【毕业设计】基于单片机控制的三相逆变电源设计.doc

1 目录目录 第一章 绪论 1 1 课题的背景 3 1 2 电源技术的发展概况 4 第二章 基本原理 6 2 1 IGBT 管的基本原理与特性 6 2 1 1 IGBT 的工作原理 6 2 1 2 IGBT 的特性与参数特点 8 2 1 3 IGBT 的保护 9 2 2 逆变技术及其原理 11 2 2 1 现代逆变技术的分类 12 2 2 2 逆变电路的基本工作原理 11 2 2 3 电力器件的换流方式 12 2 2 4 三相电压型逆变电路 14 2 3 SPWM 控制技术及其原理 17 2 3 1 SPWM 控制的基本原理 17 2 3 2 单极性和双极性 SPWM 控制方式 18 第三章 系统硬件设计 1919 3 1 系统总体介绍 18 3 2 系统主电路设计 20 3 2 1 输入 EMI 滤波器的设计 20 3 2 2 输入整流滤波电路的设计 22 3 2 3 逆变器和输出滤波电路的设计 24 3 2 4 RCD 缓冲电路的设计 27 3 3 采样电路及 A D 转换电路 31 3 4 SPWM 波产生芯片 SA4828 及其应用 32 3 4 1 SA4828 工作原理 32 3 4 2 SA4828 与单片机的连接 35 3 4 3 SA4828 的编程 37 3 5 IGBT 驱动电路 EXB841 41 3 5 1 IGBT 驱动电路的要求 41 3 5 2 集成化 IGBT 专用驱动器 EXB841 44 3 5 3 使用 EXB841 应该注意的一些事项 47 3 6 系统保护电路设计 47 3 7 辅助电源电路的设计 48 第四章第四章 系统软件的设计 5050 4 1 系统控制程序技术 50 4 2 软件抗干扰技术 52 结论 54 致谢 55 参考文献 56 2 第一章 绪论 1 1 课题的背景 随着各国工业与科学技术的飞速发展 在将来工业高度自动化的情况下 计算机技术 电力电子技术及自动控制技术将成为三种最重要的技术 所谓电力电子技术 就是利用半导体功率开关器件 电子技术和控制技术 对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术 这项技术自 20 世纪 50 年代 以来 经历了半个世纪的发展 现在已经成为理论和科学体系比较完整 而且 又相对独立的一门科学技术 特别是 80 年代以来 由于电力电子技术突飞猛进 的发展 及其对工业发展所产生的作用 它被各国专家学者称为人类社会继计 算机之后的第二次电子革命 它在世界各国工业文明的发展过程中所起的关键 作用 可能仅次于计算机 预计在 21 世纪 电力电子技术对工业自动化 交通 运输 城市供电 节能 环境污染等方面的发展 将会产生更大的推动作用 正弦波逆变器技术是电力电子技术中的一个最重要的组成部分 它的作用 是把从电力网上得到的定压定频交流电能 或从蓄电池 太阳能电池等得到的 电能质量较差的原始电能 变换成电能质量较高的 能满足负载对电压和频率 要求的交流电能 这种交流电能不仅可用于交流电机的传动 而且还可作为不 间断电源 变频电源 有源滤波器 电网无功补偿器等逆变器中的电能 近年来 随着各行各业的技术水平和操作性能的提高 它们对电源品质的 要求也在不断提高 为了高质量和有效地使用电能 许多行业的用电设备都不 是直接使用交流电网提供的交流电作为电源 而是通过各种形式对电网交流电 进行变换 从而得到各自所需的电能形式 其中 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称为逆变电路 这种能量的变换对节能 减小 环境污染 改善工作条件 节省原材料 降低成本和提高产量等方面均起着非 常重要的作用 随着正弦波脉宽调制 SPWM 逆变技术的日益成熟 逆变电源被广泛应用 3 到微波通讯 野外活动 高速公路 海岛 军事 医疗 航空航天 风力发电 等各个领域 在一些重要的用电部门 如机场 医院 银行 和一些重要的用电 设备中 如计算机 通信设备 对逆变电源质量的要求也越来越高 不仅要求不停 电 还要要求输出电压波形准确完好 如不间断电源 UPS Uninterruptible Power Supply 广泛应用于计算机 程控交换机 数据处理系统 医疗诊断仪及精密电 子仪器等不能中断供电的场合 而衡量逆变电源质量的首要指标就是输出波形 质量的情况 对于逆变电源 其负载可能具有不同的性质 当某一负载投入运 行时 特别是非线性负载 很可能引起逆变器的输出电压波形周期性畸变 谐 波增加 同时 由于变压器本身存在非线性的问题 使得实际加载在负载上的波 形也会发生畸变 因此 上述情况会让负载端的电压波形发生更为严重的畸变 而这样的波形对各种电气设备都有不同程度的影响和危害 从而影响整个电路 正常 安全可靠地工作 对供电系统的影响也会日益严重 这样 也就逐渐显 示出了对逆变电源输出波形控制的重要性 因此 为了使逆变电源具有高质量的输出波形 研究设计逆变电源的各种 先进的波形控制技术已成为近年来国内外学者研究的热点 1 2 电源技术的发展概况 电力电子技术就是利用半导体功率开关器件 电力电子技术和控制技术 对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术 上个世纪 80 年代以来 由于 半导体器件 电子技术等的不断推陈出新 电力电子技术有了突飞猛进的发展 其对工业发展所产生的巨大作用 被各国的专家学者称为人类社会继计算机之 后的第二次的电子革命 它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能 仅次于计算机 电源是电力电子技术的主要应用领域之一 随着新的电子元器件 新电磁 材料 新变换技术 新的控制技术的出现与应用 逆变电源技术得到越来越广 泛的应用 电源技术的发展 大体经历了几个阶段 由磁放大式到硅二极管整 流式 再到可控硅 晶闸管 整流式 直到发展到逆变式 开关式 采用逆变 技术 可使所设计的电源具有许多方面的优越性 1 可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路 我们可以控 制逆变电路的工作频率和输出时间的比例 从而使输出电压或电流的频率和幅 4 值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化 2 可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电 这样就不会 因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作 3 可明显地减小用电设备的体积和重量 节省材料在很多用电设备中 变 压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量 如果我们将变压器绕组中所 加电压的频率大幅度提高 则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小 变压器的体积和重量明显地减小了 4 采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性 表现在如下几个方面 1 在许多应用交流电动机的场合 在其负载变化时 传统的方法是调节电 动机的通电时间所占比例 这样电动机就会频繁地制动 起动 而电动机的起 动 制动消耗的能量往往很大 如使用变频电源来调节电动机做功的量 则可 节约很大一部分能量 2 采用逆变技术的电源 其变压器的体积和重量大大减小了 也即减小了 铁心横面积和线圈匝数 变压器本身的损耗主要包括原 副边铜耗和铁芯损耗 铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗 因此 采用 逆变技术大大提高变压器的工作频率 使得变压器的损耗变得比工频工作时小 得多 从而达到节能的目的 3 传统的 采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在 0 5 0 8 之间 这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大 在逆变电源中 如果用功 率因数校正技术 能使输入电流的谐波成分变得很小 从而使功率因数约为 1 节能的效果非常明显 5 动态响应快 控制性能好 电气性能好 由于逆变电路的工作频率高 调节周期短 使得电源设备的动态响应或者说动态特性好 表现为 对电网波 动的适应能力强 负载效应好 启动冲击电流小 超调量小 恢复时间快 输 出稳定 纹波小 6 电源故障保护能力快由于逆变器工作频率高 控制速度快 对保护信号 反应快 从而增加了系统的可靠性 另外 现代越来越复杂的电子设备对电源 提出了各种各样的负载要求 一个特定用途的电源 应当具有特定的负载性能 要求和外特性 同时还应当具备安全可靠 高效 高功率因数 低噪音的特点 另外 无电磁干扰 无电网污染 省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求 5 电源技术发展到今天 它融汇了电子 功率集成 自动控制 材料 传感 计算机 电磁兼容 热工等诸多技术领域的精华 已从多学科交叉的边缘学科 成长为独树一帜的功率电子学 第二章 基本原理 2 1 IGBT 管的基本原理与特性 绝缘栅双极型晶体管 Insulated Gate Bipolar Transistor 简称 IGBT 因为它的等效结构具有晶体管模式 所以称为绝缘栅双极型晶体管 IGBT 于 1982 年开始研制 1986 年投产 是发展很快而且很有前途的一种混合 型器件 IGBT 综合了 MOS 和 GTR 的优点 其导通电阻是同一耐压规格的功率 MOS 的 1 10 开关时间是同容量 GTR 的 1 10 在电机控制 中频电源 各种开 关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域 IGBT 有取代 GTR 和 VDMOS 的趋势 2 1 1 IGBT 的工作原理 1 IGBT1 IGBT 的结构的结构 就 IGBT 的结构而言 是在 N 沟道 MOSFET 的漏极 N 层上又附加上一层 P 层 的P N PN 的四层结构 图 2 1 a 为 N 沟道 VDMOSFET 与 GTR 组合的 N 沟道 IGB T N IGBT IGBT 比 VDMOSFET 多一层P 注入区 形成了一个大面积的P N 结 1 J 使 IGBT 导通时由P 注入区向 N 基区发射少子 从而对漂移区电导率进行 调制 使得 IGBT 具有很强的通流能力 简化等效电路表明 IGBT 是 GTR 与 MOS FET 组成的达林顿结构 是一个由 MOSFET 驱动的厚基区PNP晶体管 ff R为晶 体管基区内的调制电阻 2 IGBT2 IGBT 的工作原理的工作原理 N 沟道 IGBT 通过在栅极 发射极间加阈值电压 TH U以上的 正 电压 在 6 栅极电极正下方的P层上形成反型层 沟道 开始从发射极电极下的N 层注 入电子 该电子为P N P 晶体管的少数载流子 从集电极衬底P 层开始注入空穴 进行电导率调制 双极工作 所以可以降低集电极 发射极间饱和电压 工作 时的等效电路如图 2 1 b 所示 在发射极电极侧形成N PN 寄生晶体管 若寄 生晶体管工作 又变成P N PN 晶闸管 电流继续流动 直到输出侧停止供给 电流 通过输出信号已不能进行控制 这种状态称为闭锁状态 为了抑制寄生 晶体管的工作 IGBT 采用尽量缩小P N P 晶体管的电流放大系数 作为解决闭 锁的措施 具体来说 P N P 的电流放大系数 设计在 0 5 以下 IGBT 的闭锁电 流 IL 为额定电流 直流 的 3 倍以上 IGBT 的驱动原理与功率 MOSFE 基本相 同 为场控器件 通断由栅射极电压 GE U决定 17 导通 GE U大于开启电压时 MOSFET 内形成沟道 为晶体管提供基极电 流 IGBT 导通 导通压降 电导调制效应使电阻 on R减小 使通态压降减小 关断 栅 射极间施加反压或不加信号时 MOSFET 内的沟道消失 晶体管的基极电 流被切断 IGBT 关断 2 1 2 IGBT 的特性与参数特点的特性与参数特点 7 1 IGBT1 IGBT 的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性 IGBT 的伏安特性如图 2 2 a 所示 它反映在一定的栅极 发射极电压 GE U与 c I的关系 GE U越高 c I越大 值得注意的是 IGBT 的反向电压承受能 力很差 从曲线中可知 其反向阻断电压 BM U只有几十伏 因此限制了它在需 要承受高反压场所的使用 图 2 2 b 是 IGBT 的转移特性曲线 当 GEGE TH UU 开启电压 一般为 3 6 伏 时 IGBT 开通 其输出电流 C I与驱动电压 GE U基本呈线性关系 当 GEGE TH UU 时 IGBT 关断 2 IGBT2 IGBT 的参数特点的参数特点 1 IGBT 的开关特性好 开关速度快 其开关时间是同容量 GTR 的 1 10 IGBT 的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程 开通时间 on t定义为从驱动电压 GE U 的脉冲前沿上升到最大值 GEM U的 10 所对应的时间 起至集电极电流 C I上升到最大值 CM I的 90 止所对需要的时间 on t又可分为开 通延迟时间 d on t和电流上升时间 r t两部分 d on t定义为从 10 CEM U到 10 CM I所需的时间 r t定义为 C I c I从 10 CM I上升至 90 CM I所需要的时间 如 图 2 3 所示 8 图 2 3 IGBT 的开关特性 IGBT 的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程 关断时间 off t定义为从驱动电压 GE U的脉冲后沿下降到 90 CEM U处起至集电极电流下降 到 10 CM I处所经过的时间 off T又可分为关断延迟时间 d off t和电流下降时间 f t两部分 d off T是从 90 CEM U至 90 CM I所需的时间 f t是指 90 CM I下降至 10 CM I所需的时间 f t由 1fi t 由 IGBT 中的 MOS 管决定 和 2fi T 由 IGBT 中的PNP晶体管决定 两部分 组成 IGBT 的开关时间与集电极电流 栅极电阻以及结温等参数有关 随着集电 极电流 C I和栅极电阻 G R的增加 其中 G R对开关时间影响较大 2 IGBT 的通态压降低 在大电流段是同一耐压规格的 VDMOS 的 1 10 左右 在小电流段的 1 2 额定电流以下通态压降有负温度系数 因此 IGBT 在并联使用 是具有电流自动调节能力 3 IGBT 的集电极电流最大值 CM I 在 IGBT 管中由 GE U来控制 C I的大小 当 C I大到一定的程度时 IGBT 中寄生的 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态 栅极 G 失去对集电极电流 Ic 的控制作用 这叫擎住效应 IGBT 发生擎住效应后 C I大 功耗大 最后使器件损坏 为此 器件出厂时必须规定集电极电流的最 大值 CM I 以及与此相应的栅极 发射极最大电压 CEM U 集电极电流值超过 9 CM I时 IGBT 产生擎住效应 另外器件在关断时电压上升率 CE dUdt 太大也会 产生擎住效应 4 IGBT 的安全工作区比 GTR 宽 而且还具有耐脉冲电流冲击的能力 IGBT 在开通时为正向偏置 其安全工作区称为正偏安全工作区 FBSOA 如图 2 4 a 所示 IGBT 的导通时间越长 发热越严重 安全工作区越小 IGBT 在关断 时为反向偏置 其安全工作区称为反偏安全工作区 RBSOA 如图 2 4 b 所示 RBSOA 与电压上升率 CE dUdt 有关 CE dUdt 越大 RBSOA 越小 在使用中一般 通过选择适当的 UCE 和栅极驱动电阻控制 CE dUdt 避免 IGBT 因 CE dUdt 过高 而产生擎住效应 图 2 4IGBT 的安全工作区 5 IGBT 的输入阻抗高 可达 109 1011 欧姆数量级 呈纯电容性 驱动 功率小 这些与 VDMOS 相似 6 与 VDMOS 和 GTR 相比 IGBT 的耐压可以做得更高 最大允许电压 UCEM 可达到 4500 伏以上 7 IGBT 的最高允许结温为150 VDMOS 的通态压降随结温升高而显著增 加 而 IGBT 的通态压降在室温和最高结温之间变化很小 具有良好的温度特性 2 1 3 IGBT 的保护 IGBT 与电力 MOSFET 管一样具有极高的输入阻抗 容易造成静电击穿 故 在存放和测试时应采取防静电措施 IGBT 作为一种大功率电力电子器件常用于大电流 高电压的场合 对其采 10 取保护措施 以防器件损坏显得非常重要 1 过电流保护 IGBT 应用于电力系统中 对于正常过载 如电机起动 滤波电容的合闸冲 击以及负载的突变等 系统能自动调节和控制 不至于损坏 IGBT 对于非正常 的短路故障要实行过流保护 通常的做法是 切断栅极驱动信号 只要检测出过流信号 就在 2us 内迅速撤除栅极信 号 当检测到过流故障信号时 立即将栅压降到某一电平 同时启动定时器 在定时器到达设定值之前 若故障消失 则栅压又恢复到正常工作值 若定时 器到达设定值时故障仍未消除 则把栅压降低到零 这种保护方案要求保护电 路在12 s内响应 2 过电压保护 利用缓冲电路能对 IGBT 实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率 dU dt 但由于 IGBT 的安全工作区宽 因此 改变栅极电阻的大小 可减弱 IGBT 对缓冲电路的要求 然而 由于 IGBT 控制峰值电流能力比 VDMOS 强 因 此在有些应用中可不用缓冲电路 3 过热保护 利用温度传感器检测 IGBT 的壳温 当超过允许温度时主电路跳闸以实现过 热保护 2 2 逆变技术及其原理 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 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 现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学 这们学科是建立在工业电子技术 半导体器件技术 现代控制技术 现代电力 电子技术 半导体变流技术 脉宽调制 PWM 技术 磁性材料等学科基础之上 的一门实用技术 11 2 2 1 现代逆变技术的分类 现代逆变技术种类很多 其主要的分类方式如下 1 按逆变器输出交流的频率 可分为工频逆变 50 60Hz 中频逆变 400Hz 到十几 KHz 高频逆变 十几 KHz 到 MHz 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 半桥式和全桥式逆变 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 IGBT 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 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 PFM 逆变和调脉宽式 PWM 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 2 逆变电路的基本工作原理 图 2 5 a 为单相桥式逆变电路 S1 S4 是桥式电路的 4 个臂 它们由电力 电子器件及其辅助电路组成 当开关 S1 S4 闭合 S2 S3 断开时 负载电压 o u为正 当开关 S1 S4 断开 S2 S3 闭合时 o u为负 其波形如图 2 5 b 所 示 这样 就把直流电变成交流电 改变两组开关的切换频率 即可改变输出 交流电的频率 这就是逆变电路的最基本的工作原理 12 图 2 5 逆变电路及其波形举例 当负载为电阻时 负载电流 o i和电压 o u的波形形状相同 相位也相同 当 负载为阻感时 o i相位滞后于 o u 两者波形的形状也不同 图 2 5 b 给出的就 是阻感负载时 o i波形 设 1 t时刻以前 S1 S4 导通 o u和 o i均为正 在 1 t时刻 断开 S1 S4 同时合上 S2 S3 则 o u的极性立刻变为负 但是 因为负载中 有电感 其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向 这时负载电流从直流电源 负极流出 经 S2 负载和 S3 流回正极 负载电感中储存的能量向直流电源反 馈 负载电流逐渐减小 到 2 t时刻降为零 之后 o i才反向并逐渐增大 S2 S3 断开 S1 S4 闭合时的情况类似 上面是 S1 S4 均为理想开关时的分析 实 际电路的工作过程要复杂一些 2 2 3 电力器件的换流方式 图 2 6 中 S1 S2 表示由两个电力半导体器件组成的导电臂 电流从一个 臂向另一个臂转移的过程称为换流 或换相 在换流过程中 有的臂从导通到 关断 有的臂从关断到导通 要使某一臂导通 只要给组成该导电臂的器件的 控制极施加适当的信号 但要使某一臂关断 情况就复杂多了 全控型器件可 以用适当的控制极信号使其关断 而半控型晶闸管 必须利用外部条件或采取 一定的措施才能使其关断 晶闸管要在电流过零以后再施加一定时间的反向电 压 才能使其关断 13 一般来说 换流方式可分为以下几种 1 器件换流 利用全控型电力电子器件自身具有的关断能力进行换流 称 为器件换流 2 电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流 整流电路的换流方式就 是电网换流 3 负载换流 由负载提供换流电压 凡是负载电流的相位超前电压的场合 都可实现负载换流 4 脉冲换流 设置附加的换流电路 由换流电路内的电容提供换流电压 称为脉冲换流 有时也称为强迫换流或电容换流 脉冲换流有脉冲电压换流和 脉冲电流换流两种 在上述四种换流方式中 器件换流只适应于全控型器件 其余三种方式主要 是针对晶闸管而言 2 2 4 三相电压型逆变电路 逆变电路根据直流侧电源的性质的不同可分为两种 直流侧是电压源的称为 电压型逆变电路 直流侧是电流源的称为电流型逆变电路 在本文中 我们主 要讨论三相电压型逆变电路的基本构成 工作原理和特性 图 2 7 为其电路 14 图 2 7 三相电压型逆变电路 电压型逆变电路有以下一些特点 1 直流侧为电压源 或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无 脉动 直流回路呈现低阻抗 2 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负 载阻抗角无关 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 3 当交流侧为阻感负载是需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量 的作用 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都并联 了反馈二极管 下面 我们讨论一下三相全桥电压型逆变电路 在图 2 7 所示电路中 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了 但为 了方便分析 画作串联的两个电容器并标出假想中点 N 和单相半桥 全桥逆 变电路相同 三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180 导电方式 即 每个桥臂的导电角度为180 同一相 即同一半桥 上下两个臂交替导电 各 相开始导电的角度以此相差120 这样 在任一瞬间 将有三个桥臂同时导通 可能是上面一个臂下面两个臂 也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通 因 为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行 因此也被称为纵向换流 15 图 2 8 三相电压型桥式逆变电路的工作波形 以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形 对于 U 相输出来说 当桥 臂 1 导通时 2 UNd uU 当桥臂 4 导通时 2 UNd uU 因此 UN u 的波形 是幅值为 2 d U的矩形波 V W 两相的情况和 U 相类似 VN u WN u 的波形形 状和 UN u 相同 只是相位依次差 120 负载线电压可由下式求出 UN WN WU WN VN VW VN UN UV uuu uuu uuu 设负载中点 N 与直流电源假想中点 N 之间的电压为 NN u 则负载各相的相 电压分别为 NN WN WN NN VN VN NN UN UN uuu uuu uuu 三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图 2 8 所示 下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析 把输出线电压 展开成 16 傅里叶级数得 2 3111 sinsin5sin7sin11 5711 d UV U utttt 2 31 sin 1 sin k d n U tn t n 式中 61nk k为自然数 输出线电压有效值 UV U 为 2 2 0 1 0 816 2 UVUVd Uud tU 基波幅值 1UV m U 和基波有效值 1UV U 分别为 1 2 3 1 1 d UV md U UU 1 1 6 0 78 2 UV m UVdd U UUU 接下来 我们再对负载相电压 UN u 进行分析 把 UN u 展开成傅里叶级数得 2111 sinsin5sin7sin11 5711 d UN U utttt 21 sinsinn d n U tt n 式中 61nk k 为自然数 负载相电压有效值 UN U 为 2 2 0 1 0 471 2 UNUNd Uud tU 基波幅值 1UN m U 和基波有效值 1UN U 分别为 1 2 0 637 d UN md U UU 1 1 0 45 2 UN m UNd U UU 17 2 3 SPWM 控制技术及其原理 2 3 1 SPWM 控制的基本原理 如图 2 9 a 所示 我们将一个正弦波半波电压分成 N 等分 并把正弦曲线 每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替 且矩形 脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合 得到如图 2 9 b 所示得脉冲列 这就 是 SPWM 波形 正弦波得另外半波可以用相同得办法来等效 可以看出 该 PWM 波形的脉冲宽度是按正弦规律变化 称为 SPWM 波形 图 2 9SPWM 波形 根据采样控制理论 脉冲频率越高 SPWM 波形便越接近正弦波 逆变器的 输出电压为 SPWM 波形时 其低次谐波得到很好地抑制和消除 高次谐波又能很 容易滤去 从而可得到崎变率极低的正弦波输出电压 SPWM 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制 使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要 的波形 从理论上讲 在给出了正弦半波频率 幅值和半个周期内的脉冲数后 脉 冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来 然后按照计算的结果控制电路中各 开关器件的通断 就可以得到所需要的波形 但在实际应用中 人们常采用正 弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度 等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称 当它与任何一个光滑 曲线相交时 即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲 这种 方法称为调制方法 希望输出的信号为调制信号 把接受调制的三角波称为载 波 当调制信号是正弦波时 所得到的便是 SPWM 波形 当调制信号不是正弦波 时 也能得到与调制信号等效的 PWM 波形 18 2 3 2 单极性和双极性 SPWM 控制方式 单极性是指载波和调制波始终保持同极性的关系 在调制波信号的一个周 期里 同一桥臂的上下两个功率管工作状态相互切换 分别工作在正弦调制波 的半个周期 单极性 SPWM 调制原理图如图 2 10 所示 图 2 10 单极性调制原理图 双极性 SPWM 的载波极性随时间而正负变化 和调制波的极性变化没有关系 载波信号的一个周期里 同一桥臂的上下两个功率管互相切换 在调制波的半 个周期里始终处于按正弦脉宽调制规律互补开关的工作状态 双极性 SPWM 调制原理图如图 2 11 所示 图 2 11 双极性调至原理图 19 第三章 系统硬件设计 3 1 系统总体介绍 本次设计的目的是研制一种输入为市电三相 380V 输出为 380V 50Hz 的 交流稳定电压 输出功率较大的三相稳压电源 考虑到所设计的系统为大功率 电源 所以我们在这考虑使用 SPWM 逆变技术 图 3 1 为所设计的系统框图 该系统的工作原理是三相电源 380V 经整流滤波变成直流电压 然后经 SPWM 全桥逆变 变成 380V 的 SPWM 电压 再经输出滤波电路滤波为 380V 50Hz 正弦波交流电压输出 另外 系统中 CPU 根据输出采样电压值来控制 SPWM 波发 生器输出的 SPWM 波形参数 SPWM 发生器产生的 SPWM 波经四个驱动隔离电路去 驱动逆变电路 从而把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电 该系统 CPU 采用 AT89C51 SPWM 波发生器采用 SA4828 三相 SPWM 波发生器 这里我们 使用其三相输出波形 驱动隔离电路采用富士公司生产的 EXB841 主电路采用 高压整流模块和 IGBT 模块 输出采样模块使用 ADC0809 由于本系统的控制核 心器件是 AT89C51 所以我们在此对该器件作一下介绍 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的 该单片机采用高密度 非易失存储技 术 将闪烁存储器 即 flash memory 或 PEROM 和 MCS 51 系列单片机相结合 该单片机不但和 MCS 51 系列单片机完全兼容 更以其便利的电擦写功能和低廉 的价格而拥有很高的性能价格比 适用于各种需要较高灵活性的嵌入式控制应 用领域 AT89C51 单片机芯片有 40 个引脚 是用 CMOS 工艺制造的芯片 采用双列 20 直插封装 DIP 和方形封装方式 图 3 2 为它的引脚图 说明如下 1 主电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc 接 5V 电压 Vss 接地 2 外接晶振引脚 XTAL1 接外部晶振的一个引脚 在单片机内部 它是构成片内振荡器的反 相放大器的输入端 当采用外部振荡器时 该引脚接收振荡器的信号 即把信 号直接接到内部时钟发生器的输入端 XTAL2 片内反相放大器输出端 外接晶振时 XTAL2 和 XTAL1 各接晶振的 一端 借外接晶振与片内反相放大器构成振荡器 3 输入 输出引脚 P0 0 P0 7 双向三态 I O 口 在访问外部存储器时 分别输出低 8 位地址 线和 8 位数据线 在对内部 EPROM 编程时 用于数据的输入和输出 P1 0 P1 7 8 位双向 I O 口 对 EPROM 编程时 用于接受低 8 位地址 P2 0 P2 7 8 位双向 I O 口 在访问外部存储器时 输出高 8 位地址 在对内部 EPROM 编程时 用于接受高 8 位地址 P3 0 P3 7 8 位双向 I O 口 每个引脚都有各自图 3 2 AT89C51 引脚的第 二功能 P3 0 为 RXD 串行输入口 P3 1 为 TXD 串行输出口 P3 2 为 INT0 外部中断请求输入端 0 P3 3 为 INT1 外部中断请求输入端 1 P3 4 为 T0 定时器 计数器 0 计数脉冲输入端 P3 5 为 T1 定时器 计数器 1 计数 脉冲输入端 P3 6 P3 7 为WR RD 片外数据存储器写 读选通信号输出端 21 4 控制引脚 ALE PROG 地址锁存有效信号输出端 PSEN 片外程序存储器读取选通信号输出端 RST Vpd 复位端 当 Vcc 掉电期间 Vpd 如接备用电源 V 可用于保存片内 RAM 中的数据 EA Vpp 片外程序存储器选用端 3 2 系统主电路设计 图 3 3 是本系统主电路的电路图 下面我们分别来介绍主电路的各个部分 3 2 1 输入 EMI 滤波器的设计 一 高频电源中的噪声问题 电源中 噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量 有些噪声来自设备外部 如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落 工频 波形失真等 有些噪声来自设备自身 如在功率转换电路中开关管从导通到截 止或从截止到导通的瞬态过程中 高速脉冲波形的电流 电压 尤其是脉冲上 升 下降沿 其中包含丰富的高次谐波分量易产生噪声 另外 在开关管高速 工作时 非线性元件 传输导线分布电感 电容容易发生寄生振荡 加上器件 本身高频特性的差异均有可能产生噪声 电源中的噪声 按传导与辐射两种方式传播 按对负载的影响 可分为共 22 模噪声 差模噪声和辐射噪声 这里共模噪声是指主回路与机壳间传导的噪声 差模噪声是指回路中的常态噪声 辐射噪声既包括外界通过空间向电源辐射的 噪声 又包括电源对外辐射的噪声 二 EMI 滤波器在本系统中 为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰 在交流电网和电源输入端之间加上 EMI 电磁干扰 滤波器 一方面 加上 EMI 滤波器后 可以消除来自电网的各种干扰对系统的影响 如电动机的启动 电 器开关的合闸和关断 雷击等产生的尖峰干扰 另一方面 该滤波器也可以防 止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网 EMI 滤波器主要由工频低通滤 波器和共模抑制元件组成 在本系统设计中我们选用北京克普锐特电子技术有 限公司生产的 KT 3H4 20 型三相三线滤波器 其原理图如图 3 4 所示 Lc 为 滤波扼流线圈 当电源输入电流流过 Lc 时 所产生的磁场可以互相抵消 相当 于没有电感效应 Lc 对共模噪声来说 相当于一个电感量很大的电感 故它能 有效地抑制共模传导噪声 电容 Cy 对共模噪声起旁路作用 Cx 对共模噪声起 抑制作用 R 为 Cx 的放电电容 其特性如下 滤波器采用新型软磁材料 最大泄漏电流 相 地 250VAC 50Hz 200M 500VDC 23 EMI 滤波器的安装和布线对滤波器的性能发挥是极为重要的 在其安 中应注意以下几点 滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽量近的地方 并加以板 不 要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回 如果交流电源进入机壳波器有较长 的距离 则这段线应加以屏蔽 滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一尽量使 滤波器的接地点与外壳接地点保持最短的距离 输入 输出应靠近部布线以减 少耦合 并将输入 输出线严格分开 绝不允许将滤波器的输输出线捆在一起 或靠得很近 机壳内的其他用电器 照明灯 信号灯等 或电磁开关等应从滤端引线 接到负载 或为这些干扰源单独加装滤波器 3 2 2 输入整流滤波电路的设计 本课题设计的电源在额定状态下的技术要求为 输出电压 380VAC 属于大 功率电源 为了保持三相交流电源的对称性和减小电源滤波电容等原因 大功 率电源一般采用三相电源作为供电电源 因此 本采用三相桥式整流 滤波电 感和滤波电容组成输入整流滤波电路 一 三相桥式整流电路的设计 1 整流桥的耐压 整流二极管的峰值反向电压为 dc max U3802591V 1 1 取 50 的裕量 dc max UU 1 50 591 1 5 886 5V 2 整流桥的额定电流 电源的输出功率为 3KW 是确定值 所以电源的输入功率就随着电源的效 率变化而变化 计算时取电源效率最差时的值 设 80 min 此时电源的输入功率 in max PP 80 3750W 出 最大输入线电流 in max in max 37503750 I6 33A U380 3 0 9 3 24 根据以上计算我们选用取富士公司生产的 2RI60G 120 60A 1200V 2 单元 串联 型号整流模块三个连接而成桥式整流回路 二 输入滤波电容的设计 输入滤波电容的值决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小 且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进设 计 三相电源经过整流后 输出直流电压 此时通过直流回路的平均电流最大 值 dc max I为 in max dc max dc min P3750 I8 12A U462 Udc 为三相电源电压最低时整流输出的直流电压的平均值 dc min U1 35 380 1 10 462V 计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式是 d max 600IC 400 c 因为三相全波整流电路的基波频率为单相整流电路的 3 倍 所以计算三相 整流电路的滤波电容公式为 d max 00IC 133 2 c 所以 C C 200 8 12 1626uFC200 8 121626 F 因为三相整流的纹波较单相整流要小许多 所以本系统中输入滤波电容取 1600uF 在实际电路中 我们选用 2 个 2200uF 450VDC 电容和 2 个 1000uF 450VDC 容两两串联再并联组成 经仿真和实验证明 所选电容能满足 设计要求 三 输入滤波电感的设计 我们可以根据保持负载电流连续的要求来选择滤波电感 L 设最小负载功率 P2000W min 则 in 2000 P2500W 0 8 dmin 25002500 I4 43A 1 35 380 1 1564 3 25 所以 d min 0 0130 013 L3 9mH I314 in max 1 U 380 1 1 4 43 取 4mH 3 2 3 逆变器和输出滤波电路的设计 一 IGBT 的选择 1 耐压 当输入电网电压为最高输入电压时 经整流滤波后输出的最高直流电压为 dc max U3802591V 1 1 考虑各种因素的影响取 50 的裕量 则 IGBT 的最低耐压为 dc max UU 1 50 591 1 5 886 5V 2 IGBT 的电流 在一些参数未知的情况下 我们需要估算 IGBT 的电流 以便选择 IGBT 管 输入电网电压经输入整流滤波后 直流母线上的最大直流电流为 Id max min maxdcin in max dc min P3750 8 12A U462 d max I 其中 dc min U1 35 380 1 10 462V 所以可选择 IGBT 的额定电流为 25A 综上所述 在本系统设计中 我们可选择日本富士公司生产的 2MBI25L 120 2 单元 25A 1200V 型 IGBT 管 该管耐压 1200V 电流容许值为 25A 二 输出 LC 滤波电路 经全桥逆变器输出的电压中 逆变开关频率一般都比较高 从几 KHz 到几 MHz 的都有 对几 KHz 至十几 KHz 的脉冲电压进行滤波时 一般对纹波电压要 求不是太高 所以可以忽略滤波电解电容等效串联电阻 ESR 并且频率不高时 其等效串联阻抗 ESZ 也不大 影响也不严重 但是 随着频率的升高 电解电 容引线电感 L 造成的等效串联阻抗 ESZ 就会上升 明显地增加输入电压的纹波 所以计算 LC 参数 要分别情况根据工作频率范围设计 允许电抗器的电流波动 峰 峰值 3000 2 220 Loe i I 5 2 5 1 4A逆变器输出脉冲电压峰值 26 1 35 2M V 380 513V 由于逆变器输出的是 SPWM 电压 所以在设计滤波 LC 参数时 我们可以考 虑 如下情况 当滤波输出的平均电压 O V 311V 此时 on 311 T 513 17 F 103 6 S 171103 666 4 off T S 所以 由式 L LmoniVVT 2 0 13 得 L 1 4 513 311 103 6 14 9mH 由式 ooff 13 L V T L i 得 311 L14 7mH 1 4 66 4 所以 L 取 15mH 设电容上电压纹波为 3V 由式 L i C 8 13 e T u 得 1 4 C9 9 F 83 171 取 10uF 所以 L 为工频电感 电感量可选为 15mH 为减小噪声 选闭合铁芯 如 OD 型硅钢铁芯 400Hz 或铁粉芯铁芯 C 为工频电容 可以选 CBB61 10uF 250VAC 3 2 4 RCD 缓冲电路的设计 缓冲电路也称作吸收电路 它是一种保护电路 其目的是在开关管关断时 防止在开关管上产生过电压 另外它也能改变开关管开关过程中电压和电流的 波形轨迹 使开关 软化 以减少开关损耗 在本系统设计中 我们选用 IGBT 作为开关器件 由于 IGBT 开关速度快 当 IGBT 由通态迅速关断时 有很 大的 di dt 产生 该 di dt 在主回路的布线电感上引起较大的尖峰电压 Ldi dt 这个尖峰电压与直流电源电压叠加后加在关断的 IGBT 的集射两极之 间 如果尖峰电压很大 可能使叠加后的电压超过反向安全工作区 或者由于 dU dt 太大引起误导通 两者都有损于 IGBT 因此为保护 IGBT 我们在 SPWM 逆变电路中设置了 RCD 缓冲电路 27 1 缓冲电路结构及工作原理 具有缓冲电路的逆变器的一个桥臂如图 3 5 所示 为了分析缓冲电路的工 作原理 把图 3 5 简化后示于图 3 6 图 3 7 是其工作波形 如图 3 5 所示 假定当前工作状态为 T1 导通 T2 截止 此时 电源正极经 T1 Ds2 对 Cs2 充 电 Cs2 上电压为 Ed 且 T1 中电流的另一部分流入负载 见图 3 6 Cs1 处于 放电状态 其电压渐渐低于 Ed 当 T1 的触发信号取消后 T1 即开始关断 为 了保持负载电流连续 T2 上的续流二极管 FWD 导通 如图 3 6 所 图中 Lm 直流母线分布总电感 Lm L1 L2 I0 关断前集电极输出电流 Ls 缓冲电路布线电感 Ucesp Ls 上引起的反电动势 Cs 缓冲电路电容 Ucep Cs 上充电尖峰电压 Ds 缓冲电路二极管 Ed 直流电源电压 Rs 缓冲电路电阻 Ufp ds Ds 上正向恢复电压 示 缓冲二极管 VDs 阴极基本上被钳制在 Ed 负极电位上 忽略续流管压降 由于 Cs 两端电压不会突变 VDs 处于正向偏置而导通 另外 分布电感 Lm 仍以维持 Ic 不变的趋势经 Ls 向 Cs 充电 在 Ls 上产生 LsdIc dt 反电动势 左正右负 由于 VDs 在导通过程中具有正向过渡特性 开始时有较大的正向 瞬时电压 40 60V 见图 3 7 a 因此 加在 T1 集射两端的电压是 Ls Cs VDs 支路电压的总和 即 oc cespdmcsfp ds s dIdI UELUUL dtdt 28 随着充电过程进行 VDs 正向过渡特性很快结束 其正向压降逐步减到零 见图 3 7 a Uce 从 Ucesp 逐渐减小 但随着 Cs 的充电 其两端电压又逐步升 高 因此 Uce 又逐步回升达到 Ucep 如式 3 1 Cs 充电过程停止 接着 Cs 经 Ls Lm Ed FWD VDs 构成的 LC 电路开始放电 由于 Ls 上反电动势改变 方向 左负右正 Uce 产生一个负下跳 Lsdids dt VDs 上开始出现反向恢复 电流 当反向电流 ids 达到最大时 就开始减小 Ls 上反电动势又改变方向 左正右负 Uce 又出现一个上跳 二极管 VDs 进入关断过程 VDs 上承受反 向电压 Uds 如式 3 2 所示 Lm Ls 上反电动势为左正右负 VDs 关断后 ids 0 Lm Ls 上反电动势消失 VDs 上承受的反向电压 Uds Ucep Ed Uce m cscepdcdce s L UUEIEU C 3 1 dsr dscsmsd di UU LL E dt 3 2 式中 idsr 为 VDs 的反向恢复电流 Uce 是前面 Lm 经 Ls 向 Cs 充电时产 生的高出直流电压 Ed 的部分 此时成为反偏压全加在 VDs 的两端 2 缓冲电路参数的计算 产生过电压的根本原因是主回路的布线电感 Lm 其间存储的电能为 29 2 Lmm o 1 PL I 2 3 3 缓冲电路能吸收的能量为 2 csscepd 1 PC UE 2 3 4 令式 3 3 等于式 3 4 有 22 scepdm o C UE L I 为确保 Lm 中能量全部被 Cs 吸收 应取 2 m o s 2 cepd L I C UE 式中 m 1 H L m oC I2I 额定值 cepces U0 9U d E600V 本 系统设计中 m L取 2uH Oc I2I2 25 50A cepces U0 9U0 9 1200 1080V 600 d EV 则 s 2 2 C0 022 F 108