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全数字化UPS电源系统设计毕业论文目 录1 绪论11.1UPS概述11.1.1电网的干扰及危害21.1.2UPS电源的分类21.1.3 UPS功能51.1.4UPS电源配置方法51.1.5基于 DSP 控制的数字式 UPS 的优越性61.1.6课题的主要内容及其意义72 全数字化UPS的硬件电路设计72.1UPS系统的工作原理72.2整流器82.2.1三相桥式整流电路的工作原理92.2.2整流二极管的选择102.2.3输入滤波电容容量的计算102.3功率因数校正（无源）112.4DC/DC变换电路112.4.1降压式(BUCK)变换器122.4.2升压式（BOOST）变换器142.5智能功率模块162.5.1 IPM的特点172.5.2IPM的选择182.5.3光电隔离电路与驱动电路192.6检测电路202.7液晶显示模块233 SVPWM在逆变器电路中的应用243.1SVPWM技术243.2SVPWM控制原理243.2.1逆变器的工作原理243.3SVPWM算法273.3.1实现方法273.3.2一种比较简单的实现方法283.3.3 SVPWM控制算法的仿真314 TMS320系列374.1DSP概述374.2芯片TMS320LF2407A简介394.2.1 TMS320LF2407A的主要特点如下394.2.2体系结构和功能特性394.3DSP/TMS320LF2407 任务要求445 UPS蓄电池的种类、选择及维护455.1UPS蓄电池的种类455.2UPS蓄电池的选择455.3恒压限流充电方式的研究506 软件设计506.1DSP控制主程序506.2用EV模块产生空间矢量PWM波形516.3蓄电池充放电软件设计547 结 论56参考文献58中文翻译59英文翻译71致 谢851 绪论1.1UPS概述智能化网络化模块化数字化高频化绿色化UPS控制技术UPS(Uninterruptible power Supply)是一种能提供优质电源并保证电源连续供应的电力电子装置。UPS最早的应用是在为医院的手术室、电台和电视台的节目播出系统、军事国防等特殊领域出现紧急情况时提供可靠的应急电力供应。随着计算机处理系统的广泛应用，UPS同时充当起了计算机系统的保护神，它能使计算机系统在工作中突然遭遇停电之后继续工作一段时间，以便用户能够紧急存盘和备份，使计算机系统不致因停电丢失数据而造成不必要的损失。随着信息化社会的发展，UPS应用于更加广泛的领域，如:金融证券、航空航夭、电信电视、办公自动化等，因此对UPS提出了更新、更高的要求.当今的UPS不仅仅是起不间断电源的作用，UPS的应用将呈现出从单机向冗余结构变化;从注重系统的可靠性向注重系统的可用性变化;从单纯供电系统向保证整个IT运行环境变化等趋势。随着信息技术、电子技术、控制技术的发展，各种先进技术已广泛应用在UPS的设计开发中，因而UPS技术进一步朝着模块化、智能化、数字化、网络化、高频化、绿色化等几个主要方向发展，如图11所示。图11 UPS控制技术的发展为了克服电网干扰对用电设备的破坏，目前广泛采用UPS为敏感的用电设备供电。如何消除形形色色的干扰对用电设备造成的影响，为用电设备提供高可靠性，高质量的纯净的电源，是各UPS厂商面对的问题。一套功能完善的UPS可以最大限度地消除来自电网上的各类干扰。UPS电源以它可以同时向用户提供具有以下优点的高质量电源而独领风骚:输出电压的精度高；工作频率稳定；电压失真度小的纯正正弦波电源；输出波形不存在干扰以及不管市电供电是否正常，它都能够为用户提供高质量的无间断的交流电源。而且，随着高智能芯片以及先进的IGBT驱动型脉宽调制技术的出现，UPS电源的可靠性达到极高的水平。随着计算机应用的需要，UPS逐渐向两边发展。从输出功率来看，大到几十KVA甚至更高，一般在电信、金融、运输、公共事业单位中得到使用；小至10W，一般在网络线路的有源部件中使用，以保障网络的正常运行。由于中大功率UPS在性价比方面的优势与周边设备的发展，中大功率UPS的应用越来越广，需求越来越大。大功率的UPS一般负担重要系统的供电，其研制技术难度大，因此研究三相大功率UPS具有广泛的应用前景和普遍的现实意义。逆变器是UPS的核心，必须具有输出高质量正弦电压的能力。逆变电源的输出波形控制技术是建立在工业电子技术、半导体技术、现代控制技术、现代电力电子技术、磁性材料等学科基础上的一门实用技术。1.1.1电网的干扰及危害电网的干扰主要有以下几种:1）市电电压不稳，有时甚至还会发生市电中断；2）市电频率波动范围过大；3）由于用户在电网上投入计算机、通信设备和家用电器之类的非线性负载对电网污染而造成市电电压正弦波形的严重畸变；4）从电网串入的各种干扰和高能浪涌经常造成设备损毁。以上污染或者干扰对计算机或者其他的敏感先进仪器设备造成的危害不尽相同。例如电源中断，可能造成硬件损坏;电压跌落，可能导致硬件提前老化，文件资料的丢失;过压或者欠压以及电压浪涌，可能导致驱动器，内存和逻辑的损坏，还可能产生不可预料的软件故障;噪声电压和电压瞬变可能损坏逻辑电路和文件资料。UPS的功能除了是一个备用电源外，它还具备电力净化的作用。1.1.2UPS电源的分类现在的电源工业，可以向用户提供一下4种类型的UPS：一、 在线式 UPS 电源在线式UPS电源的逆变器串联连接在交流输入与负载之间，电源通过逆变器连续向负载供电，其结构决定了其输出与市电输入无关。这种UPS电源的供电方式如图12所示：市电正常时，市电经过整流器之后由逆变器向负载供电；市电不正常时，由蓄电器经逆变器向负载供电。它的输入、输出环节都是彼此独立控制的，因此对市电输入的适应能力很强，尤其是表现在对频率变化的适应能力上。在线式UPS电源的输出是高质量的正弦波交流电源，频率和电压的稳定度、精度都很高。另外，由于在线式UPS电源有输入滤波器，市电的交流输入经整流滤波器变成直流，再由逆变器逆变经过输出滤波器输出正弦波，这样输出的电源品质最高，保护性能最好，对抑制市电噪音和浪涌的能力很强。在线式(online)UPS供电系统单机输出功率从0.71500kVA。对于这样的机型，当用户在采用多机“冗余并机配置方案时，可将若干台具有相同输出功率和相同型号的UPS电源直接并机而形成70008000kVA的大型UPS供电系统。在线式UPS向用户提供的交流电源是高质量的纯净正弦波电源。典型的“1十l”直接并机系统的平均无故障工作时间可达200万小时。在众多的UPS 中，在线式UPS是UPS电源的主流产品，具有性能好、电压与频率稳定度高、功能强、还有备份连接和并联冗余联结的功能等优点，这种UPS 不论市电电网供电正常与否，都能向用户提供连续的高质量的交流电。其不足之处是当容量少于10kVA时，其整机效率不高，一般在85左右。因此在线式 UPS 广泛地应用到各种对电源要求滤波器FILTER负载载市电正常市电异常 机器故障整流滤波器RECTIFIER/FILTERR逆变器INVERTER蓄电池BATTERY市电旁路Bypass图12 在线结构框图较高的大中型系统中。在线式UPS正是本文研究的对象。此架构主要特点如下：1电路设计适合 110KVA 容量，控制结构复杂，成本高；2输出至负载的电力经 UPS 处理，输出电源质量高；3逆变器始终处于工作状态，电路损耗大，需采用质量较好的元器件；4无转换时间，可以给精密设备提供电源；5可同时改善电压与频率变化的电力品质问题，增加电源供电稳定度；6保护性能最好，对市电通讯、突破衰减能力最佳。二、 在线互动式 UPS 电源在线互动式(interactive)UPS电源单机输出功率为0.720kVA。当市电电压在180240V的范围内时，它经由一条传输电缆所组成的交流旁路直接向用户提供市电电源(180240V)。当市电电压在150l80V或240276V范围内时，它经位于交流旁路供电通道上的变压器抽头调压处理电路所组成的交流调压器向用户提供经过简单调压处理的市电电源。其幅值为197250V(用户实际使用的电源仍然是来自市电，电网的具有频率波动，波形畸变度高以及从电网串入的干扰等所困扰的低质量电源)。仅仅当市电电源的电压低于150V或高于276V时，它才有可能向用户提供真正的UPS逆变器正弦波电源。在线互动式UPS的逆变器并联连接在市电与负载之间。通过逆变器的可逆运行方式，与市电相互作用，因此被称为互动式。这种UPS电源，在市电正常时，负载由经改良后的市电供电，同时逆变器作为充电器给蓄电池充电，逆变器工作在ACDC方式；当市电不正常时，负载完全由逆变器供电，逆变器工作在DCAC方式。在线互动式UPS结构较简单、实施方便、且易于并联、便于维护和维修、效率高、运行费用低、整机可靠性高，性能满足某些负载要求，特别适用于网络中某些计算机设备采用分布式供电的系统。这种电源的缺点是稳压性能不高，尤其是动态响应速度低，其次是抗干扰能力不强，自身很难抑制谐波干扰和调制干扰。在线互动式结构框图如图13所示滤波器FILTER智能调节器AVR蓄电池BATTERY充电器CHARGER逆变器INVERTER市电正常市电异常市电负载图13 在线互动式结构框图此架构主要特点如下：1控制结构复杂，电路设计适合 5KVA 以下容量，成本较高；2市电经智能调节后直接提供给负载，逆变器此时给电池充电，充当充电器的角色，系统损耗小，效率高；3对市电通讯、抗衰减能力差，逆变输出为正弦波；4市电到逆变的转换时间一般为 46ms；5保护性能比后备式 UPS 好。三、 被动后备式 UPS 电源被动后备式(off line)UPS电源包括后备式正弦波输出UPS电源与后备式方波输出UPS电源。被动后备式UPS电源的逆变器并联连接在市电与负载之间，仅简单地作为备用电源使用。这种UPS电源，在市电正常时，负载完全由市电直接供电，逆变器不做任何电能变换，蓄电池由独立的充电器供电；当市电不正常时，负载则由逆变器提供电能。被动后备式UPS具有结构简单、价格低廉等优点，可应用于某些非重要的负载，如家用计算机等。但在市电不正常时，继电器将逆变器切换至负载，切换时间较长，一般需几个ms的时间，所以稍微重要的计算机设备不宜选用被动后备式UPS电源。被动后备式UPS结构框图如图14所示充电器CHARGER蓄电池BATTERY逆变器INVERTER滤波器FILTER市电负载市电正常市电异常图14 被动后备式UPS结构框图此架构主要特点如下：1电路设计架构简单，适合 2KVA 容量以下，体积小，重量轻，控制容易，成本低；2市电正常时逆变器不工作，系统损耗小，设备使用效率高；3逆变器仅仅在市电异常时动作，零件失效及设备故障率低；4UPS 对市电几乎不作处理而直接输出至负载，对市电杂讯、抗衰减能力差，逆变输出一般为方波；5市电转逆变工作时会有较长的转换时间，一般为 816ms；6保护性能差。五、 Delta 变换型 UPS 电源Delta变换型UPS电源：其单机输出功率为10480kVA。当输入电源满足电压波动小于15，频率波动小于1时，由比 Delta变换器所提供的幅度不超过15的逆变电压补偿输出电压。补偿电源经串联在主供电电路中的补偿变压器与输入电源共同构成串联稳压电源，其稳压精度为1(其中80100来自市电电源，1520来自De1ta变换器)。当输入电源越过上述电压和频率范围时，由主变换器(不带逆变器输出隔离变压器)向用户提供正弦波的逆变器电源。1.1.3 UPS功能UPS的主要功能有以下5种:(l)双电源之间的无间断切换。(2)频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率。(3)电压变换功能，可以将输入电压变换成需要的电压。(4)隔离功能，将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，既可使负载对电网不产生干扰，又可使电网中的干扰不影响负载。(5)后备功能，UPS带有蓄电池，贮存一定的能量，一方面在电网停电或发生故障时可继续供电一段时间来保护负载;另一方面在UPS的整流器发生故障时可使用户有时间来保护负载。按照用户的要求，后备时间可以是5分钟、10分钟、30分钟，甚至更长。1.1.4UPS电源配置方法一、 UPS 电源容量数配置方法通常情况下，负载设备提供标称电压和标称电流，负载容量数如下：负载容量数 =电压数电流数特殊情况下，负载设备只给出了功率 W数的信息，容量数如下：负载容量数 =功率1.4应配UPS 电源容量数=负载容量数/0.7二、后备延时蓄电池配置方法（1）UPS蓄电池的主要技术指标。UPS 蓄电池的额定电压和额定容量是两个最常用的技术指标，额定电压指 UPS 蓄电池正负极间的电压，也称端电压。额定容量是指充足电的蓄电池放电到终止电压时输出的电量。 在恒流放电的情况下，容量Q=IT式中 Q电池放出的电量，Ah；I放电电流，A；T放电时间，h（2）后备延时蓄电池配置方法。UPS 蓄电池组额定电压UPS 电源启动直流电压（各 UPS 电源出厂时标明启动直流电压） 。UPS 电源功率延时时间/UPS 电源启动直流电压 =所需蓄电池安时数1.1.5基于 DSP 控制的数字式 UPS 的优越性一、传统的逆变电源采用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点：1）因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降；2）由于人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统的一致性差；3）器件老化及热漂移问题的存在，导致逆变电源输出性能下降，甚至导致输出失败；4）产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制逆变电源，若不改动硬件，则无法升级，每一个新型的逆变电源都要重新设计、制造控制系统；5）模拟控制的逆变电源的监控功能有限，一旦出现故障，技术人员必须亲赴场排查。80年代初期，为了提高逆变电源的通信功能及显示功能，逆变电源的设计中采用了微处理器，但是，由于微处理器的速度问题，逆变电源的控制仍然采用模拟电路进行。随着电机控制专用DSP的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的控技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展，逆变电源的数字控制技术发生了一次大飞跃。二、高性能的逆变电源必须满足以下特点：（1）较高的输入功率因数（0.95），较低的输出阻抗；（2）快速的动态响应，稳态精度高；（3）稳定性高，效率高，可靠性高；（4）尽量低的电磁干扰；（5）完善的智能化与网络化功能；显然这些要求的实现都离不开数字化控制技术。逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点：（1） 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更优越。（2） 控制方式灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。（3） 控制系统的可靠性提高，易于标准化。可以针对不同的系统，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。（4） 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过串行接口或者并行接口进行调试，故障查询。监控系统可以查询历史记录，自动进行故障诊断，软件修复，甚至进行参数的在线修改与调试。（5） 系统的一致性较好，成本低，生产制造方便，容易实现标准化，并且容易组成高可靠性大规模逆变电源并联供电系统。1.1.6课题的主要内容及其意义虽然目前UPS技术已经相对比较成熟，但是其逆变器部分输出波形的控制大多还是采用模拟电路。传统的模拟控制的局限性为:一、控制电路复杂，使用元器件多，因器件特性差异造成各电源的一致性不好;二、设计工作量大，周期长，而且调试不方便;三因硬件实现的局限性，控制方式仅能采用PID调节等方法，使得性能还有提高的余地。所以全数字的UPS就成为必然的发展趋势。由于UPS的系统很复杂，涉及的方面也很多。毕业设计期间，我在导师的指导下主要设计了以下几个方面的部分内容:(l)系统的硬件设计 (2)控制方案设计:在逆变的控制中采用SVPWM控制策略(3)SVPWM原理及仿真(4)蓄电池的充放电仿真(5)简单的软件设计2 全数字化UPS的硬件电路设计2.1UPS系统的工作原理本设计采用在线式UPS给负载供电，所谓在线式是指不管电网是否正常工作，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态， 当市电正常时，输入电压经过整流滤波电路，一路给逆变器提供电压，逆变器输出经过输出变压器和输出滤波电路将SVPWM波形变换成隔离的纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。该种工作状态时，静态开关切换到逆变器端。UPS由市电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并且由逆变器来完成稳压和频率跟踪功能。当市电出现故障（无市电，市电电压过低或过高）时，UPS工作在后备状态，静态开关仍然切换在逆变器端，此时UPS由逆变器将蓄电池的直流电压转换成交流电压，通过静态开关输出到负载。当市电正常，逆变器出现故障或输出过载时，UPS工作在旁路状态，静态开关切换到市电端，由市电直接给负载供电。如果静态开关的转换由逆变器故障引起，UPS会发出报警信号；如果是由过载引起，当过载消失后，静态开关重新切换回逆变器端。由此可见，对于在线式UPS，无论市电是否正常，其输出总是由逆变器提供，所以在市电故障的瞬间，UPS的输出不会有任何间断。另外，由于在线式UPS有输入和输出滤波器，再加上市电的交流输入经整流后变为直流，再由逆变器逆变为交流，所以几乎所有来自电网的干扰经过UPS以后都能得到很大程度的衰减；同时逆变器的稳压功能很强，所以在线式UPS能给负载提供干扰小、稳压精度高的电源。 本系统设计要求：在线式三进三出10KVA，输入线电压为380V,输出线电压220V图21 UPS系统结构图2电路参数设计主电路参数设计三相不可控桥式整流负载上的电压为脉动的线电压，正如波形图中以 U2 表示输入相电压有效值，并Uab超前 Ua30，则 UO的平均值可按下式计算：UO=3622Uabsinwt+30dwt=2.34U2514.8V2.2整流器图22 三相不控整流电路 图23 三相桥式整流电路电压波形如图22所示，UPS不间断电源的整流电路采用三相不控整流器，即二极管整流，不存在倒发电能量馈入电网的情况，这种整流方式功率因数相对比较高，但其也不可避免的存在着减小谐波和提高功率因数的要求。三相不可控整流的滤波方式及其负载的轻重直接影响着其谐波和功率因数。可知，其功率因数比较高，网侧谐波比较少。滤波电路除了要有容量足够大的电容之外还要加一个大电感构成电力滤波器，以减小网侧电流谐波污染，稳定直流侧电压电流。2.2.1三相桥式整流电路的工作原理三相不可控桥式整流电路如图 23 所示，其中的六个二极管分为两组，奇数组 VD1、VD3 和 VD5 的阴极连在一起称为共阴极组，偶数组 VD2、VD4 和 VD6 的阳极连在一起称为共阳极组，异名电极相连后接电源，同名电极相连后接负载。共阴极组中阳极电位最高的二极管将优先导通，共阳极组中阴极电位最低的二极管将优先导通。电路工作情况具体分析如下：（1）在 0t1期间，c 相电位为正，b 相电位为负，a 相电压为正，但小于 c 相电压。在这段时间里 c 点电位最高，b 点电位最低，于是共阴极组中 VD5 和共阳极组中 VD6导通。VD5导通后，又使 VD1和 VD3的阴极电位基本上等于 c 点电位，因此两管截至。而 VD6导通后，又使 VD2和 VD4的阳极电位接近 b 点的电位，故 VD2和 VD4也截止。如果忽略正向管压降，在此期间加在负载上的电压就是线电压 ucb，其电流通路为：cVD5LCVD6b。（2）在 t1t2期间，a 点电位最高，b 点电位仍最低，因此 VD1和 VD6导通，其余四个二极管都截至，负载上的电压就是线电压uab，其电流通路是：aVD1LCVD6b。（3）其他时间段二极管的导通情况和负载电压的波形和上述推导过程类似，电路电压波形如图 23 所示。导通特点是各组二极管每隔 1/6 周期交换导通一次，每个二极管导通 1/3 周期，任何时刻负载上的电压均为电源的线电压。2.2.2整流二极管的选择在输入侧端：由公式P=3UI, P=10KVA,U=380VI=P3U=100003380=15.2AI峰值2I=215.2=21.5A选择二极管时，I=2I峰值=221.5=43AU=22U=22380=1075V为此整流二极管，选择的型号如表21所示型号最高反向峰值电压平均整流电流（A）最大峰值浪涌电流（A）正向压降外型IN539910001.5501.5DO-152.2.3输入滤波电容容量的计算经过整流的电压波形还有一定的波动，需要加个电容进行滤波，选多大的电容成为首要问题。这里可以用一个简单的方法计算出来，即一般要求在放电结束时的哪一点上，电容上的电压下降不超过5%，根据电容放电公式：UC=UCOe-t式中 Uc：在放电时间结束时那一点的瞬时电压； Uco：放电开始时的电压； t：放电时间； ：放电时间常数，=RC。将式改写成按照上面的要求，设放电到3ms时，应当UC=0.95UCO，代入这些数据后，上式就变成：即：CR=3.9式中，R是整流滤波电源输出最大容量时的等效负载电阻值，于是电容2.3功率因数校正（无源）采用这种方式的无源功率因数校正法，由于电感元件在能量的传递中起载体的作用，因此电感器元件的选型是一个关键，其参数的大小直接影响着功率因数校正的效果。其大小与整流滤波电路的等效负载电阻之间的关系为：上式中，L是滤波电感门槛值，单位为H； R是等效负载电阻，单位为；是电压输入角频率，=2f，即=314。由上节可知，滤波电容为：对L、C的选择：三相桥式不控整流电路输出电压(由2.1节可知) Ud=515V，当为额定容量时， S=10KVA，由公式S=UI 可得I=SU=10000515=19.4A则等效负载电阻R=UI=51519.427故L=R3=27331429mHC=3.910-327145F2.4DC/DC变换电路开关频率 fs的选择从理论上讲，提高开关频率可以减小滤波参数，从而缩小体积、减轻重量、降低系统功耗及成本，并减小交流电流谐波畸变率。然而，实际上开关频率 fs受开关器件自身的限制，高的开关频率意味着高的开关损耗以及高的开关应力。本装置开关管采用西门子公司的 IGBT，由于电力电子器件的发展，IGBT 的开关损耗越来越小，允许的开关频率越来越高，因此可适当提高开关频率，选取 f s=20kHz2.4.1降压式(BUCK)变换器图24 降压式变换器及波形上图24为降压式（BUCK）变换器及其输出波形，BUCK变换器输出电压平均值U0总是小于输入电压Ui。通过电感的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的值。当电路工作频率较高，电感和电容足够大并为理想元件，则电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管VT导通时，电感中电流呈线性上升，因而有Ui-UO=Li0max-iominton=Lionton式中，ton为晶体管导通时间； io(max)为输出电流最大值； io(min)为输出电流最小值； ion为晶体管导通时间输出电流变量。当晶体管截止时，电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时UO=Li0max-iomintoff=Liofftoff式中，toff为晶体管截止时间； ioff为晶体管截止时间输出电流变量在稳态时ion=ioff=i式中，ion为输出电流变量（一） buck 电路的电感电容参数设计buck 电路可以工作于不连续模式，但是会出现一些问题，最好能保证电路大部分时间工作在连续电流模式。由于三相桥式不控整流电路经滤波输出电压约为515V；充电电压为300V，即300D*515，可得D=0.583。充电电路电感电容的选择：设开关频率为1KHz，输出电流变化值为1A，则据相关经验公式可得：即515-300L*0.583*10-3=1L=125.3mh，取电感为130 mH。设输出电压变化值为10V，据公式：即C=300*10-6*(515-300)8*0.13*515*10=0.12F。(二)充电电路MATLAB仿真本次设计主要调节BUCK电路中给定输入电压值和占空比，对输出电压是否和理论值相同给予验证。此处脉冲频率为1KHz，占空比为0.583，电感为130mH，电容为0.12F，电阻去15欧，直流电压DC Votlage source取515V。图25 充电电路的仿真图26 输出电压Ur的波形2.4.2升压式（BOOST）变换器图27 升压式电路上图27为升压式（BOOST）电路，由功率晶体管VT、储能电感L、二极管VD及滤波电容C组成。当晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载由电容C供电。当VT截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样把低压直流变换成高压直流。在电感电流连续的条件下，电路工作于如图2-8所示的两种状态。模式1模式2图28 等效电路在电力电子开关VT导通期间，VD截止，iL上升，eL=-U0，uvT=U+eL=Ud。稳态时，uvT=0 0tDTUd DTtT据电路工作状态，各电量间数量关系为求解可得输入电压U与输出电压Ud的变换关系为要想输入300V输出515V的直流电压，此时：515=11-D*300可以求得：D=0.417（一）放电电感电容的选择：设开关频率为1KHz，电流变化值为1A，脉冲下降时间为1ms；由于放电电路输入电压为300V，输出电压为515V，则U=515-300=215V据U=LIt (U为瞬时反电动势电压；t 为脉冲下降时间)则L=UTI=215*10-31=215mH取电感L为215 mH。据充电电路输入输出电压值的差可得，这里取滤波电容为0.15F。（二）放电电路的仿真图2-10为蓄电池放电仿真电路，该仿真主要对BOOST电路调节给定输入电压值和占空比，对输出电压是否和理论值相同给予验证。此处脉冲频率为1KHz，占空比为0.417，电感为215mH，电容为0.15F，电阻去20欧，直流电压DC Votlage source取300V。Pulse取的参数如图29所示图29 Pulse参数设置图210 充电电路的仿真模型图211 BOOST电路的输出电压及谐波2.5智能功率模块把MOS管技术引入功率半导体器件的思想开创了革命性的器件:绝缘栅双极晶体管IGBT。 随着IGBT在工作频率为20KHZ的硬开关及更高的软开关中的应用,它已经代替了MOSFET和GTR,成为最主要的电力电子器件。IGBT的发展使集外围电路内置于一块功率模块的智能功率IPM脱颖而出。IPM内含栅极驱动、短路保护、过流保护、过热保护和欠压锁定等功能,被广泛用于无噪声逆变器,低噪声UPS系统和伺服控制器等设备上。 IPM 使产品的体积减小,缩短了开发时间,简化了开发步骤。2.5.1 IPM的特点一、IPM的构成智能功率模块IPM(Intel l igent PowrModule)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。 它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。 即使发生负载事故或使用不当,也可以IPM自身不受损坏。 IPM一般使用IGBT作为功率开关元件,并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。二、IPM的优点(1)开关速度快。 IPM内的IGBT芯片都选用高速型,而且驱动电路紧靠IGBT芯片,驱动延时小,所以IPM开关速度快,损耗小。(2)低功耗。 IPM内部的IGBT导通压降低,开关速度快,故IPM功耗小。(3)快速的过流保护。 IPM实时检测IGBT电流,当发生严重过载或直接短路时,IGBT将被软关断,同时送出一个故障信号。(4)过热保护。 在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器,当基板过热时,IPM内部控制电路将截止栅级驱动,不响应输入控制信号。(5)桥臂对管互锁。 在串联的桥臂上,上下桥臂的驱动信号互锁。 有效防止上下臂同时导通。(6)抗干扰能力强。 优化的门级驱动与IGBT集成,布局合理,无外部驱动线。(7)驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源(一般为15V)就会造成驱动能力不够,增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源,当低于一定值超过10s时,将截止驱动信号。(8)IPM 内藏相关的外围电路。 缩短开发了时间。(9)无须采取防静电措施。(10)大大减少了元件数目。 体积相应小。三、IPM的分类 IPM根据内部功率电路配置的不同可分为4类：H型（内部封装一个IGBT）、D型（内部封装两个IGBT）、C型（内部封装6个IGBT）和R型（内部封装7个IGBT）。小功率的IPM使用多层环氧绝缘，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。四、 IPM的保护功能IPM内置有驱动和保护电路，用以防止系统相互干扰或者过载时损坏功率芯片。它采用的故障检测和关断方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM内置各种保护功能，只要有一个保护电路作用。IGBT的栅极驱动电路就关闭，同时产生一个故障信号。（1）过电流保护（OC）由IPM内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当过电流时间超过允许时间时，IPM就输出动作信号，并封锁输入信号，对模块实行软关断。在过流期间，IPM不再接受输入信号；过流信号过后，输入信号才能导通。如果IGBT中的电流超过过流断开阈值（OC）且持续时间大于toff(oc),IGBT就会关断，toff(oc)设置为10s(典型值)。电流在OC以上但持续时间小于toff(oc)时，过流保护电路不工作。（2）短路电流保护（SC）由IPM内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当短路电流超过允许电平时，IPM就输出动作信号，并封锁输入信号，对模块实行软关断。这个过程与过电流保护相同，其动作时间更短。负载短路或系统控制器因相互干扰而发生直通现象时，IPM内的短路保护电路就会产即关断IGBT.当流过IGBT的电流超过电流断开阈值（SC）时，就会立即开始关断，同时产生一个故障信号。（3）超温保护靠近IGBT芯片的绝缘基板上装有温度传感器，IPM的超温保护单元实时监测IPM基板的温度，基板的温度超过过热断开阈值时，IPM内的温度保护电路就会中止栅极驱动，对模块实行软关断，不响应控制输入信号，直至过热根源被排除。温度下降到过热复位阈值以下且控制输入为高电平（断态）时，功率芯片将恢复工作；当下一个低电平输入信号（通态）来临时，就恢复正常运行。（4）欠压保护（UV）IPM的欠压保护电路实时监测控制电源电压，欠压时间超过允许时间时，欠压保护电路就输出动作信号并封锁输入信号，对模块实行软关断。当欠压信号恢复到允许值时，IPM才停止输出动作信号，重新招收输入信号。内部控制电路由15V直流电源供电。无论什么原因，只要该电源电压降到欠压断开阈值（UV）以下，IPM就关断，同时会产生一个故障信号。小毛刺干扰电压的持续时间小于规定的延时时间tdey时，控制电路不受影响，欠压锁定保护电路也不动作。该tdey值约为10s.为了恢复正常运行状态，电源电压必须超过欠压复位阈值（UV）。在控制电源上电和掉电期间，欠压锁定保护电路都有可能起作用，这属于正常现象，系统控制器程序所要考虑的只是所产生的故障输出信号的脉冲宽度（5）误动作报警输出信号各种故障动作时间如果持续1ms以上，IPM即向外部CPU发出误动作信号，直到故障撤消为止。2.5.2IPM的选择由于本系统交流线电压为220V，功率因数为0.9，容量10KVA满载时额定直流电流为26.3A，考虑200%的过载余量和一定的电流尖峰因素，最大电流为37A。本设计中逆变电路采用三菱公司PM50RSA120智能功率模块。PM50RSA120内部电路如图212所示图212 PM50RSA120内部结构图该IPM模块的主要特点有:额定电压为1200V，额定电流为50A，最高工作频率为20kHz，内设低损耗的IGBT功率开关器件;IPM模块内置保护功能齐全，具有欠压保护、过热保护、短路保护，如果模块内有任何一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断，并输出一个故障信号(FO)，向系统控制器提供报替信号，使控制器的栅极控制信号为全高或全低，进一步封锁IGBT的输出，完成对系统的保护。IPM的F0故障信号经光偶隔离送PDPINTA引脚即功率驱动保护中断输入引脚。PDPINTA是一个下降沿有效的中断。一般来说，当系统发生严重故障时，应首先由硬件来保护，这类保护通常由系统不可屏蔽的硬件中断来完成。可以用于向电动机的监视程序提供过电压,过电流和过高温升等故障信息.如果DPINTA中断被使能即PDPINTA引脚电平变低后,所有PWM输出引脚均为高阻状态.即PWM被封锁.DSP2407在HI时钟的下降沿检测中断引脚,并且2个HI时钟周期从同一个中断源接收一次中断,为使DSP芯片只识别一次中断,低电平窄脉冲必须至少包含一个HI的下降沿,至多包含两个HI的下降沿,即窄脉冲的宽度必须满足:其中P为HI的周期,中断转换电路可用单稳态电路实现.如图 213 为采用74LS221触发器实现的转换电路.图中 RC决定窄脉冲的宽度,对33.33MHZ时钟,HI周期为60 ns ,RC值应该在60120 ns之间,取脉冲宽度为94ns ,可以满足要求.对40MHZ时钟,HI周期为50 ns ,RC值应该在50100ns之间,取脉冲宽度为84.6ns ,可以满足要求.图213 采用74LS221触发器实现的转换电路.2.5.3光电隔离电路与驱动电路由于IPM模块内部已经包含功率器件的驱动及保护电路，使用时只需提供驱动电源和PWM波形的开关控制信号，驱动电源需要4路相互独立的电源，其3路独立电源分别提供给逆变器上桥臂的3个开关器件，而下桥臂的3个开关器件由于共地，所以只需要1路独立的电源。驱动电源的典型电压值为15V，由于功率器件采用IGBT开关器件，每一个IGBT开关器件的驱动功率约为0.25W，在本实验系统中采用4个DC-DC电源作为IPM模型的驱动电源。为了尽量减小光电隔离电路对PWM控制信号的延迟影响，系统采用6N137高速光电隔离器，这样就提高了驱动电路参数的一致性。同时，这种以电一光一电转换来完成隔离功能，也是现代电力电子系统中广泛采用的一种有效的强电部分与弱电部分隔离措施。其具体的实现原理如图214所示。图214 光电隔离与驱动电路原理图2.6检测电路系统的逆变输出电压为220V、 50HZ交流电，为实现闭环控制，则必须通过传感器进行隔离采样；蓄电池为实现恒流恒压充电也必须实时的监控其端电压和充电电流也需要进行电压电流采样。需要检测的电路信号包括:逆变器输出电压，逆变器输出电流；蓄电池的端电压电压，充电电流；市电的电压，电流。本设计通过LEM电压、电流传感器对这些信号采样测量。1)LEM传感器工作原理本实验系统电量传感器为LEM传感器。LEM电流传感器是霍尔效应闭环电流传感器，它是一种模块化的有源电子传感器，由JPEtter首先在日内瓦研制成功，它的突出优点在于把普通互感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来，既发挥了普通互感器测量范围宽的优势，又利用了电子电路反应速度快的长处，可以对直流、交流、脉动电流进行测量。图215是LEM电流传感器的工作原理图.。LEM 模块的工作原理是磁场平衡式的，即主电流回路所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。其具体工作过程为：当主回路有一大电流流过时，在导体周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件，使其有一个信号输出，这一信号经放大器放大，输入到功率放大器中，这时相应的功率管的导通压降改变，从而获得一个补偿电流，由于流过多匝绕组，使多匝导线产生一磁场，而与主电流 所产生的磁场 相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件输出的信号逐渐减小，最后当与匝数相乘所产生的磁场与所产生的磁场相等时，不再增加，这时霍尔器件就达到了零磁通检测作用。上述平衡过程是在非常短的时间完成的，所需时间在之内，这是一个动态平衡过程，即主电路电流任何变化都会破坏这一平衡磁场，而一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿，因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样，即。在实际应用LEM模块时，通过测量电阻（外接）上的电压来间接求出，从而得到电流。图215 LEM电流传感器的工作原理图LEM电流传感器主要特性 (1)LEM电流传感器可以测量任意波形的电流，如交流直流脉动电流等； (2)LEM 电流传感器的线性度好，优于0.1%； (3)LEM电流传感器测量精度高，优于1% 原级额定电流； (4)LEM电流传感器响应速度快，小于； (5)LEM 电流传感器原级电路与次级电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2-12KV 。图216为LEM电流传感器LA25-NP测量电流接线图 图216 LEM电流传感器测量电流接线图 2) LEM 电压传感器L EM 电压传感器也是一种应用霍尔原理的闭环电流传感器.用电压传感器测量电压时,原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻确定，并将其串联在传感器原边回路上。电压传感器具有以下特点：(1) 高精度,总精度016 %；(2) 线性度012 %； (3) 低温漂，0 至25 时，TYP 0.30mA ,MAX 0.30mA ；(4) 抗外界干扰能力强； (5) 共模抑制比高； (6) 反应速度快； (7) 频带宽。 其应用对象包括交流变频调整、伺服电机牵引，直流电机牵引的电压转换，不间断电源，电焊机电源，电池电源等。用电压传感器LV25-P测量电压的接线图见图217 所示。 图217 LEM电压传感器测量电压接线图3)本文所使用的是LTSP25-NP电流传感器，它电流测量范围宽，最高可达50A，有很强的过载能力和较好的线性度，性能指标如表22模块原边理论值测量范围副边信号精度%封装系列LTSP25-NP8A、12A、25A50A12mA0.7PCBLTS-TSR-LTSP图218是LEM的实物图图218 LTSP25-NP由LEM电流传感器的线性度和被检测电流的额定值可得，当为额定电流时LEM输出的电压在Vo=2.50.625=3.125V3.3V。符合DSPTMS320LF2407的A/D口输入电压的要求，故不需要再进行电压变换。 本文选择的电压传感器为：LV25-P ，如图219所示。 参数如下：图219 LV25-P原边额定有效值电流：10mA ； 原边额定有效值电压：10V500V各档 ； 原边电流测量范围：014mA； 副边额定有效值电流：25mA； 电源电压（5%）：12VDC或 15VDC； 转换率：25001000绝缘耐压（原副边之间）：50HZ，1分钟，2.5KV； 电流消耗：24mA；测量总精度（25）：0.8%F.S； 线性度：0.8% ； 零点失调电流：0.15mA；温度漂移（070）：0.35mA ；响应时间：40s ；didt跟随精度：50A/s 频带宽度：DC10KHz; 环境操作温度：1070;环境贮存温度：2585 ; 原边线圈电阻：250 ; 副边线圈电阻：1104）本系统中直流电压与相电流具体检测及其转换电路在本系统中，逆变器的输出相电压由直流电压与PWM开关信号计算得到，所以在系统中只需要检测直流电压与两相相电流。其中相电流的检测采用LEM公司的电流传感器LTSP25-NP，直流电压传感器采用LV25一P，输入量程可通过接线改变。如图220所示，图220 信号调理电路原理图传感器输出的1.5V +1.5V的电压通过两个TLC2274串联构成的两级运放偏移电路使输出电压为03.3V，送到TMS320LF2407的高速模数转换端口，符合DSP的A/D口的电压要求。2.7液晶显示模块液晶显示器（LCD）具有低损耗、低