z - 4 8 m h z 时钟乘法p l l ，这样就可以使用低成本的6 m h z 晶振，e m i 也 随之降低。p d i u s b d l 2 的g l n 接l e d ，对其工作状态进行监控，l e d 在u s b 被连接时会发光，在进行数据传输时会闪烁，l e d 常亮或一直不亮说明u s b 接 口有问题1 3 l l l 3 5 】【3 6 1 。 3 3 通用控制器的硬件设计 3 3 1 通用控制器的功能及特点 相对于p e b b 主要用来执行底层的硬件任务，通用控制器主要负责控制算法 的实现和控制逻辑。它的主要功能包括：p e b b 模块的识别；对由p e b b 组成的 功率变换器的逻辑控制；各种数字控制算法( 主要指p w m 算法) ；各种应用场合 的初始化；对系统级的电压、电流、负载等的控制；接受上层系统的控制。 通用控制器作为控制不同种p e b b 的通用管理器，它的硬件结构和软件体系 应该具有以下特点： ( 1 ) 硬件结构的独立性。基于p e b b 结构的非单一性以及由p e b b 组成的功 率变换器结构和功能的多样性，通用控制器的硬件结构应该独立于所控制的功率 变换器的拓扑、传感器的形式等。 ( 2 ) 通用性。因通用控制器能够自动识别p e b b 模块，并根据所要组成的功 率变换器进行不通的控制算法和逻辑的加载，因此，它具有控制多种功率变换器 的能力，换言之，它对多种功率变换器而言具有通用性的特点。 ( 3 ) 扩展的灵活性。随着电力电子设备功能的复杂性提高以及分布式系统控 制的灵活性的增强，要求通用控制器应该便于功能的扩展和升级。因而对于通用 控制器的软件体系提出了较高的要求。 明确了通用控制器的功能和特点之后，对于通用控制器的软硬件设计就具有 了明确的针对性与目的性。 3 3 2s 3 c 4 4 b o x 简介 核心处理单元选用三星s 3 c 4 4 b o x 作为处理器。s 3 c 4 4 b o x 是1 6 3 2 位 p d s c ( 精简指令集) 处理器，为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微 控制器解决方案。为了降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括： 8 k b c a c h e 和内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道 d m a ( 直接数据存储) ，系统管理器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带p w m 功能的5 通道定时器和一个内部定时器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c ，c 总线接口，i i s 总线接口和p l l 倍频器【3 7 1 1 3 8 1 。 s 3 c 4 4 b o x 是使用a r m 7 t