用于等离子体发生器的高频高压脉冲电源的设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 IV 页 共IV页摘 要低温等离子在工业以及军事上的应用具有非常广阔的前景。目前，研究较多的是在大气压下以介质阻挡放电产生离子体。介质阻挡放电(DBD)是目前一种典型的可通过大气压放电产生等离子体技术，因而受到国内及国外的广泛关注。高频高压脉冲电源是介质阻挡放电的核心部分。介质阻挡放电产生等离子体的效果直接与电源的频率、电压以及波形相关。频率和电压越高，放电的效果也就越好。所以用于介质阻挡放电的高频高压脉冲电源成为研究的重点。根据这些特点，本文将探讨用于产生等离子脉冲电源的设计方法，设计了一种基于PWM控制的高频、高压的大功率逆变电源，电源系统主要包括整流滤波电路、逆变电路、驱动以及控制电路。对电源的整流电路、逆变电路、驱动及保护电路等进行了分析，功率电路以IGBT为主控开关功率转换器件，采用全桥逆变电路形式，同时讨论了IGBT的特性和使用注意事项，以及对关键元器件的保护措施。电源控制电路采用以单片机AT89C51为核心，对整个电源系统进行控制，采用脉宽调制方式来控制电源输出外特性。本文采用了Multisim10软件对各个部分进行了逐项仿真分析，通过仿真结果进一步证明脉冲电源设计的合理性，为硬件电路设计提供重要参考和依据。设计出适用于介质阻挡放电负载的高频高压脉冲电源。关键词：介质阻挡放电；全桥逆变电路 ；IGBT ；高频高压脉冲电源 ；仿真。Abstract Low-temperature plasma in the industrial and military applications has a very broad prospects. At present,most studies of producing plasma are focused on those produced by Dielectric Barrier Discharge(DBD)under atmosphere. So it is paid widely attention by home and abroadThe high-frequency and high-voltage pulse power source is the core part of the dielectric barrier dischargeThe effect of plasma produced by DBD correlates directly with voltage,frequency and wave-form of the power supply.The higher the voltage and the frequency of the power supply,the better the effect of discharging. Hence，to develop discharge power supply used in DBD is the main questionBase on these feathures, This article will explore the plasma used to produce the design method of pulse power, Designed a high-frequency, high voltage high power inverter which base on PWM. this power system consists of rectifier filter circuit, inverter circuit, drive and control circuits. And analyze the power of the rectifier circuit, inverter circuit, driver and protection circuits. power circuit takes the IGBT as charging switch power for changing a component, adopting full-bridge topology circuit, And the characteristic and matters needing attention of IGBT,and the protection measures of some pivotal component. Power controlling circuit takes single microchip AT89C51 as the gore to control the whole system . and adapts PWM to control the output volt-ampere character ofpower source. In this paper,use the Multisim10 software to itemize all parts with simulative analysis. Through the simulation result,it further proves the rationality of pulsed power supply design and supplies significant references and basis for hardware circuit design. Designed for high-frequency dielectric barrier discharge high-voltage pulse power load.Key words: dielectric barrier discharge; full-bridge inverter circuit; IGBT;high frequency high voltage pulse power; simulation. 目 录1 绪论11.1 等离子体及介质阻挡放电概述11.1.1 等离子体的概念11.1.2 等离子体的应用21.1.3 介质阻挡放电概述21.1.4 介质阻档放电电路的物理结构和工作原理31.1.5 负载特性及高频高压脉冲电源研制必要性31.2 国内外高频高压脉冲电源的研究现状41.3 高频高压电源研制的难点42 电源电路的设计62.1 电源研制方案62.2 整流滤波电路72.2.1 整流滤波电路设计72.2.2 本设计使用的整流电路72.2.3 滤波电路92.3 逆变电路原理102.4 输出电路123 功率开关器件133.1 功率开关器件的应用133.2 绝缘栅双极晶体管（IGBT）143.2.1 IGBT功率开关管应用143.2.2 IGBT的工作原理143.2.3 IGBT的主要参数153.2.4 IGBT对驱动电路的要求153.2.5 IGBT的驱动163.2.6 EXB841工作原理163.2.7 EXB841典型应用电路及引脚功能表174PWM单片机控制194.1 PWM 驱动电路模块194.2PWM控制系统195 高频高压脉冲电源计算机仿真225.1 电源主回路仿真225.1.1 NI Multisim10仿真软件225.1.2 Multisim特点225.1.3 高频高压脉冲电源主电路的模型235.1.5 逆变电路模型和仿真245.1.6 串联谐振电路模型和仿真255.1.7 PWM信号仿真265.1.8 IGBT的开关特性的仿真276 硬件调试28总 结30谢 辞31参考文献32附 录33附录1 程序33附录2 PWM信号发生器硬件电路原理图及其PCB图39附录3 电源模型电路原理图及其PCB图40附录4 PWM信号仿真图41附录5 主电路原理图42附录6 总电路原理图42 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第44页 共42页1 绪论介质阻挡放电技术可以用来产生等离子体，而等离子体在工业及军事上的应用具有十分广阔的前景。要实现介质阻挡放电，供电电源必须具有较高的工作频率和较高的输出电压。本课题设计的高频高压脉冲电源即用于此。因此，本章对等离子体、介质阻挡放电做了简要介绍，并给出了设计这种特殊电源的设计方案及可能的设计难点。1.1 等离子体及介质阻挡放电概述1.1.1 等离子体的概念宏观物质在一定的压力下随温度升高由固态变成液态，再变为气态(有的直接变成气态)。当温度继续升高，气态分子热运动加剧。当温度足够高时，分子中的原子由于获得了足够大的动能，便开始彼此分离。分子受热时分裂成原子状态的过程称为离解。若进一步提高温度，原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子变成带电的离子，这个过程称电离。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体是由带正、负电荷的粒子组成的气体。由于正负电荷总数相等，故等离子体的净电荷等于零。等离子态与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体。其次，组成粒子间的作用力不同。气体分子间不存在净的电磁力，而等离子中的带电粒子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。另外，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显的受到电磁场的影响和约束。根据离子温度与电子温度是否达到热平衡，可把等离子体分为平衡等离子体和非平衡等离子体。在平衡等离子体中，各种粒子的温度几乎相等。在非平衡等离子体中电子温度与离子温度相差很大。由于电子温度的高低反映了等离子体中电子平均动能的大小，在等离子体科学领域中，通常采用能量单位电子伏特(eV)作为温度单位。它们之间的关系是：EkT1，式中k是玻尔兹曼常数(1.3810-23JK-1)，T是电子温度(K)。由1eV1.6010-19J，可得1eV能量的电子其温度相当于T(1eV/k)(1.6010-19)/(1.3810-23)1.16104K (1-1)在许多非平衡等离子体中电子温度可高达10410 5K，但离子温度只不过几百度乃至接近室温。通常我们把电离度小于0.1%的气体称弱电离气体，也称低温等离子体。电离度大于0.1%的称为强电离等离子体，也称高温等离子体。等离子体在自然界中是普遍存在的。例如，太阳、恒星、银河系、河外星系中的大部分星际物质都处于等离子体状态。地球上南北极有时发生的五颜六色的极光、夏日雷雨时出现的闪电和绚丽多彩的霓虹灯、日光灯等都与等离子体现象密切有关。1.1.2 等离子体的应用等离子体在工业上的应用具有十分广阔的前景。高温等离子体的重要应用是受控核聚变。低温等离子体用于切割、焊接和喷涂以及制造各种新型的电光源与显示器等。低温等离子体还被用于材料的表面聚合、表面接枝和表面改性。传统的辉光放电通常在低气压下形成，其产生的低温等离子体的温度低但比较均匀。由于它要求比较低的气压，在工业应用中受到较大的限制。常压电晕放电是近年来发展非常快的一种新的放电模式。它采用介质阻挡放电的电极结构，运行在大气压下(空气或其它气体)，但和丝状介质阻挡放电明显不同，它产生非热平衡沿极板均匀的等离子体。大气压电晕放电有如下特点：(1)不需要在真空下进行，设备投资少；(2)适合于对工件表面在线加工处理；(3)不形成时空变化的放电“丝”，能对材料表面进行均匀处理；(4)能耗远小于大气压电弧放电，到达工件表面的能量密度不足以破坏被加工材料。上述特点，使大气压电晕放电在材料表面处理、薄膜沉积、刻蚀、医疗器具消毒、纤维改性、飞行器减阻和隐形等领域提供广阔的应用前景。近几年来随着非平衡态化学的发展，产生一种崭新的大气压下非平衡态等离子体源技术，其中以大气压电晕放电和介质阻挡电晕放电等离子体为代表，它能非常有效地形成大量自由基分子、准分子，在环境除污、纳米级薄膜的形成、高分子材料表面改性、大面积紫外辐射源、大屏幕彩电显示器等领域有广阔的应用前景，常用的低气压非平衡等离子体技术需要庞大而复杂的真空系统和相应设备，使材料的加工处理只能分批量进行，而采用大气压非平衡态等离子体技术，可达到节约技术，节约设备费用，提高生产速度和进行连续生产的效果。目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输运特性研究也刚刚起步，但是正在形成新的研究热点。因而，目前需要发展大气压条件下的放电等离子体技术，以实现工业化生产。1.1.3 介质阻挡放电概述介质阻挡放电(DBD)是一种典型的可通过大气压放电产生等离子体的技术，因而受到国内外的广泛关注。由于DBD具有高电压、非平衡电子密度等特点，特别适宜进行化学反应、材料生长、臭氧合成及产生准分子激光。介质阻挡放电是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上，也可以悬挂在放电空间中，因在电极两端加上很高的交流电压，即使在很高的气压下也可以击穿气体，通常放电中间的气体压强可达到105Pa或更高，由于它不像空气中的火花放电那样会发出巨大的击穿响声，在历史上把这种放电也称为无声放电。早期的介质阻挡放电是以臭氧发生器为研究背景而展开的，实验研究另一目的就是以应用为目标，研制各种介质阻挡发生器，以满足各种不同要求的工业应用。这一研究使得介质阻挡放电开始广泛地应用到各个工业领域。1.1.4 介质阻档放电电路的物理结构和工作原理介质阻挡放电(DBD：Dielectric Barrier Discharge)又称无声放电，它是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间罩，这样当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。在电极问安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，在通常大气压强下也可实现稳定的气体放电。它表现为很均匀、漫散和稳定、貌似低气压下的辉光放电，但实际上它是由大量细微的快脉冲放电通道构成。早在1857年WernerVon Siemens就提出用这种方法在常压(指气压)下产生臭氧，现在介质阻挡放电电路己经广泛应用于臭氧合成、紫外光源、气体激光激励、环保、微电子工艺柯金属表面改性等方面。介质阻挡放电装置主要是出气隙、介质阻挡层和电极组成，根据气隙和介质阻挡层在空间中的不同位置，可将其分为3种结构形式，图1-l给出了这三种结构形式。 （a）结构形式1 （b）结构形式2 （c）结构形式3图1-1介质阻挡放电装置的三种物理结构图1.1.5 负载特性及高频高压脉冲电源研制必要性根据介质阻挡放电发生器的工作原理，可以做出其等效电路图，见图1-2. 在外加电压没有达到放电的起始电压时负载可看作介质电容C1和放电通道的等效电容C2的串联，电路中没有传导电流。当放电发生后，由于有放电电流的出现，气隙不再仅仅表现为电容，而是可以等效为一可变电容与一可变电阻的并联。通常，在放电未发生时，负载等效电容约为几十pF到1个nf而放电发生时，由于C2的增加，其等效电容可增至原来的数倍。并且，该等效电容与电源电压、频率和波形都有十分密切的关系，一般而言，电压、频率越高，放电越强烈，等效电容值就越大。通过介质阻挡放电来电离气体，产生等离子体，其供电电源是核心部件。当在电极间施加一定频率的高压交流电时，电极间隙内的气体就会被电离，形成强烈的气体放电，从而产生高浓度的等离子体。间隙内气体的放电强度是一个与频率、电压、材料及结构有关的量。其放电功率公式为： P=4fC1V*(Vm- V* ) (1-2)V为电压峰值；f为电源供电频率。放电功率是表征气体放电产生等离子体强度的一个重要参数。从式中可知，要实现介质阻挡放电，供电电源必须具有较高的工作频率和较高的输出电压。电源频率越高，电压越高，气体放电就越强烈。需要说明的是，放电功率和供电电压、频率有着密切的关系，但绝不是和频率呈简单的比例关系，因为随着电源频率的改变，即使同一台电源，也有一定的波形变化，会影响反应器内的放电情况。从等效电路来看，不同频率下的动态电容、等效阻抗也表现出非线性变化。图1-2负载等效电路图 1.2 国内外高频高压脉冲电源的研究现状介质阻挡放电的供电电源系统是整个发生系统中非常重要的部分，它为发生器这一特殊负载提供符合要求的能量。从目前国内外研究和应用来看，介质阻挡放电的电源主要包括工频电源和中高频电源两类，研究热点主要集中在高频交流电源，研究主要包括两个方面的内容，即研究合适的拓扑和控制方法。拓扑研究有很强的应用背景，主要研究对象是较为成熟的桥式拓扑，分为电流型拓扑和电压型拓扑两大类。在控制方面，研究的主要思路是将各种控制方法综合起来，以获得较好的效果。本课题研制的等离子高频高压脉冲电源有着非常广泛的应用前景。在科学研究领域，与强电磁场脉冲、带电粒子流或电磁波等有关的现代物理学的研究多采用大功率纳秒级高重复频率脉冲。现在各国科研机构对这样纳秒级高压高重复频率脉冲电源的研究也在增加。工业和环境保护上，如消烟除尘、脱硫脱硝、化学降解、表面物理中电子束及核粒子束的加速、表面处理中正在开展的等离子体源离子注入、改善材料表面性能的新技术中，都要应用到这种高功率的脉冲源。这种脉冲电源也是医疗应用中准分子激光器的主要电源。1.3 高频高压电源研制的难点传统的大功率高压电源使用工频变压器升压，电路简单，但体积大、频率低，放电效果很不理想。IGBT等高频大功率电力电子器件的出现以及相关变频技术的发展，为介质阻挡放电电源的研制提供了新的途径。但是高频高压电源的研制，又受到许多限制：首先IGBT的导通关断频率有其自身的限制，目前国内可以购买的IGBT工作频率一般不超过三十KHz，而且IGBT的导通关断频率较高时，又在大电流条件下工作，其开关损耗将非常大；其次，本设计拟采用AT89C51单片机微处理系统，其处理速度有限，使得电源频率无法达到几十KHz；最后，在高频高压下，变压器的绝缘问题较难处理，包括高压绕组对低压绕组，高压绕组对铁芯以及高压绕组匝间的绝缘问题。并且变压器分布参数(漏电感和匝间分布电容)造成的影响亦不可忽略，频率越高，漏抗越大，电源输出功率受到限制，而分布电容则会造成原边电流过大、功率因素降低等。变压器的的铁芯选择及其绕组设计是整个电源设计的难点。2 电源电路的设计2.1 电源研制方案本设计是基于PWM技术的高压高频电源，其系统主电路主要由滤波整流电路，脉冲生成电路和控制电路组成。系统主电路采用交直交电压型大功率全控型电力电子器件绝缘门级双极性晶体管(IGBT)桥式逆变电路。控制电路采用脉宽调制(PWM)技术和单片机(AT89C51)控制技术。AT89C51通过软件编程方式产生一频率、脉宽均可调的PWM脉冲，即可有效控制逆变器输出交流电压的频率和有效值。而产生等离子体用的配套电源，可以是脉冲形式的，也可以是正弦波，或是方波、甚至直流。在目前，超短脉冲的高频高压电源的研制有相当的难度。大家选用较多的是正弦波，并且正弦波适于计算，适于与理论对照，并且能够较好的研究介质阻挡放电的特性，所以这一次主要研究的是发生正弦波的高频高压脉冲电源。考虑到电力电子器件自身的限制，电源可达如下要求： (1)单相交流输入；(2)输出正弦波；(3)输出频率：20kHz；(4)输出电压10kV；(5)输出电流10A。图2-1电源主电路原理图本设计采用220v交流输入，经整流成直流后，通过全桥逆变为交流，最后通过电感滤波、高频变压器升压来实现输出为高频高压的正弦波。输出电压的大小和频率通过单片机AT89C51控制IGBT的关断来实现。主电路结构图如下(图2-2)：图2-2系统结构图2.2 整流滤波电路2.2.1 整流滤波电路设计利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流实现整流变换的装置称之为整流器。整流器的主开关元件一般采用整流二极管或晶闸管。由整流二极管构成的整流器，由于其输出电压是不可控的，称之为不控整流：由晶闸管构成的整流器，其输出电压是可控的，故称为可控整流。可控整流器的电路一般由整流器的主电路(常简称为整流电路)及其触发控制电路组成。在整流变换过程中，其平均功率(或能量)的流向是从交流电源流向直流负载。整流器主电路的结构形式繁多，分类方式也多种多样。（1）按交流电源电流和整流电压波形可分为：(a)半波整流。整流器只在交流电源的半个周波输出整流电压。交流电源仅半个周波有电流；(b)全波整流。整流器在交流电源的正、负半波都输出直流电压。交流电源在正负半周波均流过电流。（2）按交流电源的相数的不同可分为：(a)单相整流；(b)三相六脉波整流；(c)六相十二脉波整流。（3）按整流电路中所使用的开关器件及结构的不同可分为：(a)不控整流；(b)半控整流；(3)全控整流。通常，由整流二极管构成整流器的电路叫不控整流电路，由晶闸管构成整流器的电路叫可控整流电路。（4）按控制原理的不同可分为：(a)相控转流；(b)高频整流。整流后的电压波形为略带纹波的直流波形，电路中可以并接容量较大的电容，起滤波作用，这样可以得到较为平滑的直流波形。2.2.2 本设计使用的整流电路主电路采用单相不可控整流，电网提供的交流电一般为220V或380V，而各种电子设备需要的电压是幅值不同的直流电压，因此，要对电网电压进行处理。在本设计中，首先对电网进行整流滤波处理。整流滤波电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，为处理成为理想的直流电压做一基础性的工作。本设计中应用的整流滤波电路为桥式整流电路，整流电路由四只整流二极管D1-D2组成，接成电桥形式。其工作原理如下：图2-3整流滤波电路原理当输入电源为U2的正半周如图2-3所示,D1，D3导通，D2，D4截止，电流由U2的1端经D1-RL-D3回到U2的2端，在负载RL上得到一个半波整流电压；当输入电源为U2的负半周时,同理在负载RL上得到另一半波整流电压,这样就得到一个与全波整流相同的电压波形。其工作波形如图2-4所示：图2-4桥式整流电路波形图输出波形参数估计：U0=1/2Usintdt=2/U2=0.9U2 （2-1）整流输出电压平均值现约为：U0=1.2U2=2201.2265(V) （2-2）取逆变器额定输出功率Po=10kW，设逆变器效率为=0.9，则整流桥的输出电流为：Io =P0/ U0=42A （2-3）整流二极管流过的电流为：ID= I0 =0.542=21A （2-4）桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。在整流之后，对电流进行电容滤波，其电容滤波电路如图2-3所示，电容选用450V470uF电解电容。整流桥采用KBPC3506，耐压600V，最大电流35A.2.2.3 滤波电路经过整流后的输出电压离所要求的平滑直流状态还相差甚远，因此还要有滤波的措施。滤波电路包括有源滤波和无源滤波。由无源元件电阻、电感和电容组成的滤波电路称为无源滤波电路。由放大电路和RC网络组成的为有源滤波。与无源滤波相比，有源滤波的优点主要有:1、由于不使用电感元件，因此体积小、重量轻，也不需要加磁屏蔽;2、有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈，使输入阻抗高，输出阻抗低，输入和输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波电路串接起来，就可以得到高阶滤波电路，一般不需要象LC无源滤波电路那样考虑级间相互影响;3、除了起滤波作用外，还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。其缺点主要是:1、由于通用型集成运放的带宽一般较窄，因此有源滤波电路通常不宜用于高频范围，一般使用频率在几十赫兹以下。当频率高于10KHZ时，采用LC无源滤波可以获得较好效果。2、因为采用有源器件，所以必须设置提供能量的直流电源，有源滤波电路才能正常工作。它无法象无源滤波电路那样容易做成浮置式。3、可靠性较差。4、不适合在高压或大电流条件下使用。在电源设备中的滤波电路是要抑制所有的交流成分只保留直流成分，由于电源设备经常需要供给较大的电流或输出较高的电压。而利用集成运放组成的有源滤波电路不能适应，所以使用由无源元件组成的滤波电路。电容滤波电路图2-4(a)是用Multisim软件设计的整流滤波电路，采用的是简单的电容滤波电路，不带负载。图2-4(b)为仿真结果示意图。由图可见，在空载时电容的滤波效果很好，uo无波动。图2-4(a) Multisim仿真电容滤波电路图2-4(b)电容滤波电路空载时仿真波形图2-5(a)是给图2-4(a)的整流滤波电路加上负载RL。由于电阻RL的接入，给电容C提供了放电通道，当二极管D不导通时，电容C以时间常数凡C的规律下降，直到D导通。因此形成了周期性的电容充放电过程。图2-5(a)电容滤波电路带大负载图2-5(b)带负载载时仿真波形2.3 逆变电路原理图2-6是根据理想开关原理表示的单相电压型逆变器主电路的构成。直流电源电压E如图中极性是一定的。其中开关从S1到S4中，首先设S1和S4导通，S2和S3关断。这时负载电阻R上施加的电压Vr如图所示方向为十E。然后转换开关设S1和S4关断，S2和S3导通。于是，施加在电阻R上的电压极性改变，成为E。由于这样反复地转换，E和E交替出现，在电阻R上施加了交流电压。这就是从直流转换交流的原理。电源是直流电压源，从负载看，逆变器似乎是单相交流的电压源，所以称为单相电压型逆变器。根据在等间隔1秒间切换多少次决定了输出交流的频率。图2-6逆变电路原理图当电路中有电感负载时，开关器件还应反向并联二极管，起到续流作用，保护功率开关管（IGBT），承受负载产生的反向电流。实际装置中，IGBT1-IGBT4均选用通流容量75A，耐压1200V的IGBT模块。开关器件的选取逆变电路见图2-7，其工作原理如下：图2-7电源逆变电路桥臂对边上的IGBTI，IGBT4同时导通，此时IGBT2，IGBT3截止，电流经IGBTl到负载，再经IGBT4形成回路，输出电压为正半周；IGBTI，IGBT4截止时，IGBT2，IGBT3导通，输出电压为负半周。为防止直通，IGBTl、IGBT4导通后要有一定的延时，IGBT2、IGBT3才能导通。这样经逆变后的电压波形如图2-8所示：U时间t（us）50100图2-8逆变后输出电压波形2.4 输出电路 输出电路由滤波电感、变压器以及负载组成。可变直流电压经DC/AC全桥逆变电路得到方波输出，该方波经LC滤波后可得到正弦波输出。滤波电感由外加电感和变压器自身漏感组成，滤波电容由变压器自身杂散电容和负载本身的电容构成。变压器是逆变电源的重要组成部分，它对逆变器的效率和工作可靠性以及输出电气性能起着非常重要的作用，因此逆变变压器的设计非常重要。铁芯电抗器是交、直流输出LC滤波器的主要器件，它的合理设计对逆变器的工作过程和输出电压、电流纹波都有重要影响。3 功率开关器件3.1 功率开关器件的应用在逆变电路中，开关器件起着核心的作用。开关器件有很多种，如按功率等级来分类，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等；按制造材料分类有锗管、硅管等；按导电机理分类有双极型器件、单极型器件、混合型器件等；按控制方式来分类，可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件：不可控器件包括整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管等；半可控器件包括普通晶间管、高频晶间管、双向晶闸管、光控晶闸管等；全可控器件包括功率晶体管(BJT)、功率场效应管(Power MOSFET)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。在选取开关器件时，主要可从以下五个方面考查电器件的性能特点。（1）导通压降。半导体器件工作在饱和导通时仍产生一定的管耗，管耗与器件导通压降成正比，所以应尽量选择低导通压降的电力半导体器件。（2）运行频率。电力半导体器件运行频率除了与器件的最小开、关时间有关外，还受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开、关时间越短，器件可运行的频率越高。（3）器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。高电压等级的功率MOSFET，导通电阻大，通态功率损耗大，一般应用在中、小功率的高频装置中。近年来IGBT发展很快，IGBT取代BJT已成为现实，甚至有取代GTO的趋势。（4）耐冲击能力。主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半可控器件的耐冲击能力远高于全可控器件。例如普通晶闹管在工频半个周期内(10ms)可承受20倍以上的额定电流冲击而不损坏。（5）可靠性。主要是指器件防止误导通的能力。半可控器件一旦受到干扰信号产生了误导通，则无法通过控制信号将其关断，因此在主要承受正向阻断电压的有源逆变系统中，容易造成系统的颠覆。而全可控器件可以通过控制信号迅速关断误导通的器件，因此系统工作可靠性高。在本系统中，需要全控性的(能够自关断)开关器件，有GTR、GTO、MOSFET和IGBT。GTR和GTO属于门极负电流脉冲关断，通流能力很强，但其开关速度相对较低，驱动电路复杂。MOSFET开关速度快，工作频率最高，但电流容量相对较小，耐压较低，导通压降较大。IGBT是具有功率MOSFET高速开关特性和双极晶体管的低导通电压特性的两者优点并存的电力半导体器件。可以高速开关，耐高压和大电流，所以本设计选取IGBT作为开关器件。此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等也是选择电力半导体器件应考虑的因素。表2-1 主要电力半导体器件特性比较类别二极管晶闸管门极可关断晶闸管GTO双极型晶体管功率场效应晶体管MOSFET绝缘栅双极晶体管IGBT导通关断功能无/无（不可控）有/无（可控导通）有/有（自关断型）有/有（自关断型）有/有（自关断型）有/有（自关断型额定电压5kv4kv6kv600v600v600v额定电流3KA3KA6KA400A70A400A开关频率几百Hz几百Hz几百Hz2KHz100KHz20KHz应用领域各种整流装置炼纲厂，轧纲厂，电解用整流器，直流输电机车用逆变器、无功功率补偿器各种电源逆变器开关电源、汽车各种逆变器、开关电源3.2 绝缘栅双极晶体管（IGBT）3.2.1 IGBT功率开关管应用绝缘栅双极晶体管简称IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种复合型电力半导体器件，它兼有MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）高输入阻抗，高速特性和双极结型晶体管Bipolar Junction Transistor又称电力晶体管（GiantTransistor）大电流密度特性的优点的混合器件，既具有速度快，输入阻抗高的特性，又具有通态电压低、耐压高、电流容量大的特性。IGBT的开关速度要比功率MOSFET的低，但要比BJT的快，IGBT的关断存储时间和电流下降时间分别为0.2-0.4 m s和0.2-1.5ms。IGBT较高的工作频率宽而稳定的开关安全工作区及简单的驱动电路，使得IGBT在大功率电源应用场合成为首选。目前世界上许多电力电子器件公司均提供IGBT模块，并有专用驱动电路可供选择。3.2.2 IGBT的工作原理IGBT的开通和关断由栅极控制。当栅极G施加正向电压且大于开启电压时，在栅极下的P型体区内便形成导电沟道，此沟道为IGBT内的PNP晶体管提供基流，使IGBT导通，当IGBT栅极电压小于开启电压时或施加反向电压时，IGBT内的MOSFET的导电沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。3.2.3 IGBT的主要参数对于IGBT的应用者来说，最为关心的是如下几个主要参数：集电极发射极额定电压UCES，栅极与发射极短路时IGBT能承受的耐压值，不同等级的器件有不同值UCES。栅极发射极额定电压UGES，栅极控制信号的额定值。目前IGBT的值UGES大部分为+20V，使用时栅极的控制电压最好不要超过该额定值。集电极额定电流IC,IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。集电极发射极饱和电压UCE(sat)：此参数给出IGBT在正常饱和导通时集电极发射极之间的电压降，此值越小，管子的功率损耗越小。开通时间和关断时间含义如下：IGBT由关断状态过渡到导通状态所需要的时间，称为开通时间；IGBT由导通状态过渡到关断状态所需要的时间，称为关断时间。3.2.4 IGBT对驱动电路的要求绝缘栅双极型晶体管 IGBT是一种由双极型晶体管与 MOSFET组合的器件 ，它既有 MOSFET的栅极电压控制快速开关特性 ,又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点。但 IGBT的门极驱动电路影响其通态压降、 开关时间、 开关损耗、 承受短路电流能力等参数 ,决定了 IGBT的静态与动态特性。因此 ,使用 IGBT最重要的工作是设计驱动与保护电路。驱动 IGBT的电路应根据栅极对驱动信号的要求 ,具备下列性质: (1）IGBT驱动电路应具有的基本性能动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲，使得IGBT栅射电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平；驱动电路的内阻合适，保证合理的开关速度，避免主回路过高的电流尖峰，有利于主回路安全。能向IGBT提供适当的正向栅压，IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，UGE高，UCE小，器件的导通损耗就减小。这有利于充分发挥管子的工作能力。在有短路保护的设备中，应选小些，一般为+12+15V。有足够的输入输出电隔离能力。具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。在IGBT处地负载短路或过流状态时，驱动电路能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动控制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路使用。(2）与驱动电路有关的保护当IGBT承受短路电流时，及时检测到并关断，能有效保护器件。识别IGBT是否承受短路电流的方法之一，就是检测共管压降UCE，若UCE过高，则一定发生短路，需立即关断IGBT。3.2.5 IGBT的驱动目前，供IGBT使用的驱动电路形式多种多样，各自的功能也不尽相同，从电路隔离方式看，IGBT驱动器可分为两大类，一类采用光电耦合器，另一类采用脉冲变压器，两者均可实现信号传输及电路的隔离，目前国内市场常用典型的驱动模块规格参数见表3-1。驱动模块的选取根据IGBT模块的容量确定:模块的工作电流IC和电压UCE,由于选用CM150E3Y-24H，技术指标为IC 150A、UCE1200V故选用富士的驱动模块EXB841。表3-1 国内常用典型IGBT驱动模块规格参数 驱动 器参数日本富士日本三菱M57959L62L中国西安HL402B日本英达HR065美国UnitrodeEXB850/1EXB840/1隔离方式光电隔离光电隔离光电隔离光电隔离光电隔离电磁隔离附加电源+20V+20V+18V，-10V+25V+25V输出高/低电平+14.5V/-4.5V+14.5V/-4.5V+18V/-10V+14V/-9V+16V/-8V+915V/0V最高工作频率10kHz40kHz40kHz40kHz20kHz3.2.6 EXB841工作原理 EXB841是日本富士公司提供的快速型 IGBT驱动专用模块 ,整个电路延迟时间不超过 1s,最高工作频率达 40kHz,只需外部提供一个 + 20V单电源 ,内部产生一个 - 5V反偏压 ,模块采用高速光耦隔离。EXB841主要由放大电路、 过流保护、 5V基准电压和输出等部分组成 ,内部结构如图3-1所示。图3-1EXB841工作原理图(1)导通过程当EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光耦IS01导通，A点电位迅速下降至0V，V1和V2截止；V2截止使D点电位上升至20V，V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻RG向IGBT提供电流使其迅速导通。（2）关断过程当控制电路使 EXB841输入端 15和 14管脚无电流流过 ,光耦IS01截止 , A点电位上升 , V1、 V2 导通 ,V2导通使 V4截止、 V5导通 , 3号管脚的电位为 0V,IGBT栅极电荷通过 V5 迅速放电 , 使 EXB841脚3的电位迅速下降至,使 IGBT迅速关断。（3）保护过程 设 IG BT正常导通 ,则 EXB841中 V1 和 V2 截止 ,V4导通 , V5 截止 , B点和 C点电位稳定在 8V左右 ,VZ1不被击穿 ,V3不通 ,二极管 VD6截止 , E点电位保持在 20V。若此时发生短路 , IGBT承受大电流而退饱和 ,VCE上升很多 ,二极管 VD7截止 , EXB841的 6管脚“ 悬空 ” , B点和 C点电位由 8V上升至 13V时 , VZ1被击穿 ,V3导通 , C4通过 R7和 V3放电 , E点电位逐渐下降 ,二极管 VD6导通使 D点电位逐渐下降 ,从而使EXB841的 3管脚电位也逐步下降 ,慢慢关断 IGBT。3.2.7 EXB841典型应用电路及引脚功能表图3-2EXB841典型应用电路 其中栅极电阻RG与IGBT的开通和关断特性密切相关，RG小时开关损耗减少，开关时间缩短，关断电压脉冲增大。应根据浪涌电压和开关损耗的最佳折中关系选择合适的RG值，一般选为1027.为防止栅极开路，在栅极与发射极并联20K30k。表3-2 EXB841引脚功能引脚号引脚功能1连接用于反向偏置电源的滤波电容 2电源（+20V）3驱动输出4用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作（绝大部分场合不需要电容）5过流保护输出6集电极电压监视7、8不接9电源（0V）10、11不接14驱动信号输入（-）驱动信号输入（+）4 PWM单片机控制4.1 PWM 驱动电路模块 PWM（pulse width modulation）技术定频率调脉宽技术，是保持频率不变，改变脉冲的宽度进行调节，从而获得所需波形。在开环状态下，脉冲宽度增大，电弧电流电压增大，从而获得所需的调节特性，实现电源参数的调节。 PWM 驱动电路模块中，PWM 驱动器在输入 PID 控制器输入的控制量后，依据这个控制量来确定方波的占空比，进行调节输出脉冲宽度（频率不变），驱动逆变电路的 4个功率管（IGBT）。 PWM 是逆变电源中的重要模块，由它控制 IGBT 的开通与关断，要建立逆变电源的仿真与分析，就要建立其合适的模型。 PWM 的工作过程分析，在逆变过程的前半周期中在条件满足的情况下开通 IGBT1和 IGBT4，并且在这个过程中 IGBT2 和 IGBT3 始终保持关断。在逆变的后半周期在条件满足的情况下实现 IGBT2 和 IGBT3 的开通，同时使 IGBT1 和 IGBT4 在这半个周期保持关断。该模块有两路输出。4.2 PWM控制系统产生 PWM 信号可以由硬件方法和软件方法实现。传统的硬件模拟方法是把调制信号和载波(一般是三角波)同时接入运算放大器的两个输入端作比较而得到。而软件的实现 ,特别是基于单片机的软件实现方法 ,主要是利用其内部提供的定时器 ,通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间 ,如果把系统的控制信号和定时器的定时初值线性对应起来 ,就可获得控制信号对脉宽调制的PWM 信号。所以这样线性的对应过程就成为这个实现过程的关键。控制信号的种类不同 ,采用不同的计算方法 ,又可以获得不同的 PWM , C51系列单片机提供了非常丰富的资源 ,它除了拥有4个通用并口和 1 个串口外 ,还有外部中断和内部定时