（计算机应用技术专业论文）高性能小体积逆变器的研制.pdf

亘壹窒道盍雯亟塑窒生堂垡迨宴第1 页 摘要 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技 术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技 术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相 关。 本文结合日本株式会社要求研制设计的三相交流a c l 5 0 v 、4 5 0 h z 输入， 2 2 0 v 、5 0 6 0 h z 单相正弦波输 a b s t r a c t p o w e ft e c h n 0 1 0 9 yi sap o w e rs e m i c o n d u c t o fd e 、，i c ea p p l i c a t i o n s ， t h ei n t e g r a t e dp 叫咒r c o n v e r s i o nt e c l l n o l o g y ，m o d e me l e c 昀n i ct e c h n o l o g y ， a u t o m a t i cc o n t r 0 1t e c h n 0 1 0 9 y m u l t i d i s c i p l i n 8 r yc r o s s - e d g et e c b n o l o g y w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e 蛆dt e c h n o l o g y ， 研也t h ep o w e ro f o d e mt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt h e o f y ，m a t e r i a l ss c i e n c e ， e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ， m i c r o e i e c 仃0 n i ct e c h n o i o g y 粕dm 姐yo t h e ra r e a sa r ec i o s e i yi i n k e d t h ec o m b i n a t i o no fj a p a nl t d f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h et h r e e - p h a s ed e s i g na c l 5 0 v ， 4 5 0 h zi n p u t ，2 加v ， 5 0 鲫 zs i n g l e p h a s es 沁w a v eo u t p u to fl h ea b m p tp o w e rd e s 咖 p r o j e c t sr e l yo nt h ew o r ka 罟净i n s ts i n u s o i d a lw a v ep i i c i p l e s ， 粕dm e t h o d st oc o n t r o lt h e e x p o f t 工c c 0 v e r y ， 蛆do 也e ri s s u e ss t i l d i e d j u 蟛n gf o c u s e do nt h ep o w e ro ft h e 叩e m t i n g p r i n c i p l e so fr e s e a r c h ， a n df r o mt h ec o n t r o ls t i a t e g i e s ，f i l t e r si m p m v ew i t ht h ep e r s p e c t i v e 0 ft h ea b n l p tp o w e rd y n 锄i ce x p o np e r f o m 姐c e ， 粕de n h 如c e 山ep r e s t 逗ep o w e rp r o d u c e d p r e c i s i o n ， w h mi m p m v i n gt h eo u l p u tv o l t a g cs i n ed e g 陀e s ， 豫d u c i n gt h eo u t p u tv o l t a g e h a 珊o n i c sc o t e n t e 】【p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no fd a t at h l o u g hl a f g em a i l lc i r c u i t ，t h ec o n t r o l p a r a m e t e r s ， f i l t e rd e s i g n s y s t e mu s i gh 远h 雠q u c yc h 蛆g e ， t h eu s eo fs p w m p r e p a r a t i o np r i n c i p l e s ， a n d a c h i e v ea c - - d c a cc o n v e f s i o n ；u s i gt e c h n o l o g yt oa c h i e v ev 0 1 t a g ef e e d b a c kl o o p c o n t r o l ；a tt h es a m et i l l l ci ii si m p o r t e d1 0 w e rv b l t a g ep r o t c c t i o n ， e x p o no v e d o a d ， e x p o r c j n gs h o nc i r u i tp 加c c c 曲n ， o v e rc i r c u _ i t ；a l s o ， i n1 i 庐co f 血e e e dt oa c h i e v es i n 鲥e ， t h r e e _ p h a s e ( t h i e e s i l l 酉e - p h a 嘲c o n v e r s i o no rt h r e e _ p h a s ea s y m m e t r ye x p o r t a s ah i g h d e g r e eo fi n t e 口a t i o n 姐ds l n a r tp o w c rm o d u l ed e d i c a t e dc h i ps a 4 8 2 8 粕dp s 2 1 8 6 5 ， i t s m a s t c rd e g r e e sh i g h e rf r o mac e r t a i l le x t e n tr e d u c e dc i r c u i tc o n l p l e x i t y ，b u ta l s or e d u c et h e v o l u m eo fh i g h - p e t f o 衄a n c cs m a us i z ec a nb es a i dt ob eap o w e r 也i n g t b s t i n ga n dp r a c t i c a i a p p l i c a t i o nh a ss h o w nt h a tt h ep o w e fo fs m a us i z e ，g o o dp c r f o 加蛆c e ， l o wp i i c e ， h 追h r e l i a b i l i t y ， a n dt h eo u t p u tw a v e f o m lg o o dp e b 珊a n c et om e e tr c q u i r e m e t s k e y w o r d s ：i n t e r v a lp o w e rs u p p l y ， s p w m ， i t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ， a c - d c - a c t m n s f b r i n a t i o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 逆变，是指整流器的逆向变换，其作用是通过半导体功率开关器件的开通 和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换，由于是通过 半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高， 逆变电源也随之产生。 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与 现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前， 电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通 讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高 质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。电源如今已是非常重要的基 础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持。 随着电源技术的迅猛发展和电力工业的发展，逆变器的应用也越来越广 泛，同时逆变器也是电力电子技术的重要研究对象。由于我国工频电网质量较 差，同时电子设备的供电电源要求各异，各种逆变电源也就因运而生。 逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得 稳压稳频的交流输出。逆变电源是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、 微处理器及自动控制等多种学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之 一口 目前，基于脉宽调制原理设计制造的逆变电源已广泛应用于航空、航海、 电力、铁路、邮电、医疗、科研等诸多领域。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：其一，变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频 率的交流电源；其二，变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也 能将三相交流电转换为单相交流电；其三，逆变电源能将直流电转换为交流电； 其四，逆变电源能将低质量的市电电压转换为高质量的稳压稳频的交流电压。 中频中、小功率逆变电源由于其应用场合多为航空、航天领域，因此要求在满 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 足各项性能指标的同时减小体积、简化控制、降低成本。 1 。2 研究的背景、进展及意义 目前，逆变电源已经广泛应用在各行各业当中，尤其是一些需要对市电进 行特殊转换的行业，但同时对它的体积、成本等又提出了要求，而且对逆变电 源的性能要求是越来越高。早期的逆变电源只要求其输出不断电、稳压、稳频 即可，然而，今天的逆变电源不但需要其输出电压稳定，输出频率精确，而且 要求其必需环保无污染，即绿色环保电源。因此高性能的逆变电源的设计必须 考虑下列事情：( 1 ) 高输入功率因数，较低的输出阻抗；( 2 ) 快速的暂态响应： ( 3 ) 效率高、稳定性高、可靠性高；( 4 ) 低的电磁干扰；( 5 ) 智能化。 本文结合日本株式会社要求研制设计的三相1 5 0 v 、4 5 0 h z 交流电输入， 单相2 2 0 v 、1 0 a 、5 0 6 0 h z 交流电逆变电源项目。在大量的实验数据基础上对 逆变电源在性能控制、稳定性、可靠性方面进行了深入探讨；同时，根据 1 5 0 - 1 5 0 + 1 0 0 ( 删皿3 ) 的体积要求在主电路设计时，对正弦波发生器和功率 模块选型上做了精心对比。 1 3 本文的研究工作 本文针对工频中、小功率逆变电源的设计研制工作。整个系统力求体积小， 简单可靠。采用上世纪9 0 年代末才推出的多功能高集成度专用s p w m 控制芯片 s a 4 8 2 8 和智能功率模块p s 2 1 8 6 5 开发了一种新型高性能逆变器。从控制策略、 主电路的参数设计和控制电路的参数设计入手，对高性能的单相逆变电源开展 研究，根据大量的实验数据证明本文所提出的控制方式和计算出的主电路参数 在逆变电源的性能、体积方面具有一定优势，同时也得到了日本株式会社的认 可。 论文的主要内容归纳如下： 1 ) 波形发生器和功率模块的选取、工作原理； 2 ) 主电路的参数设计，包括滤波器的设计等； 3 ) 单片机的程序设计： 4 ) 实验数据及结果； 堕亩童道盍学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章逆变电源概述 2 1 逆变技术的概念和分类 随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电 设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形 式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度 及变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如通信电源、电弧焊电源、电动机 变频调速器、加热电源、化工电源、汽车电源、绿色照明电源、不间断电源 ( u p s ) 、医用电源、充电器等等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组 合电路对原始电能进行变换后得到的。 通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整 流电路。与之相对应的，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能 的电路则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。 逆变技术主要包括三部分内容：半导体功率集成器件及其应用、功率变换 电路和逆变控制技术。 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 如下： 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。 工频逆变一般指5 睢6 0 比的逆变器；中频逆变的频率一般为4 0 0 & 到十几k 弛； 高频逆变器的频率则一般为十几l 沮z 到m h z 。这里需要说明的是，在现代高 频开关电源领域，5 0 0 k k 以上才算是高频，但是在逆变领域，有时功率比较 大，2 0 k i z 的超音频算做高频。 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 ) 按逆变器输出能量的去向，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 ) 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应 管逆变、i g b t 逆变等等。 6 ) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 6 ) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 7 ) 按输出电压或电流的波形，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( p f m ) 逆变和调脉宽式( p w m ) 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 和定频软开关式逆变。 2 2 逆变的目的和优越性 采用逆变技术是为了获得不同的稳定或变化形式的电能，因此它有很多的 优越性。 1 灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率。 2 明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料。 很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量。对 于变压器有以下公式： u t 猁s b m 式中u 绕组电压： 臣波形系数； ，工作频率； 绕组线圈匝数； s 变压器铁芯的有效截面积； b 。铁芯工作最大磁通密度。 由上式可知，当u 、k 和丑。都不变时，嬲与，成反比关系，如果变压器 绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器的体积将显著减小，当然也节约 了制作变压器的铜材和磁性材料。 3 高效节能。 4 动态响应快、控制性能好、电气性能指示好。 5 保护快。 2 3 逆变技术的应用领域 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 4 逆变电源的发展概况及发展趋势 图2 1 所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成。 从图中可以看出逆变电源中的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电 路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流信号p _ | i m 波，其基波频率是逆变 电源的输出频率。该信号经输出变压器隔离，再由l c 滤波器滤成正弦波。这 一能量转换、传递的过程通常表示为a c d c a c 。直流输入、输出隔离型的逆 变电源结构与图2 1 基本相同，只是不再需要输入端的整流电路，能量转换传 递的过程可表示为d c a c 。在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心。 图2 1 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2 0 世纪6 0 年代； 到目前为止它已经历了三个发展阶段。 第一代逆变电源的特点是采用晶闸管( s c r ) 作为逆变器的开关器件，称 为可控硅逆变电源。由于s c r 是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换 流电路来强迫关断s c r ，s c r 的换流电路限制了逆变电源的进一步发展，主要 表现在：1 ) 电路复杂。2 ) 限制了性能的提高。3 ) 由于s c r 逆变器的控制电 路复杂，逆变电源难于实现数字化。4 ) s c r 逆变电源的噪声大、体积大、效 率低、发热严重。 第二代逆变电源的特点是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自2 0 世纪7 0 年代后期，各种自关断器件模块相继实用化，它们包括可关断晶闸管 ( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 绝缘栅双极型晶 体管( i g b t ) 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， 逆变器采用自关断器件的好处是：1 ) 简化了主电路。2 ) 提高了性能。由于自 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 来提高线电压的幅值。 目前，逆变电源的发展趋势有以下几个： ( 1 ) 高性能化 高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面：1 ) 稳压性能好。空载及负载时输出电压有效值要稳定。2 ) 波形质量高。不但要 求空载时的波形好，带载时波形也要好，对非线性负载的适应性要强。3 ) 突 加突减负载时输出电压的瞬态响应特性好。4 ) 电压调制量小。5 ) 输山电压 的频率稳定性好。6 ) 对于三相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。输出电 压的高性能是用电设备对这变电源的要求，控制方式的改进是逆变电源达到高 性能的主要手段。 ( 2 ) 模块化 模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个 较大容量的逆变电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，逆变电源的 并联比赢流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方 面的问题。 ( 3 ) 小型化 在逆变电源中，决定整个装置体积和重量的部分是变压器和l c 滤波器， 变压器可能放在输入部分，也可能放在输出部分，起电压隔离或电压匹配的作 用：l c 滤波器用于滤除p w m 波中的高次谐波，滤波器的尺寸与p w m 波的频谱特 性有关。要使逆变电源小型化，可以采用的方法有三种：1 ) 提高开关频率， 使滤波器小型化；2 ) 采用新的p w m 控制方式，优化逆变桥输出的p w m 波的频 谱，使滤波器小型化；3 ) 用高频变压器实现电压的隔离及匹配，替代输入或 输出的低频变压器，实现变压器的小型化。替代的方式有两种，一种是在直流 部分加入高频d c d c 变换器来实现电压的隔离和匹配；一种是采用高频逆变方 式产生高频p w m 波，然后用周波变流器将高频电压转化为低频电压。 ( 4 ) 高输入功率因数化 对于交流输人的逆变电源，中间环节直流电源一般由二极管整流获得，输 入功率因数不高。提高整流侧的输入功率因数不仅可大大提高逆变电源对输入 电能的利用率，而且可以克服逆变电源对电网产生谐波污染的缺点。 ( 5 ) 数字化 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 数字化是指控制器的数字化，数字化具有参数容易整定、控制器参数不易 变化。可靠性高、灵活性大、价格便宜、保密性好等优点。逆变电源的数字化 需要解决数字控制器易受干扰这一问题。 ( 6 ) 智能化 一个智能化的逆变电源除了能够完成普通逆变电源的所有功能外还应具 有以下功能：1 ) 对运行中的逆变电源进行监测，随时将采样点的状态信息送 入计算机进行处理，一方面获取电源工作时的有关参数，另一方面监视电路中 各部分的状态，从中分析电路的各部分工作是否正常；2 ) 在逆变电源发生故 障时，根据监测的结果；进行故障诊断指出故障的部位，给出处理方法；3 ) 自动显示所监测的参数，有异常或发生故障时，可以自动记录有关异常或故障 的信息：4 ) 按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检 记录文件；5 ) 能够用程序控制逆变电源的启动和停止，实现无人值守的自动 操作；6 ) 具有信息交换功能可以随时向上位机输入信息，或从上位机获取信 息。 一台设计良好的逆变电源应该包括如下部分： ( 1 ) 交流输入滤波回路及整流回路； ( 2 ) p w m 脉冲宽度调制型的逆变器； ( 3 ) 各种保护( 过流和限流，过压、空载保护，电池极性和交流极性检 测电池电压过低) 电路及相关指示； ( 4 ) 逻辑控制回路。 亘蜜交通本学硕士研究生学位论文第1 1 页 g t o 、g t r 、v m o s f 王玎括鎏夔舞虢鼬五可厨谢渔陪；雕雾囊癌酬牦两澌鞘 旅确渐羹节毒；l 巍；| j i 甜。 蚕i 。；墨陌| 兵罐落攀 薹。霪萋嚣雾纂羹蓊蠹囊鋈囊垂 碧；l 列夏曼酷驽囊玉m 鲥羞刍二嚣l 薹l 毳豸毫霎警。薯1 、，引啸戋卧蠡帮耋要奏i j ；j 瓣 笺的 计算机、通信设备、检测设备等都需要采用 不间断电源。在u p s 中，主要有充电器和逆变器。电网有电时，充电器为蓄 电池充电；在电网停电时逆变器将蓄电池中的直流电逆变成交流电供给用电设 备。 ( 4 ) 感应加热 中频炉、电磁炉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。 ( 5 ) 弧焊电源 ( 6 ) 通信开关电源 ( 7 ) 变频电源 世界上一些国家采用的是6 0 h z 的市电( 有的场合还采用4 0 0 h z 的交流 电) ，而我们国家采用的是5 0 h z 的交流电。我们在生产出口家电等产品时，调 试、检测等过程中都需要大量的6 0 h z 的交流电源。采用逆变技术就可以设计 出这种电源 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 4 、散热效果好采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装在散热器上； 5 、端子布局合理，便于安装强弱电的输出输入端分别安排在模块的两侧， 傲到尽量减少干扰。 智能功率模块p s 2 1 8 6 5 外形及端子分布如下图所示。 d 球口m 的内部结构： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 为负端；v n l 及v n c 为下桥臂工作电源输入端，v n l 为正端，v n c 为负端： c 玳为电流检测信号输入端；f o 为故障输出端( 低电平有效) ；c f o 为故障输 出脉宽控制端：j f b 及、，u f s 为u 相驱动电源两端，j f b 为高端，f s 为低端；v m 及w f s 为v 相驱动电源两端，v b 为高端，w f s 为低端； v f b 及v w f s 为w 相驱动电源两端，v w f b 为高端，v w f s 为低端。 该模块的最小输入信号脉宽为3 0 0 s ，d 口i p m 的控制i c 将会忽略掉所 有脉宽小于3 0 0 i l s 的脉冲，所以即使这些脉冲被输入，d 口i p m 也不会产生 任何误动作。 最大额定值： 定义对象符号最大额定值单位 功率器件的结温 t j - 2 0 - 1 2 5 储存温度 t s t g 4 0 1 2 5 环境温度 t c 2 0 1 0 0 过压保护值 v c c o r o t ) 4 0 0v 绝缘耐压 2 5 0 0 v l g b t 变频侧 集电极一发射极电压 v c e s6 0 0 v 直流母线浪涌 v c c ( s i 叼e ) 5 0 0 v 集电极电流( t c = 2 5 )i c 2 0a 集电极峰值电流( t c _ 2 5 )i c p 4 0a 集电极功耗( t c = 2 5 ) p c5 2 6w 控制侧 控制电压 v d2 0 v 驱动电压 v d b2 0 v 输入信号 v i n0 5 v d v o 5 v 故障输出信号电压 v f 00 5 v d v 0 5v 故障输出信号电流 i f o 1i n a 电流采样输入电压 v s c加5 - v d v 0 5 v 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 第4 章脉宽调制技术及其控制方法 4 1 正弦脉宽调制( s 阳m ) 技术简介 s p w m 正弦脉宽调制法( s i n u s o i d a lp w m ) 是调制波为正弦波、载波为三 角波或锯齿波的一种脉宽调制法。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控 制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比 较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。 下面把s p w m 原理做一简单分析。s p w m 是在p w m 基础上，使输出电 压脉冲在一个特定时间间隔的能量等效于正弦波所包含的能量。为了实现 s p w m ，可将正弦波的一个周期平均分成2 n 等份，于是每一份的宽度为d n ， 在假定电压脉冲的幅值不变且不小于正弦波的峰值的条件下，使第i 个等份的 电压脉冲与正弦波的所围面积相等，即 莲e ：f 嗨括踟s i n 蒯础 0 式中，6 为第i 个脉冲的宽度；n 为第i 等份的起始角；e 为电压脉冲幅 值；v m 为正弦波的幅值( e ) 。于是由上式可求得为 矗：2 生s i n 三如罡一旦) e2 nn2 n 上式表明正比于正弦波的幅值与三角波的幅值之比，也正比于分段中心角 的正弦值。此外，其高次谐波的幅值表达式为： 碥= 筹篁( - 1 ) m 2 c - 。s 胁s 粤 由上式可知：基波及各次谐波的幅值与脉冲宽度有关，而脉冲宽度又与正 弦波的幅值与三角波的幅值之比有关。因此，只要适当地调节基准正弦的幅值 大小就可以调节逆变器电压的大小。这种调制方式的另一个重要特点是：在正 弦波的幅值小于三角波幅值时，输出波形中不包含3 、5 、7 次等低次谐波分量， 而仅包含与三角波频率接近的高次谐波。 亘壹童塑盎堂亟士研究生学位论文第16 页 4 1 1 双极性正弦脉宽调制 隔4 1 _ 鼹辙控调翩毽蹁降 。! 一： 一，、：。 ：苎蟹? ，零黜， 一 蝗 tl， ! 一 l ，所带帮惘j 盯。陌。睢0旷丌：圈 臼! 小批、”? 。攫“斟攀蠼蚓蜩 1 稠4 - 2 敢蛾性s p 喇波形脯 可以看出，这是一组正负之间的等幅不等宽的脉冲，逆变器的直流电源为 e 。载波为全三角波的单相双极性s p w m 逆变器输出电压的谐波包含下列成 分：基波、载波、载波的m 次谐波、载波及载波如次谐波的上下边频谐波。 其中基波幅值与调制度m 成正比，故只要适当地调节调制波( 正弦波) 的幅 值大小就可以调节逆变器电压。当m 为偶数时，载波的m 次谐波不存在； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 4 1 2 。单极性正弦脉宽调制 这种逆变器的主电路与s p w m 波形如下图所示 隔4 3 雌投牲捌潮电龄网 _ ， 一 ， _。 一 ： ： ， 一； - 。 一一一 ：；乎 i - ” ： 。 - 弋一 ： 一 7 “ -_j 一， 一。一 ： 1 蹦4 4 举搬性删敬彤 单极性逆变电路输出电压的傅立叶级数表达式为 f 慵+ * 魄= 她斑她卜妒) + 等瞄( h 耵r ) 坤m 越，2 括l 茸，：l 三趣丝盟蛳国+ 扑) 峨t 一托鲫 l n 式中，m 为相对于载波的谐波次数；n 为相对于调制波的谐波次数；s 为 调制波角频率；m 为调制度；n 为载波比；f 为正弦波初起始角；j n 为b e s s e l 系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 4 2s a 4 8 2 8 三相脉宽调制波发生器介绍 s a 4 8 2 8s p w m 发生器芯片是英国m e t e i 公司生产的增强型三相脉宽调制 波发生器。其可产生调制波用于交流感应电机的速度控制，静止逆变器，u p s 电源及其他需要精确的电源波形发生器的电子设备提供波形。 六路数字式p w m 输出信号经过一组隔离的门驱动单元，控制三相桥式逆 变器中的六个功率开关。 包含在p w m 序列中的信息，控制输出调制波的波形、电源频率、方向、 幅值和每一相之间的相位关系。载波频率，最小脉宽，死区时间等参数在芯片 的初始化过程中定义，使该s a 4 8 2 8 芯片适用于多种速度的功率半导体器件。 载波频率最大可设置为2 4 圈也。 s a 4 8 2 8 芯片作为一种标准的外设，可以受控于任何类型的微处理器或微控 制器而几乎不需外加逻辑电路。管脚的配置使该芯片适用于大部分总线格式， 包括复用的地址数据总线格式和独立的地址数据总线格式以及r d ，脓或 月谬控制模式。由于仅在改变运行状态时需要微处理器的介入，因此工作时芯 片对c p u 的占用率是非常低的，稳态工作时甚至不占用c p u 的资源 脉宽调制波的产生是全数字化的，使之在恶劣的工作环境下仍能保持较高 的精度和温度稳定性。全数字化操作还提供了零速或近似于零速的运行状态， 得以实现直流制动。 输出波形频率采用1 6 位精度以获取更高的控制精度。对于一个运行于3 0 0 0 转，分的单极电机而言，速度分辨率可以达到0 0 5 转分。 如果有必要，可以单独控制每一相输出波形幅值的有效值。该方式针对三 相不平衡负载可实施补偿，尤其适用于开关电源以及不问断电源。 此外采用该方式还可产生两相输出用于单相电机控制器、逆变电源。 该芯片提供三种电源波形，适用于各种应用场合：纯正弦波用于产生波形， 三次谐波用于对电机的控制，d e a d b a n d i g 谐波可以降低开关损耗。 为了降低功耗s a 4 8 2 8 芯片采用亚微米的c m o s 工艺制造，它适用于工业 标准的温度范围，且具有d i l 和s o i l 两种封装形式。 主要特点： 1 1 全数字化操作 2 ) 配备微处理器接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 ) 1 6 位控制精度 舢载波频率最大可达2 4 k h z 5 ) 内部r o m 存有三种可选的输出电源波形 6 ) 可选择最小脉冲宽度和脉冲取消。独立的幅值寄存器可进行三相不平 衡补偿 7 ) d e a d b a n d i n g 谐波技术以减少功率器件的开关损耗 8 ) 看门狗定时器 9 ) 自举驱动器预充电 1 0 1 灵活的控制功能s a 4 8 2 8 能选择三种不同的输出波形，并且能通过软件 决定三相输出波形的幅值，是统一控制，还是三相分别独立控制。这 一功能扩大了用户的使用范围，尤其在需要解决逆变器负载1 0 0 不平 衡的问题时，显得非常重要。 4 2 2 s a 4 8 2 8 工作原理： m 踟怖帅嘏黼龄髅 i n 洲s a 押l 眦o n + v e 州o - v e p e a k 8 图4 5s a 4 8 2 8 波形发生器原理图 如图4 5 所示，s a 4 8 2 8 系列的p w m 发生器采用不对称的对存储波形进行 统一或双缘规律采样的方法。由于芯片内部存有三种标准的电源波形，使之能 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 适应各种特殊的应用场合。 总的来说，脉宽调制信号是通过比较信号波形( 这里是电源波形) 和频率 更高的锯齿波形或三角波形而取得一列脉冲串。两个波形的交点即逆变功率器 件开关的转换点，脉冲串的宽度正比电源波形的幅值。因此幅值越大，“o n ” 脉冲越长。 s a 4 8 2 8 芯片采用双缘调制方式生成p w m 波形s a 4 8 2 8 采用数字技术 避免模拟电路带来的温漂。三角波形是u p d o w n 计数器和一个数字比较器合 成的结果。这个数字比较器将三角波同电源波形进行比较。所谓的“双缘规律 采样”即在载波的峰顶和槽底对电源波形进行规律采样允许p w m 输出的两个 脉冲沿及时移动。( 一个三角波将产生一个恒定的脉冲沿和一个活动的脉冲 沿) 。 电源波形被数字化地存储在o n c h i pr o m 中( 每3 6 0 度有1 5 3 6 个单位) 。 电源频率按照r o m 被寻址的速度变化，这个变化速度同s a 4 8 2 8 的载波频率 没关系。即所谓的“不对称的p w m 发生器”。将从r o m 中采样获得波形幅值 进行比例换算可以得到不同的电压幅值。 图4 5 为三角载波和在载波的峰顶和槽底对r o m 波形采样后的步进波 形。( 同时有连续的波形供参考) 。由图4 5 可以看出p w m 的触发沿即载波和 采样波形的交点。 载波( 开关) 频率接近2 4 z ( 假定输入时钟是2 4 。5 7 6 m h z ) 可以实现超 静音工作。 电源频率范围接近4 k h z ，在所选范围内，输出频率精度达1 6 位，因此允 许高精度的电机控制和平滑的频率变化。因s a x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 闭所有的p w m 输出。因此，由于微处理器中断服务所产生的延迟问题也得到 了解决。 s a 4 8 2 8 包括看门狗定时器功能，一旦芯片与控制处理器的通讯丢失时，立 即中断输出。 4 2 3 s a 4 8 2 8 管脚介绍： s a 4 8 2 8 为标准2 8 脚双列直插贴片式封装；图4 6 为s a 4 8 2 8 的管脚图 图4 6 s a 4 8 2 8 的管脚 l n n o ，n a i n 1 y p f u n d l a np i n n o n a m n 即 f u n c n 1a d 3la d d n 女 1 5b p h 8o b i p h a 8 0 t h ns 训妯) 2a d 4la d d s a a 1 8 v 鸫 p0 vp c r s u p p v 3a d 5la d d m 母a l a1 7b p h tob i u ep h 日f t b p s 啪h ) 4 a 0 6ia d d 怕鹪，d a l a1 8y p h toy e i l o wp 蛔s o 脚s 恤h 5a d 7i a d d 怕s s ，d a 诅( m s b l 1 9s e t t r i p s e i o u l p u t t p ： 6 w r f f 洲) i w m 日s 虹o b 9 ( r 朝d ，w r 怕) a c # 坩h i g h i n 协m 鲥p u hd o 州1 7 而p s ) r 昀ds 协b 日协s 仲2 0r h p tor e dp h a s o ( t o ps w i 忙h ) 8 a l e f a s ) la d d r e 龉l 甜c he m l 9 ( ，髓$ s 喊蝴 2 1 w s sow w g f 啊ms a n 单h n 口8 ”c 9甚巨盯ih 甜d w b 伸r e 5 e t ：a 湘i o w 2 2z p p ro z m p i s 口r 副p h a 鲫) 1 0c l klc i o c ki n o u t 2 3r s r e g i 蜘r 3 e i e c i ：j n t e m 圳p u u p 1 1嚣 lc h ds e 眦ea 髓i v 0 d w 2 4 m u xib u s s e i 七i n l e m dp u u p 1 2t 孵ow p s t 酏j s ：l 洲t 岍p p 卅 2 5 pp o s 砌v ep o w e r8 u p 纠y 1 3r p h bor 。dp h e ( b o n o m 洲t c i q 2 6a d oi d d r e 5 s ，d a l 电m s b ) 1 4y p h boy e l 口wp h 8 拍 b o 帖ms 蚶l 啪 2 7a 0 1 a d d r e s 州d a t a 2 8a 0 2a d d f e 5 s ，0 8 l a 图4 7 & a 4 8 2 8 的管脚说明 嚣嚣警慧15；茹嚣鬈篓怠黑需裟 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第5 章逆变电源电路及单片机软件设计 5 1 电源的设计需求 a c l 5 0 va c l 0 0 v 4 5 0 h z 5 0 ，6 0 h z 1 1 2 5 k w l k w 输出波形为正弦波 需求： 输出电压值为1 0 0 v 5 vo 交流培流呻正弦波变换； 输出波形频率可以5 0 h z 6 0 h z 切换； 负荷短路保护 过电流及过电压保护 瞬时电压变动率在3 0 以内，2 秒内电压稳定在3 ； 输出一1 2 v d c 端子供充电用； 满足电器用品取缔法( 日本) ； 电源测试项目及要求： 过电流：3 0 秒内1 0 a 1 5 0 速度：2 分钟内1 2 0 过载能力：3 0 分钟内1 k + 1 1 0 频率：5 以下 瞬时频率：1 0 以下 瞬时电压变动率：3 0 以下 功率效率：8 0 以上 绝缘抵抗：1 0 m o 以上 波形畸变率：1 0 以下 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 率升高而降低。越一日1 “甜c ) 所对应的频率为截止频率f c ，f c 与l ，c 的关系如 下。 c 工暑1 ( 吐j c c ) ，珊2i1 ( l c ) ，c = 1 ( h 工c ) 本系统中逆变器输出电压基波频率f 为4 5 0 h z ，最低次谐波频率f k l 为 2 0 t 3 珏k ，设截止频率f c 为1 5 k h z 。可以看出f f c ，则础 f c ，则珊t 1 三 1 t l c ，此时 。，l 对最低次谐波的阻抗很大，因此滤波器不允许最低次谐波信号通过，更不 允许高于最低次谐波次数的信号通过。因此当我们将l c 振荡电路的振荡频率 设计为f c 时就能有效的滤除高次谐波。 现在计算l ，c 的值： 彤暑1 ( 妨l c ) 蕾l c ( 2 ，正) 令p 一u c 为特性阻抗，则上p 猕，由此可c _ 1 ，( 碱川。 由上式可知，只要知道f c 、p 的值，便可计算出l 、c 。 1 ) 特性阻抗p 的选择 特性阻抗d 与负载阻抗的关系是： p = ( o 5 加8 ) r l ， 2 ) 截止频率f c 的选择 截止频率f c 与最低次谐波频率墩1 的关系是：，cl - 曲6 。 式中b 称为滤波器的衰减系数，它是滤波器的谐波输入电压与谐波输出电 压的比值对数。 为了计算出l ，c 的值，我们必须先知道逆变器输出的最低次谐波频率、 谐波电压幅值以及设计要求的输出谐波电压值。 本设计中，f k l = 2 0 0 0 0 h z ，基波f = 4 5 0 h z 。由于额定负载电阻r l ：1 0 0 0 w 1 0 0 v = 1 0 0 ，取p = o 5 r l = 5 0 ，则根据以上条件可以计算得： 工；p 2 ，扣= 5 2 硝1 5 0 0 互0 s m l ， c 篁1 ( 2 耐：j 口) 算1 ( ：h + 1 5 0 0 + 5 ) = 2 1 乒坍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 5 6 。控制电路的组成及工作原理 整个控制器由微处理器和s p w m 发生器组成。在此采用a t 8 9 c 5 1 单片机 作为主控制器，s p w m 波的产生选择了专用集成芯片s a 4 8 2 8 ，输出采样和 1 1 4 3 1 精准电压比较。芯片的选择使软件非常简捷，微处理器只用很少的时间 去控制。硬件电路也大大简化，灵活性、智能性增强，同时生成的s p w m 波 形精度高，速度加快，相应电源的可靠性大为提高。 5 6 1s p w m 采用m n 卫l 公司生产的增强型三相脉冲调制波发生器s a 4 8 2 8 来生成三 相s p w m 波。s a 4 8 2 8 芯片具有很强的适用性，受控于任何类型的微处理器且 微控制器几乎不需外加逻辑电路，管脚的配置使该芯片适用于大部分总线格 式，适用于多种速度的功率半导体器件。 工作输出波形的形状、频率、幅值和相位可由p w m 序列中的信息来控制。 载波频率、最小脉宽、死区时间在芯片的初始化过程中定义，其主要特点有： s a 4 8 2 8 秩序在软件上设置，不需要另外设计硬件电路，从而降低了硬件成本， 简化了电路结构。 对s a 4 8 2 8 的控制是通过微处理器接口将数据送入芯片和两个寄存器( 初 始化寄存器和控制寄存器1 来实现的，初始化寄存器用于设定与逆变器有关的 一些基本参数，这些参数在p w m 输出端允许输出前被初始化，逆变器工作以 后不允许改变。控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进 一步控制逆变器的运行状态，通常在工作时该寄存器内容常被改写以实现实时 控制。 5 6 2s a 4 8 2 8 初始化寄存器的参数设定 初始化寄存器的配置见表5 1 ，数据通过微处理器首先写入暂存器r 1 一r 5 ， 然后通过对虚拟寄存器r 1 4 的写操作，将数据转入初始化寄存器。初始化寄存 器定义了电源频率范围( f r s ) 、载波频率( c f s ) 、死区时间p d 田、脉冲延时 ( p d 、幅值控制方式( a c ) 、波形( w s ) 及看门狗定时器定时时间( w d ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 极性晶体管需要较长的死区时间，而高速功率开关只需很短的时间即可。 脉宽延时时间将会影响所有的六个p w m 输出，具体为每一个脉冲的上升沿 均延迟相等的一段时间。脉宽延时时间是载波频率和p h y 值的函数，p h y 的值由 一个6 位