单相变频电源设计 精品.doc

第1章 概论1.1 电源的基本概念电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小，和是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命1。根据电源的使用范围可分为普通电源和特种电源。普通电源可细分为、逆变电源、交流稳压电源、DC/DC电源、通信电源、模块电源、变频电源、变压器电源等。特种电源又可细分为：岸电电源、安防电源、高压电源、医疗电源、军用电源、航空航天电源、激光电源、其他特种电源。1.2 变频电源与变频器的区别变频电源是由整个电路构成交流一直流一交流一滤波的变频装置，得到了广泛应用。变频电源不仅能 模拟输出不同国家的电网指标，而且也为出口电器厂商在设计开发、生产、检测等应用中提供纯净可靠的、低谐波失真的、高稳定的电压和频率的正弦波电源输出。变频电源是非常接近于理想的交流电源，可以输出任何国家的电网电压和频率2。变频器是由交流一直流一交流（）等电路构成的，变频器的标准名称应为变频调速器。其输出电压的波形为脉冲方波，且谐波成分多，电压和频率同时按比例变化，不可分别调整，不符合交流电源的要求。1.3 变频电源的分类变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM开关型。变频电源工作方式主要分为交直交变频和交交变频两大类，交直交变频又可分为电压型和电流型两大类，交交变频多为电压型，也有少量使用电流型。变频电源控制方式分为电压型、电流型、脉冲宽度调制型等。变频电源按输出电压形式不同可分为单相变频电源和三相变频电源2。1.4 变频电源的应用交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能3。交流变频调速有许多特点，如：1）调速时平滑性好，效率高。低速时，相对稳定性好；2）调速范围较大，精度高；3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节点效果明显；4）变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便； 5）易于实现过程自动化；6）必须有专用的变频电源、稳压器、而这些设备目前造价较高；7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 交流拖动本身存在可疑挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能叨叨节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。变频电源在科学研究与产品研发上也得到了广泛应用，被用做测试电源。下面是变频电源在多个行业和领域中的应用：在家电业制造业中的应用，如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源；在电机、电子设备制造业中的应用，如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源；在IT产业及电脑设备制造业中的应用，如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源；在实验室或测试部门的应用，如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源；在航空与军事单位中的应用，如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源。1.5 变频电源的发展趋势 变频电源产品在发达国家的广泛应用，上世纪80年代后期，以日本品牌为代表的外资品牌开始涌进中国大陆，成为中国变频电源行业的开端。经过20余年的推广和使用，变频电源这一产品已经得到广大企业用户的认可，外资品牌从三肯、富士两个品牌发展到目前的40余个，同时涌现了近百个内资品牌，品牌总数达到140多个。从整体看，虽然国产品牌的数量众多，但绝大多数产销规模很小，综合竞争力较弱。与发达国家相比，我国的变频电源技术相对落后。20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。接着日本三垦公司、日本富士电机公司把变频电源推进中国，使我国的电机调速打破了直流调速的垄断局面，开始了交流电机变频调速时代。1996年，国家原机械部等四部委推荐国产29个厂家33个规格的变频电源，但由于大部分本土企业受技术、资金和体制等方面制约，发展较慢，难以形成和国外品牌抗争的局面。变频电源是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频电源而得到迅猛发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗（即效率）如何。 变频电源主电路的拓扑结构方面：变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的转动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。 交流电动机变频电源调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。电机能耗占比高，节能潜力大。通过对电机变频调速可平均节能30以上，节能效果显著，电机节能空间巨大。伴随着节能政策的推广，变频器行业将迎来新一轮发展。摩根士丹利预测，中国潜在的节能市场规模达8000亿元。果不其然，无论是消费电子还是在工业领域，利用变频技术达到节能的目的成为人们追求的目标。在超市中，一排排的变频空调、变频风扇吸引消费者的目光；在工厂中，伺服电机、变频器现身生产线上，正为企业达到节能降耗的指标作出贡献。中国变频器市场正在呈迅速扩大的趋势，根据一份中国国内的权威统计，在过去的几年，中国变频器市场保持着25-35的年增长率，增长速度排在电气行业之首位。机械工业信息研究院产业与市场研究所发布数据称，我国变频器市场至少在10年以后才能趋于饱和，总体市场潜力为1200亿-1800亿元。威尔凯中国区CEO陈建义透露，目前中国市场上变频器安装容量（功率）的增长率实际上在20左右，按照这样的增长速度计算，中国的变频器市场至少要到15年后才能发展成熟并逐渐饱和。第2章 变频电源的理论基础2.1 变频电源的基本原理经过ACDCAC变换的逆变电源称为变频电源。变频电源主要是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定而纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻低、电压波形为单一正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能4。在调频调压控制技术发展的早期，多采用PAM方式，因此，变频电源逆变器输出的交流电压波形只能是方波，改变方波有效值，只能通过改变方波的幅值，即：中间直流电压幅值来完成。随着全控型快速开关器件GTR、IGBT、MOSFET等的出现，才逐渐发展为PWM方式。由于调节PWM波的占空比即可调节电压幅值，所以逆变环节可同时完成调压和调频。整流器无需控制，设备结构更简单，控制更方便。输出电压由方波改进为PWM波，降低了输出电压的低次谐波含量。SPWM是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相比较产生PWM波的控制方式。当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时,使相应的开关器件截止。由此，逆变器的输出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定，这就是变频电源调频调压的原理。2.2 变频电源的拓扑结构变频电源总的拓扑结构是市电输入，经过EMI滤波器处理以防止电网中其他谐波的干扰；然后是整流电路把交流变为直流电以便后续的逆变电路的工作；接着就是PWM电路发生控制电路以便控制逆变电路将直流变为交流电；驱动模块的作用是提供逆变过程中功率管的开通和关闭频率；最后就是交流输出，当然输出的滤波电路是不可忽略的；其中也包括过电流、过电压、短路保护、温度保护和相对应的检测电路；如果系统要求高还可以加上显示模块以方便查看输出的信息等。变频电源工作原理图如图2-1所示。 图2-1 变频电源工作原理图根据电磁性的基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备三要素:电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为防止干扰，可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。其中，硬件抗干扰是应用措施系统最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的藕合通道、降低系统干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法5。1、 所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离以免传导干扰，电源隔离可应用噪声隔离变压器。2、 在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源从电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器;为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。在变频器的输入和输出电路中，除了上述较低的谐波成分外，还有许多频率很高的谐波电流?，它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号。滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的主要手段。输出滤波器也由电感线圈构成。它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分。非但起到抗干扰的作用，且能削弱电动机中由高次谐波谐波电流引起的附加转矩。对于变频器输出端的抗干扰措施，必须注意以下方面：频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通（关断）瞬间，产生峰值很大的充电（或放电）电流，损害逆变管；输出滤波器由LC电路构成时，滤波器内接入电容器的一侧，必须与电动机侧相接。3、 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏;输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路线（AC380V）及控制线（AC220V）完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。4、 正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。2.3 逆变电源介绍1 逆变电源的发展阶段逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变幻的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出6。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。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20世界60年代，到目前为止，它经历了三个发展阶段。第一代逆变电源是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR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SCR，但换流电路复杂。噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20世纪70年代后期，各种自关断器件想运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶闸管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）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。第三代逆变电源实时反馈控制技术，使逆变电源性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源非线性负载适应性不强及动态特性不好的的缺点提出来的，它是最近十年发展起来的的新型电源控制技术，目前仍在不断完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。2 逆变电源与变频电源的区别逆变电源是指将直流变成交流电以便于使用，主要使用在将储存在畜电池的电转为交流电以便用电设备使用（比如电脑），因为这些用电器具平时用的是交流电频率通常是50HZ。变频电源是指将市电中的交流电先变换为直流电，然后结果逆变将直流电转换为交流电同时将改变输出交流电与输入交流电的频率。逆变电源与变频电源的共同点是：都是整流的逆向过程，所用技术原理基本相同，在控制技术上有一定的相似之点；它们的不同点是：逆变输出交流频率50HZ不变，而变频输出频率或电压都可以通过手动或者自动控制发生改变。3 逆变器的工作原理逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。Inverter是一种直流到交流（DC to AC）的变压器，顾名思义是逆向变压，它其实与Adapter是一种电压逆变的过程。Adapter是将市电电网的交流电压转变为稳定的 12V直流输出， 而 Inverter 是将Adapter输出的 12V直流电压转变为高频的高压交流电。现在的逆变器一般采用了PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术，从而获得大功率、高效率的交流逆变输出。逆变器有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。单相桥式逆变电路如图2-2所示。图2-2 单相桥式逆变电路S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U0为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，U0为负，把直流电变成了交流电7。第3章 变频电源系统方案设计3.1 系统方案选择此次变频电源系统方案的制定主要包括专用逆变电源芯片的选择，变频电源中逆变电路的选择。下面针对各自的选择方案做简要说明。3.2 逆变专用芯片选择方案随着经济的飞速发展，变频电源在各行各业中扮演着重要的角色，如车载逆变器，变频调速器等等，变频专用测试电源等。正因为如此大量的纯正弦波逆变发生器芯片应运而生，常见的控制芯片比如SG3524 、SG3524N、SG3525、TL494、TDS2285等。当然也有通过软件编程控制输出SPWM的芯片比如：PIC16F877A、dspic30f4011和最新版的dspic33XX系列微处理器等。本次变频电源系统中纯正弦波逆变发生器芯片选择EG8010，它是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DC-DC-AC两级功率变换架构或 DC-AC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或60Hz逆变器专用芯片。此芯片与上述其他纯正弦波逆变发生器芯片的最大不同之处在于EG8010芯片不仅可以定频输出50HZ、60HZ，而且还能通过外围电路的设计改变其输出频率，输出频率可调节范围0400HZ。根据EG8010参考手册可知，通过改变芯片引脚FRQADJ的电压可以改变输出频率。但是手册中采用的方式是通过调节可变电阻来调节引脚FRQADJ的电压，而本次设计采用的是微机控制系统控制方式调节引脚FRQADJ的电压进而改变输出频率，具体的微机控制系统详见第五章。本文以EG8010为核心控制芯片对电源系统包括变频控制电路、保护电路以及驱动电路做的设计8。下面对逆变专用芯片EG8010做简单的介绍。3.2.1 EG8010芯片的描述EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DC-DC-AC两级功率变换架构或 DC-AC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或60Hz逆变器专用芯片。该芯片采用CMOS 工艺，内部集成SPWM正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、RS232串行通讯接口和 12832串行液晶驱动模块等功能。下面是EG8010的整体封装结构及各管脚的功能。EG8010系统封装结构如图3-1所示。图3-1 EG8010系统封装结构EG8010芯片基本模块由以下几个部分组成：电源模块；晶体振荡模块；状态控制器模块，包括SPWM输出上下管死区的设置、频率模式的选择、变频变压模式选择、PWM输出类型选择、风扇控制输出、LED指示输出等；SPWM发生器模块；12832液晶显示模块；串口通讯模块；反馈信号处理模块，包括电压反馈、电流反馈、温度反馈等。EG8010结构框图如图3-2所示。图3-2 EG8010结构框图EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DC-DC-AC两级功率变换架构或 DC-AC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或60Hz逆变器专用芯片。3.2.2 EG8010的特点与应用领域该芯片采用CMOS 工艺，内部集成SPWM正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、RS232串行通讯接口和 12832串行液晶驱动模块等功能。该芯片有以下特点：1)、5V单电源供电；2）、引脚设置4种纯正弦波输出频率： 50Hz纯正弦波固定频率、60Hz纯正弦波固定频率、0-100Hz纯正弦波频率可调、0-400Hz纯正弦波频率可调。3)、单极性和双极性调制方式；4)、自带死区控制，引脚设置4种死区时间： 300nS死区时间、500nS死区时间、1.0uS死区时间、1.5uS死区时间。5)、外接12MHz晶体振荡器，PWM载波频率23.4KHz；6)、电压、电流、温度反馈能实时处理，有过压、欠压、过流、过热保护功能；7）、引脚设置有软启动模式 3S的响应时间；8)、串口通讯可以设置输出电压、频率等参数，外接串口12832液晶显示模块可以显示逆变器的电压、频率、温度和电流等信息。现已被以下行业广泛使用。例如单相纯正弦波逆变器、光伏发电逆变器、风力发电逆变器、不间断电源UPS 系统、数码发电机系统、中频电源、单相变频器、单相电机调速控制器、正弦波调光器、正弦波调压器、正弦波发生器、逆变焊机等。3.2.3 EG8010的变频模式EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，可以通过设定芯片FRQSEL1，FRQSEL0引脚高低电平和改变 FRQADJ引脚的电压来改变频率，此芯片的使用使得变频电源系统设计进一步简单而高效。EG8010频率模式分为固定频率模式和可调频率模式，可调频率模式下 EG8010仅采用了单极性调制方式，即可调频率模式下需将引脚(20)MODSEL 接低电平。频率模式通过引脚FRQSEL1，FRQSEL0 设定，固定频率模式为“00”是输出50Hz频率，“01”是输出 60Hz频率,固定频率模式下 FRQADJ功能无效，工作在双极性调制模式下引脚（16）将作为 VFB2电压反馈电路；可调频率模式为“10”是输出频率范围 0100Hz可调,“11”是输出频率范围0400Hz 可调，可调频率由 FRQADJ引脚调节电路如图，FRQADJ引脚的输入电压从05V变化，对应的基波输出频率从 0100Hz或0400Hz 变化，此功能结合VVVF引脚可以应用在单相变频器系统。EG8010 频率调节电路如图3-3所示。图3-3 EG8010频率调节电路8其工作原理不采用手动调节可变电阻方式，而是采用温度自动控制输入05V的值到EG8010芯片以达到变频的目的。从频率调节电路原理图可以看出16脚采集的电压是呈线性关系的。具体调节方式是通过DS18B20温度采集到相应的数据，然后传输到AT89C51单片机上，单片机通过系统程序自动把对应温度转换为模拟电压输出到数模转换器DAC0832上，然后再DAC0832上接上一个运算放大器使输出模拟电压得以放大到05V，以提供EG8010的16引脚的输入，使得整个系统得以正常运行。3.3 变频电源中逆变电路的方案是指将低电压变为高电压,把直流电变为交流电的电路,它与整流电路相对应,是通用的核心部件之一,有非常重要的作用.它的基本作用是在控制电路的控制下,将中间的直流电路输出的直流转换为频率和电压都任意可调的。下面以常见的单相电压型逆变电路举例分析说明。1、 半桥逆变电路半桥逆变电路结构及其工作波形如图3-4所示。图3-4 半桥逆变电路V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。优点：简单，使用器件少。缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。2、 全桥逆变电路全桥逆变电路结构及其工作波形如图3-5所示。图3-5 全桥型逆变电路全桥逆变电路共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组而成。把桥臂V1和V4作为一对，桥臂V2和V3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对桥臂各导通180。与半桥逆变相比，全桥逆变输出电压Um的幅值高出一倍，即Um=Ud。根据以上两种逆变电路的特点和变频电源系统中对EG8010芯片的设计要求，选择目前在单相逆变电路中应用较多的全桥逆变电路作为该变频电源的逆变电路。第4章 系统变频电路设计整体系统框图如图4-1所示。整个变频电源系统电路模块包括：整流滤波电路、变频控制模块、驱动模块、功率主板模块、保护模块(电压、电流、温度保护)等。变频系统框图如图4-1所示。图4-1 变频系统框图其工作原理是市电输入经过整流滤波模块输出稳定直流高压，为后续的逆变电路做漏极的输入。蓄电池的电压经过转换后为EG8010芯片供电，使得变频控制系统模块正常工作；通过驱动模块的输出驱动功率主板发生逆变；紧接着经过LC滤波电路输出220V交流电压。反馈部分包括微机控制系统和保护模块。其中微机控制系统主要目的是：随着外界温度的变化而输出05V的模拟电压以自动调节变频控制系统，使之输出频率为20HZ100HZ范围内可调的稳定交流电，当温度低于或高于设定值时，停止输出；反馈回路中的保护模块是为了输出能安全、正常的运行而必须设定的，其中包括电压保护、电流保护、温度保护。当其中一项或者多项发生时，系统能自动断开输出，以保证设备不被损坏。下面针对变频电路系统中的各个模块做详细介绍。4.1 整流滤波电路设计整流滤波电路目的是为了得到后级的直流高压，以配合驱动电路进行逆变。下面是我所设计的整流滤波电路的原理图和简要分析。整流滤波电路原理见图4-2所示。图4-2 整流滤波电路整流滤波电路电路原理是：首先要考虑的是电网中的交流电具有不稳定性，有不同程度的谐波干扰，加上电网的电压偶尔会超过正常值，所以我们必须在此安装一个合适的保险管，以保护核心设计部分不被损坏；根据输出功率可选择F1取值为250V、2A的管子。热敏电阻RT1，利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC稳幅电路，延迟电路和保护电路，选择型号为MF72-05D100。压敏电阻RV，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害，选择的型号为07D431k。共模电感L2，共模电感，也叫共模扼流圈，常用于电脑的中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。整流桥D1可以用整流将交流电转换为直流电，整流桥选型（KBP307）3A 800V 。滤波电容C3、C6，以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，选型大小为470uF/450V，L2与C4，C5组成共模干扰电路；C2，C1组成串模干扰电路；R2是泄放电阻；整流输出电压VH=1.414*220V=310V。采用辅助电源U3，U78L05把VBT12V的电池电压转换为Vcc+5V电压以便为控制芯片AT89C52和EG8010供电。4.2 控制模块设计此次设计采用了EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DC-DC-AC两级功率变换架构或 DC-AC 单级工频变压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz或60Hz逆变器专用芯片。下面介绍本次变频控制模块的详细工作过程。变频控制模块如图4-3所示。图4-3 变频控制模块芯片电源VCC由U78L05输出，经过滤波电容C12和C13提供+5V电源。具体控制方式通过设置引脚PWMTY接高电平，代表负极性PWM输出，输出应用于死区电平为同时高电平场合,如驱动TLP250等光耦器件的阴极。通过DT0、DT1接高电平代表PWM 输出上、下 MOS 管死区时间为1.5us。通过电流保护模块控制引脚SPWMEN输出使能端，“1”是启动SPWM 输出，“0”是关闭SPWM输出，当Ifb检测到输出的负载电流过大时SPWMEN失能，关闭SPWM输出，逆变停止。通过外接风扇FANCTR引脚，当 TFB引脚检测到温度高于 45时，输出高电平“1”使风扇运行，运行后温度低于 40时，输出低电平“0”使风扇停止工作。通过微机控制模块输出的模拟电压值，复用到引脚FRQADJ以调节输出频率，EG8010芯片的16脚接微机控制输出的Vout。通过控制反馈输入端Vfb引脚调节正弦波输出电压。通过外接 LED 报警输出，当故障发生时输出低电平“0”点亮 LED，以下状态分别表示的含义如下：正常：长亮；过流：闪烁2下，灭2秒，一直循环；过压：闪烁3下，灭2秒，一直循环；欠压：闪烁4下，灭2秒，一直循环。通过设置FRQSEL1(引脚 19)，FRQSEL0(引脚 18)来改变输出电压频率模式，从图中可以看出FRQSEL1是高电平，FRQSEL0是低电平，所以输出的频率范围0-100Hz 由 FRQADJ 引脚调节。通过MODSEL设置为低电平使其为单极性调制方式。通过VVVF设置为低电平使其为变频、不变压模式。SPWMOUT各引脚功能：SPWMOUT1：右桥臂上管 SPWM 输出，单极性调制时该脚作为右桥臂上管的基波输出；SPWMOUT2：右桥臂下管 SPWM 输出，单极性调制时该脚作为右桥臂下管的基波输出；SPWMOUT3：左桥臂上管 SPWM 输出，单极性和双极性调制时该脚都作为左桥臂 SPWM 调制输出；SPWMOUT4：左桥臂下管 SPWM 输出，单极性和双极性调制时该脚都作为左桥臂 SPWM 调制输出。4.3 驱动模块设计由于主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，本次设计采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。TLP250驱动原理图如图4-4所示。图4-4 TLP250驱动原理图9TLP250驱动主要具备以下特征：输入阈值电流IF=5mA(max)；电源电流ICC=11mA(max)；电源电压(VCC)=1035V；输出电流IO=0.5A(min)；开关时间tpLH/tpHL=0.5s(max)。接下来对TLP250设计的驱动电路做简单介绍。变频驱动电路模块如图4-5所示。图4-5 变频驱动电路模块T0、T1、T2、T3分别对应SPWMOUT3、SPWMOUT4、SPWMOUT1、SPWMOUT2；R1,R3,R4,R5为限流电阻取51欧姆；C3,C7,C11,C15是滤波电容取0.1uF；Input forward voltage VF典型值1.6V，最大值1.8V；TLP250的1、4引脚悬空，2脚接VCC，3脚接SPWMOUT，8脚接电池电压，5脚接地，6、7脚作为输出HO，Vs；C2,C4,C10,C14作为8脚与5脚的旁路电容，大小为0.1uF；C1、C6与C9为滤波电容10uF/16V。4.4 功率主板模块变频电源系统功率主板模块包括主板功率管MOSFET的应用介绍、功率MOSFET工作原理以及功率MOSFET逆变电路设计。1.功率MOSFET介绍：MOSFET的原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管9。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。2.功率MOSFET工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面,当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。MOS管的输入端，等于是一个小电容器，输入的开关激励信号，实际上是在对这个电容进行反复的充电、放电的过程10。3.功率MOSFET逆变电路设计电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小11。本次设计功率管选择IRF840 MOSFET电力场效应晶体管驱动能力为500V/8A,RDS=0.8,VGS=10V。下面是功率板模块的原理图以及对原理图的分析。逆变功率主板模块如图4-6所示。图4-6 逆变功率主板模块Q1Q2的漏极接整流后的直流高压311V，源极与Q3Q4的漏极相连；Q3Q4源极接直流地。Q1Q4栅极分别接TLP250光耦输出脚2HO、1HO、2LO、1LO。VS1，VS2作为交流输出端；R21R22与R25R26为充电限流电阻，作用是限制瞬时充电的电流值(功率管在饱和导通时漏极电压对MOS管源极的瞬时充电电流巨大，极易损坏MOS管的输入端)，一般取值不大选择4.7欧姆；R23R24与R27R28为泄放电阻，作用是关机后栅极存储的电荷通过R1迅速释放，一般取值510K12；D4D7为充电限流电阻R上并联一个形成放电通路的二极管，此二极管在放电时导通，在充电时反偏截止。这样增加了充电限流电阻和放电二极管后，既保证了MOS管的安全，又保证了MOS管“开”与“关”的迅速动作。交流输出端滤波电感L1与滤波电容C26组成滤波回路，使其波形更加光滑无谐波，大小L1为1mH，C26为2.2uF。R29为电流取样电阻，串联在电路中采集负载电流，把电流信号转换为电压信号进行反馈，通过IFB引脚内部的基准峰值电压进行比较，使其控制SPWM输出。4.5 保护模块设计4.5.1 电流保护1.电流保护的意义很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备。所以有些设备就做了电流保护模块。当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。过电流保护主要包括短路保护和过载保护两种类型。短路保护的特点是整定电流大、瞬时动作。电磁式电流脱扣器(或继电器)、熔断器常用作短路保护元件。过载保护的特点是整定电流较小、反时限动作。热继电器、延时型电磁式电流继电器常用作过载保护元件。2.电流保护的设计EG8010 芯片的引脚 IFB是测量逆变器输出负载电流，主要用于过流保护检测，电流采样反馈部分，该引脚内部的基准峰值电压设定为 0.5V 过流检测延时时间 600mS，当某种原因导致负载电流偏高超出逆变器的负载电流， EG8010 根据引脚PWMTYP的设置状态将输出 SPWMOUT1SPWMOUT4到“0”或“1”电平，关闭所有功率 MOSFET 使输出电压到低电平，该功能是主要保护功率 MOSFET 和负载，一旦进入过流保护后，EG8010 将在 16S 后释放重新打开功率 MOSFET 管再判断负载过流情况，释放打开功率 MOS 管的持续时间为 100mS, 释放的 100mS 时间里再判断过流事件，如果仍存在过流事件，EG8010 再将关闭所有功率MOSFET使输出电压到低电平，重新等待16S的释放，如果释放后正常运行达到 1分钟以上EG8010 将清除过流事件次数，否则连续释放次数累计 5 次后仍存在未正常运行 EG8010 将彻底关断 SPWM模块的输出，需要系统重新上电后释放。电流保护模块模块如图4-7所示。图4-7 电路电流保护模块通过采用电压比较器LM393比较分压电压和采样电阻得到的电压调节输出信号得以控制SPWMEN，或者控制SPWM输出信号高低得以保护此电路。具体方法是：保护系统要求该装置负载电流超过2A时关闭SPWM输出，此时采样电阻R29(0.1欧姆)将采集到的电流转换为所获得电压0.2V，所以必须通过R12，R14所分压的接点电压也应该为0.2V，及Vr14=0.2V；所以经过公式Vr14=VCC/(R14+R12)*R14，取R12为10K，则R14就为417R。只有这样LM393比较器才能在输出负载电流大于2A时输出低电平控制SPWMEN，使其关闭SPWM输出，从而使得整个系统得以保护。电流保护除了这里通过电压比较器外，EG8010 芯片的引脚 IFB是测量逆变器输出负载电流，主要用于过流保护检测，电流采样反馈部分，当某种原因导致负载电流偏高超出逆变器的负载电流， EG8010 根据引脚PWMTYP的设置状态将输出 SPWMOUT1SPWMOUT4到“0”或“1”电平，关闭所有功率 MOSFET 使输出电压到低电平，该功能是主要保护功率 MOSFET 和负载。4.5.2 电压保护为防止过低或过高的输出电压供应到负载，EG8010内部设定了过压和欠压保护功能，使在设计过程中变得相对简单。下面对此次电压保护原理图做简要分析。电压保护模块如图4-8所示。图4-8 电压保护模块EG8010芯片的电压反馈处理是通过引脚VFB测量逆变器输出的交流电压，测量反馈的峰值电压和内部基准正弦波峰值电压 3V 进行误差计算，对输出电压值作出相应调整，当输出电压升高时，该引脚电压也随之升高，经内部电路误差值计算后调整幅度因子乘法器系数，实现降低输出电压达到稳压过程，反之，当该引脚的电压减低时，芯片会作出升高输出电压。R16，R17，R19作为分压电阻，C25作为滤波电容使反馈输入电压平滑无谐波，通过调节可变电阻的大小可以通过芯片内部电路改变输出电压的幅值。过压保护和欠压保护：EG8010内部设定了过压和欠压保护功能，过压保护设定值3.15V延时时间为300mS,欠压保护设定值2.75V 延时时间为3S,当测量反馈的峰值电压大于3.15V或者小于2.75V时，EG8010 根据引脚(9)PWMTYP的设置状态将输出 SPWMOUT1SPWMOUT4到“0”或“1”电平，关闭所有功率MOSFET使输出电压到低电平，一旦进入过压和欠压保护后，EG8010 将在8S后释放重新打开功率MOSFET管再判断输出电压情况，释放打开功率MOSFET管的持续时间为100mS,释放的100mS时间里再判断过压或欠压事件，如果仍存在过压或欠压事件，EG8010再将关闭所有功率MOSFET使输出电压到低电平，重新等待8S的释放，如果释放后正常运行达到1 分钟以上EG8010 将清除过压或欠压事件次数，否则连续释放次数累计 5次后仍未正常运行EG8010将彻底关断 SPWM模块的输出，需要系统重新上电后释放。4.5.3 温度保护EG8010 芯片的引脚TFB是测量逆变器的工作温度，主要用于过温保护检测，电路结构如图，NTC 热敏电阻 RT1 和测量电阻 RF1 组成一个简单的分压电路，分压值随着温度值变化而变化数值，这个电压的大小将反映出 NTC 电阻的大小从而得到相应的温度值。EG8010温度检查电路如图4-9所示8。图4-9 EG8010温度检查电路下面对此次设计的温度保护电路作如下分析，设计原理图如下。温度保护电路如图4-10所示。图4-10 温度保护电路首先是电源部分，VCC接+5V，VBT接12V铅蓄电池；FANCTR外接风扇控制引脚，TFB接热敏电阻和分压电阻R18以采集电压，电压的大小将反映出 NTC 电阻的大小从而得到相应的温度值。NTC选用25对应阻值10K的热敏电阻，TFB引脚的过温电压设定在 4.3V，当发生过温保护时，EG8010根据引脚(9)PWMTYP的设置状态将输出 SPWMOUT1SPWMOUT4到“0”或“1”电平，关闭所有功率 MOSFET 使输出电压到低电平，一旦进入过温保护后，EG8010 将重新判断工作温度，如果 TFB引脚的电压低于4.0V，EG8010将退出过温保护，逆变器正常工作。FANCTR外接风扇控制引脚，当 TFB引脚检测到温度高于 45时，输出高电平“1”使风扇运行，运行后温度低于 40时，输出低电平“0”使风扇停止工作。第5章 微机控制系统设计微机控制系统中的主要目的是输出05V的电压以控制EG8010的16引脚的调频控制电路。输出的电压可通过温度变化自动输出不同的电压值，温度越高输出电压频率越高，通过不同的输出电压可调节EG8010的频率调节器，使之输出不同的频率。5.1 硬件设计微机控制系统主要包括单片机最小系统；温度传感器的设计；数模转换器设计。下面是微机控制结构原理图和对各个部分做的简要分析。微机控制结构如图5-1所示。图5-1 微机控制结构图5.1.1 单片机最小系统单片机最小系统主要包括复位电路和晶体振荡器电路。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。单片机最小系统如图5-2所示。图5-2 单片机最小系统电路5.1.2 温度传感器的设计温度传感器选择DS18B20，其主要特性是适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息，经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出。温度敏感器件DS18B20的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在ls(典型值)内把温度变换成数字。下面是温度传感器的设计原理图和对温度传感器电路作的简要分析。温度传感器电路如图5-3所示。图5-3 温度传感器电路温度传感器电路分析：DS18B20共三个引脚，Vcc接+5V电源，GND接地，DQ接C51单片机的P0.0口。Protues仿真软件可仿真此芯片，按下图中的上下箭头即可改变其温度的大小。当温度发生变化时，单片机可以采集到此信息，通过设置不同温度的范围输出与之相对应的数字信号，就可以通过数模转换即可输出相应大小的电压(例如当温度为32度时，输出电压则为4.5V)以达到变频的效果。5.1.3 数模转换器设计此次数模转换器选择DAC0832，采样频率为8位的D/A转换芯片，1位可精确到19.5mV(5V/256)。此次电路选用直通方式，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高电平，此方式适用于连续反馈控制线路。D/A转换结果采用电流形式输出，需输出相应的模拟电压，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通