感应加热电源的研制.doc

桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 I 页 摘 要 感应加热技术在加热技术的发展史中起着重要的作用 随着工业技术的发展 感 应加热应用的领域也越来越广泛 本论文介绍了一个简易的感应加热电源电路 其思路是将电网交流电经整流和滤 波电路后得到一个直流电 在将直流电输入到串联型谐振逆变电路中 逆变桥中的 MOSFET 功率开关管通断由 SPWM 波形来控制 这样逆变电路在负载侧就得到一个正 弦变化的电流波形 由于电磁感应的原理 同时负载的等效电路是一个谐振电路 正 弦变化的电流便在负载上产生热量 即将电网电能转化为负载的热能 设计的重难点 是桥式 MOSFET 开关管驱动和逆变电路的 SPWM 控制 本次设计的 MOSFET 驱动电 路的方案是利用 IR2103 集成驱动芯片来构成 MOSFET 的驱动电路 其芯片内部具有 死区时间 的设定及保护电路 电路结构简单 工作性能稳定 能够是 MOSFET 在 良好的状态下工作 对于 SPWM 控制的实现 有很多种方案 综合考虑性能与价格上 的差别后 本设计选择了通过单片机的定时计数器来输出 SPWM 控制波形 通过对单 片机的编程 改变每次定时计数器的计数值 控制给定的单片机 I O 口输出一系列脉 宽可变的脉冲方波 根据冲量等效原理 将可变脉宽的脉冲方波设计成一个正弦波 就可以实现 SPWM 控制波形的实现了 本次设计的感应加热电源 主是运用的是全桥电路的逆变技术 逆变技术是电力 电子基本的技术之一 特别是 SPWM 正弦脉宽调制波形逆变控制技术 其效率与性能 上明细的优势 给电力电子的发展带来强大的动力 拥有广阔的发展前景 关键词 谐振 SPWM 控制 MOSFET 驱动 单片机 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 II 页 ABSTRACT The Induction heating technology plays an important role in the history of heating technology With the development of industrial technology applications areas of induction heating technology are becoming wilder and wilder The paper introduces a simple circuit of induction heating power The main idea is that by using a rectifier and a filter to transit the alternating current from the power grids to direct current then inputting the direct current into a circuit series resonant inverter As the MOSFET power switches is controlled by SPWM single the current of the load is sine wave Under the principle of electromagnet induction heating besides the equivalent circuit of the load is a resonance circuit the sine current from the inverter will heat the load and the heating energy is from power grids The difficulty and the key part is that the design of MOSFET power switches driver and the SPWM inverter control single Firstly the driver of MOSFET power switches is base on the IC driver chip IR2103 As the internal block diagram contains the function of dead time circuit and protects circuit the structure of the MOSFET driver is simple and clear cut and the performance is stable which insure the MOSFET is working in an all right state As for the realization of SPWM controlling wave the measure is too many Considering the performance and the price of these measures this design is using a 51 SCM By programming a timer of the 51 SCM changing the value of the timer is to control the output of I O ports of 51 SCM so the output wave is a series of impulse whose width is variable Based on the principle of impulse equivalent this series of width variable impulse is equivalent to a sine wave and the SPWM controlling wave is implement The main applying technology of the designed induction heating power is the inverter technology of full bridge circuit which is a basic technology of Power Electronic especially for the SPWM inverter controlling technology the advantage at the efficiency and performance of SPWM bring a great power for the Power Electronic development and the future is brilliant Keywords resonance SPWM controlling wave MOSFET driver SCM 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 I 页 目录目录 引言 1 1 绪论 2 1 1 感应加热的背景 2 1 2 感应加热电源的结构 2 2 硬件电路方案的设计 4 2 1整流电路的设计 4 2 2逆变桥式电路的设计 5 2 2 1负载谐振电路 5 2 2 2调功方式的比较 9 2 2 3 逆变桥式电路的选择 10 2 3 MOSFET 的驱动电路设计 10 2 3 1 MOSFET 的开通过程波形分析 10 2 3 2 MOSFET 驱动电路的选择 11 2 4 SPWM 控制 14 2 4 1 SPWM 原理 14 2 4 2 SWPM 的类型 15 2 4 3 SWPM 产生电路方案的选择 16 3 软件设计 19 3 1 开发语言与环境 19 3 2 软件设计流程图 19 4 调试 22 4 1电路板的制作与检查 22 4 2 硬件调试 23 4 2 1检测元器件 23 4 2 2检测各个引脚信号 23 4 3 软件调试 24 5 结论 25 谢 辞 26 参考文献 27 附录 28 附录 A 单片机最小系统 28 附录 B 逆变桥式电路图 29 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 II 页 附录 C IR2103 集成芯片驱动电路 30 附录 C 单片机程序代码 31 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 引言 感应加热作为加热的一种方式 与传统的非感应式加热方式相比 有着许多的优 点 工业技术的飞速发展 使得感应加热技术的应用越来越广泛 各种工业加热场合 的要求也各不相同 同时要求也越来越高 而感应加热电源作为这一类加热设备的主 要核心部件 对于感应加热技术的改善起到非常重要的作用 同时 电力电子技术的 发展 也促进了感应加热技术的不断革新 首先 本文对感应加热电源的结构做了原理性研究 经过理论分析 分析了串联 型谐振与并联型谐振感应加热电源的电路拓扑结构和电路参数的特点 再通过比较这 两种谐振逆变电路的负载特性和调功方式 并分析其各自的优缺点 而调功方式的灵 活性是感应加热电源考虑的重点 故选择了串联型谐振电路 对于感应加热电源电路的关键部分 逆变桥式电路 本文着重研究了 SPWM 逆变 控制技术以及 MOSFET 的驱动电路 逆变桥的开关管使用的是功率 MOSFET 管 对于 逆变桥的主要器件 MOSFET 的正常工作直接影响到逆变桥式电路输出波形的品质 所 以本文较为详细的介绍了 MOSFET 参数模型 两种类型的驱动电路的工作过程及特点 并重点分析了以 IR2103 集成芯片构成的驱动电路的电路参数与性能的分析 以此来说 明 设计 IR2103 构成的 MOSFEET 驱动电路时 需要考虑的问题 对于逆变电路的 SPWM 控制技术的实现有模拟电路控制方案和数字电路控制方案 考虑两种控制方案 的性价比之后 本设计选择了利用单片机的定时器来产生 SPWM 波形的方案 通过软 件的设计 改变定时器的计数值 单片机的 I O 口就能输出一系列脉宽可变的脉冲方 波 根据冲量等效原理 将可变脉宽的脉冲方波设计成一个正弦波 就可以实现 SPWM 控制波形的实现了 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 1 绪论 1 1 感应加热的背景 感应加热装置其实就是一种利用电感线圈的电磁感应现象 传递能量过程的一个装 置 将需要加热的工件放置在电感线圈中 由于电磁的电感效应 工件内部就会产生 涡流 从而达到对工件加热的效果 与传统的加热方式不同的是 感应加热是一种非 接触式的加热技术 并且可以将能量集中在工件需要加热的部分 因此其具有速度快 可控性高 加热均匀 易于实现工业自动化 加热产品质量稳定 工作环境良好 工 作安全性高等优点 感应加热电压发展至今 中 低频段已经比较成熟 近年来感应 加热技术被得到广泛的应用 主要应用的场合有冶金 熔炼 焊接 表面热处理 锻 造等传统的工业加热行业以及电子器件的精密焊接和航空航天工业中特殊材料的加热 领域中 1 2 感应加热电源的结构 如图 1 1 所示为感应加热装置的原理图 本次设计的主要内容是研制一个感应加 热电源 感应加热电源的输入电压为 220V 频率为 50HZ 的正弦交流电 输出一个频 率为 1KHZ 功率在 1KW 以下的正弦交流电 图 1 1 感应加热的原理 本次设计选用单片机作为系统的控制核心 对逆变桥式电路进行控制 使逆变电 路输出一个正弦波 此次设计的感应加热电压的结构图如图 1 2 所示 图 1 2 感应加热电源的结构图 设计的重心在于逆变电路的设计 包括逆变电路的控制电路 驱动电路和逆变全桥 电路 1 逆变控制电路 本次设计选用单片机作为系统的控制电路的核心 利用单片 机的定时计数器来产生一系列脉宽可调的脉冲方波 也即 SPWM 波形 控制逆变全桥 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 电路 使得其输出一个电压正弦变化的交流电 2 MOSFET 管的驱动电路 选用半桥驱动芯片 IR2103 构成的电路作为 MOSFET 管的驱动电路 其特点是集成芯片构成的驱动电路工作时 其自举电路能够使一枚芯 片对两个 MOSFET 或 IGBT 的通断进行控制 3 逆变全桥电路 此次选用 MOSFET 作为逆变桥式电路的开关管 考虑到负载 的谐振作用 给每个 MOSFET 添加一个续流二极管 防止负载电感电流对开关管的影 响 同时为减小 MOSFET 管两端电压值的瞬间变化对其构成的危害 可以在 MOSFET 添加一个耐压值合适的电容 感应加热电源的输出功率和频率是感应加热电源的两个 非常重要的参数指标 所以选择串联型逆变谐振电路 因为其调功方式比并联型逆变 电路更加的灵活 本次设计的感应加热电源其实就是一个交流变直流 直流变交流的电力电子变换 的装置 通过整流电路把交流电转换成一个直流电 然后将其逆变成一个交流电 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 2 硬件电路方案的设计 感应加热电源一般由以下几个部分构成 整流电路 滤波电路 逆变电路 谐振 回路 MOSFET 驱动电路及 SPWM 信号产生电路 图 1 2 所示为本次设计的感应加热电 源的结构图 其各个环节的功能为 1 整流电路 AC DC 将工频交流电 50Hz 通过整流器件编程一些脉动的 直流电 在通过滤波器将这一脉动的直流滤波成平滑 稳定的直流 2 逆变桥式电路 DC AC 逆变器把输入的直流逆变成交流电 输送给负载 利用感应加热的原理 将感应线圈将电能转变成负载的热能 使其完成能量的转换 3 驱动电路 单片机与开关管之间连接的中介 数字电路产生的高低电平转换成 用来控制功率开关管导通与关断的控制信号 4 控制电路 对单片机的定时计数器编程 产生一定频率的 SPWM 信号来控制 逆变桥电路中开关管的导通和关断 在分析完各部分电路的功能之后 接下来就要对其具体的电路进行设计 2 1 整流电路的设计 首先工频交流电先要经过变压器 将 220V 的电压幅值变换到所需要的电压幅值 然后经过整流电路将交流电变换到直流电 由于经整流电路输出的直流电纹波系数非 常的大 还不能直接接到逆变桥式电路中 需要对其进行滤波 改善其纹波系数 使 其符合逆变电路的直流输入电的要求 整流电路通常分为不可控型 半控型和全控型 由于此次设计的感应加热电源电 路的重点在于桥式逆变电路 所以 为了减小系统的复杂性 选择使用二极管构成的 不控型整流电路 如图 2 1 所示 VD1 VD3 C T ia ic id VD4 Ud VD2 U2 U1 图 2 1 三相不控整流电路图 整流电路中工频交流电 U1 经过变压器 T 得到频率不变的一个交流电 U2 正弦 变化的交流电 U2 在其正半周 二极管 VD1 和 VD4 同时导通 VD2 和 VD3 承受反向电 压而截止 此时输出的电压值 Ud U2 在 U2 工作的负半周内 U2 的输入电压方向改 变 二极管 VD1 和 VD4 便承受反向电源而截止 而 VD2 和 VD3 在正向电压的作用下开 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 始导通 此时输出端的电压值 Ud U2 输入电压 U2 与输出电压 Ud 的波形如图 2 2 所示 不控直流电路中二极管的选择主要考虑的是额定电流和反向承受电压值 二极 管的额定电流值与整流电路工作时的负载大小有关 可以通过电路的输出功率 P 即电 压 U2 的有效值来计算二极管通过的电流的有效值 从而根据根据这个电流值的大小来 确定选取二极管额定电流值的参数大小 整流电路工作时 二极管在一定的时间段会 承受一定的反向电压而截止 如图 2 1 中的二极管 VD2 或 VD3 在 U2 的正半周期内 承受的最大电压值是 U2 的峰值 依据这一点来选择二极管的反向电压参数值 实际当 中选取功率器件时 通常需要考虑一定的裕量 这个裕量的系数设定可以根据具体的 电路和可选的器件类型来定 不控整理电路的输出电压如图 2 2 所示 其纹波系数较大 需要加一个大电容加 在整流电路电压的输出端 得到一个纹波系数较小的直流电压 选取电容时 根据电 压纹波系数和电压的频率 依据经验选取电容值 另外电容的耐压值也是一个不得不 考虑的参数 根据输出电压 Ud 的波形情况 便可得到电容耐压值的大小 实际选用时 同样需要考虑一定的裕量 ia 0 t t ia 0 a U2 的波形图 b U 的的波形图 图 2 2 整流电路的输入输出电压波形 2 2 逆变桥式电路的设计 2 2 1 负载谐振电路 感应加热电源逆变器电路中 输出部分所连接的负载可以看出是一个 变压器 其原边为感应线圈 副边便是被加热的工件负载 对于这一个副边短路的特殊的变压 器 一般而言 可以将这个特殊的 变压器 在逆变输出电路中等效为一个电抗 L 和 一个电阻 R 构成的串联电路 其等效图为如图 2 3 所示 图 2 3 加热工件负载等效电路图 其等效电路的阻抗为 Z R j L 2 1 所以负载的功率因数为 2 2 负载感应线圈的有功功率为 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 PL 2R 2 3 无功功率为 Q QL PL L R 2 4 所以由以上的公式可以得到品质因数 Q 和功率因数之间的关系为 2 5 由这一关系式可以分析可得 在感应加热电源的负载中 如果 即 Q 越大 这功率因数就越小 所以 为了能够提高功率因数 需要对感应加热的负载 电路做无功功率的补偿 从而这个负载电路就变成了由补偿电容和逆变等效负载构成 的谐振回路 根据补偿电路与负载等效电路的链接方式 感应加热逆变电路可以分为 串联型谐振逆变电路和并联型谐振逆变电路 图 2 4 串联谐振逆变电路结构 图 2 5 并联谐振逆变电路结构 串联谐振的分析 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 图 2 6 串联谐振等效电路 图 2 4 所示为串联谐振电路 从图 2 5 所示的串联型谐振逆变电路可以得知 逆变 电路的输入端并联了一个大电容 起到了稳压的作用 所以可以将逆变电路的输入端 看成是一个恒压源 因此 串联型谐振逆变电路也可以称为电压型逆变电路 在如图 2 6 所示的等效电路图中 假设电源的电源值为 E Emsin t 2 6 则电路的电流值 I 为 E Z E R j X 2 7 谐振电路的谐振角频率为 2 8 故得到电路的固有谐振频率为 2 9 电路发生谐振时 即电源的频率等于电路的固有谐振频率时 此时电路的电流达到最 大值 max E R 2 10 谐振电路的品质因数为 Q 0 L R 1 0 C R 2 11 电路中个元件的电压分别为 ER IR 2 12 EC j 0C E j 0CR jQE 2 13 EL j 0L Ej 0LR jQE 2 14 从以上公式可以得知 电路发生谐振时 电源的频率等于电路的固有谐振频率时 电阻两端承担的电压最大 电路的电流达到最大值的同时 电感 L 和电容 C 两端的电 压值相等 方向相反 并且电压值的大小是电源电压大小的 Q 倍 谐振时 电源两端 相当于连接了一个电阻 流过电路的电流和电源电压是同相的 所以此时的功率因素 为 1 即 2 15 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 电路中的电感 电容和电阻参数一般情况下都是确定的 当电源的频率发生变化 时 谐振电路的参数会发生变化 从而会引起电路中电流以及各元件的参数发生相应 的变化 当电源的频率从 0 变化到 时 电路中的电压 阻抗的变化情况就会如图 2 7 中所示 也就是电路的谐振曲线 当 0 时 相当于电源为直流电流 此时电容的容 抗为无穷大 相当于电路处于开路状态 电路的电流为零 当 逐渐增大时 容抗 XC 便逐渐的减小 而感抗 XL却逐渐的增大 在达到谐振频率以前 依然保持有 XL 电路依然还显现出容性阻抗 在角频率 达到谐振的临界频率的 过程中 电路的电流 始终随着角频率 的增大而增大 当电路角频率 达到谐振角 频率时 电流 便达到其最大值 在此时有 XC XL EC EL 电子呈现纯阻性 若角频率 继续增大 则谐振电路便呈现出感性阻抗 且 XL XC 电路的电流 便开 始慢慢的下降 图 2 7 串联电路参数随角频率的变化情况 由串联型谐振电路的结构特点 在逆变电路的输入端接有一个大电容 保持了逆 变桥的输入侧电压的恒定 负载两端的电压便可以忽略一些谐波成分 可以近似看出 是一个矩形波 而负载因电路的谐振作用 因而其电流近似为一个正弦波 特别要注 意的一点是 逆变桥式电路的上下桥臂绝对不能出现同时导通的情形 否则就非发生 短路而将电力半导体器件烧坏 因此 常常在设计半导体驱动信号电路时 需要考虑 加入死区时间的限制 保证逆变桥上下桥臂的半导体开关管保持 先关断 后导通 的原则 并联谐振电路的逆变电路 在拓扑结构上与串联型谐振电路属于对偶的关系 在 一些电路的参数分析过程中 可以发现 并联型电路有一些不同的特点 在分析其电 路的特点时 可以利用这两种谐振逆变电路的结构特点及在电路参数上的差异 使得 设计逆变电路的工作人员可以以此为参考 合理的选择和设计桥式逆变电路的类型和 结构 使设计出来的电路符合具体的应用场合 上面已经分析了串联型 或电压型 谐振逆变电路的参数的特点 以下就并联型谐振逆变电路的结构特点做一个简要的分 析 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 图 2 8 并联型谐振等效电路 并联型逆变电路 首先在逆变桥的输入端接入了一个大电感 如图 2 5 所示 根据 电感的电路特性 电路中流经电感的电流不易发生突变 当电感的参数非常的大时 可以认为流过电感的电流为恒定不变的 所以 在逆变桥电路输入端串联一个大电感 可以认为逆变桥电路的输入是一个恒流源 所以可以将并联型谐振电路等效为如图 2 8 所示 同时并联型谐振电路也因此而可以称为电流型谐振电路 负载的导纳为 2 16 当电路发生谐振时 即电源的频率等于电路的谐振频率时 此时负载的导纳为 2 17 通过谐振时 满足关系式 便可以计算出谐振的角频率来 所以 若电路中满足 便可得到 2 18 所以电路的品质因数为 2 19 可以看出 对于对于并联型逆变电路而言 当电源的频率等于电路谐振频率时 也就是电路发生谐振时 负载呈现出高阻抗 所以这时需要在电路的输入部分用一个 大电感来限制电路的输入电流的大小 减小电流的波动 对于这样一个接有大电感的 恒流源输入逆变电路 其负载端的电流波形近似为一个矩形波 而电压则近似于一个 正弦波 这正好跟串联型谐振逆变电路的负载端电路特性相反 通过这两种电路在电 路的输入部分和负载侧的输出部分的电路参数特性 我们可以在设计具体的逆变电路 时 根据具体的电源和负载两端的要求 提出切实可行又合理优秀的逆变电路的设计 方案出来 同样需要注意一点的是 对于并联型谐振逆变电路而言 负载侧不允许出 现开路的情形 具体对于逆变桥式电路而言 也就是说 逆变桥电路中上下桥臂的电 力半导体开关器件不能同时断开 这是因为串联在桥式逆变电路的输入端的滤波大电 感中 存储了较大的能量 电感有保持其两端电流恒定的特性 当电感两端出现开路 时 大电感就会在其两端感应出一个巨大的感应电压来 在逆变桥式电路中就会产生 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 一个高压尖峰 很有肯能将半导体功率开关器件直接击穿 将其损坏 因此在设计并 联型逆变桥式电路的半导体开关管的驱动电路时 同样要设定一个开关管的死区时间 与串联型逆变电路中提到的死区时间不同的是 并联型谐振逆变电路的死区时间设定 的原则是 先导通 后关断 为的就是避免电感两端出现开路而引起电压尖峰损坏开 关器件的后果 更进一步分析 并联型谐振逆变电路由于大电感的存在 使得即使电 路中出现短路现象 电路中的电流也不可能发生突变 因此短路电流便被大电感限制 在一定的范围内 短路电流对电路及半导体器件的危害就减小了很多 这样只要在选 择功率半导体器件的时候 将其电流的裕量选择比短路电路要大些 就可以避免因电 路发生短路现象而对电路造成危害了 2 2 2 调功方式的比较 加热工件在感应加热电源的加热过程中 工件作为逆变电路中的负载 其电路参数 会随着工件加热后温度的变化而发生变化 这样电路的品质因数和功率因数都会有一 定的变化 为了更好的提高感应加热电源的加热效率 以及感应加热对加工产品的加 热质量 常常需要感应加热加热电源在加热过程中 能够随着负载电路参数的变化 而对加热电源的输出频率进行相应的跟踪调节 感应加热电源输出频率的变化 输出 功率也会相应的得到调节 本次设计选用的调功方式为 PWM 脉冲宽度调制方式 其思 路为逆变电路的输出频率是一个固定值 通过改变输出方波的占空比 改变开关管导 通的时间来调节输出功率 2 2 3 逆变电路的选择 感应加热装置的进行加热时 感应加热电源电流的频率与功率之间的关系是非常重 要的 不同的负载要求感应电源的输出频率是不同的 而且负载常常在加热过程中 负载等效电路的参数一般是会发生变化的 所以 这常常要求感应加热电源能够负载 等效电路的参数变化 相应调节其电流输出的频率 感应加热电源电路逆变主电路设 计时 主要考虑到其调功方式灵活性的问题 以及电路实现的简单易行性 所以 本 次设计的就是一个串联型谐振逆变电路 如图 2 9 所示 图 2 9 逆变电路的方案 考虑到感应加热电源的感性负载 需要在 MOSFET 的两端并接一个续流二极管 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 2 3 MOSFET 的驱动电路设计 2 3 1 MOSFET 的开通过程波形分析 在设计功率 MOSFET 开关管的驱动电路之前 需要分析功率 MOSFET 开关管的开 关过程 如图 2 10 所示为功率 MOSFET 的开通过程 可以将功率 MOSFET 的导通过程分为四个阶段 阶段 A t0 t1 门极电压 Vgs 由 0V 逐渐上升至 Vth 在此期间内 MOSF 关闭 Vds 不变 Id 0A 阶段 B t1 t2 门极电压 Vgs 由 Vth 上升至平台电压 Vp 门极电压为 Cgs 充电 在此期间内 MOSFET 开始导通并进入饱和状态 Vds 基本保持不变 Id 由 0 上升至 Id max 阶段 C t2 t3 门极电压 Vgs 保持不变 门极电压为 Cgd 充电 在此期间内 MOSFET 仍处于饱和状态 Vds 迅速下降 Id 保持不变 阶段 D t3 t4 门极电压 Vgs 由 Vp 继续上升 在此期间内 MOSFET 退出饱和状态 进入完全导通状态 MOSFET 关断时波形与开通时相反 图 2 10 功率 MOSFET 的开通过程波形图 2 3 2 MOSFET 驱动电路的选择 如图 2 11 所示 为由模拟电路构成的驱动电路 其工作原理为 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 图 2 11 模拟电路构成的 MOSFET 驱动电路 1 当 HS 为高电平时 Q7 Q4 导通 Q6 关闭 电容 C4 上的电压 约 14V 经过 Q4 D3 R6 加到 Q5 的栅极 使 Q5 导通 在导通期间 Q5 的源极电压 Phase 接近电源电压 Vdc 所以电容两端的电压随着 Phase 电压一起浮动 电 容 C4 亦称为自举电容 Q5 靠 C4 两端的电压来维持导通 2 当 HS 为低电平时 Q7 Q4 关闭 Q6 导通 为 Q5 的栅极提供放电回路 从而使 Q5 很快关闭 当 Q5 关闭后 由于下管的开通或负载的作用 使得 Phase 电压下降接近 0V 从而使 C4 经过 15V D2 C4 GND 回路充电 为下一次导通 做好准备 3 当 LS 为低电平时 Q8 Q11 导通 Q10 关闭 驱动电路通过 R11 为下 Q9 的栅极充电 使 Q9 导通 4 当 LS 为高电平时 Q8 Q11 关闭 Q10 导通 为 Q9 的栅极提供放电回路 使 Q9 关断 5 当 HS 和 LS 同时为高电平时 上管开通下管关闭 当 HS 和 LS 同时为低电 平时 上管关闭下管开通 在实际应用中 为了避免上下管同时开通 HS 和 LS 的逻辑要靠 MCU 或逻辑电路来保证 半桥驱动芯片 2103 构成的功率 MOSFET 驱动电路 如图 2 12 所示 工作原理如下 1 当 HS 和 LS 同时为高电平时 HO 有驱动电压输出 使 Q1 开通 当 HS 和 LS 同时为低电平时 LO 有驱动电压输出 使 Q2 开通 2 电容 C2 与分立器件驱动电路里的 C4 作用相同 同样为自举电容 3 电容 C1 为去藕电容 为抑制功率 MOSFET 开关时对驱动电路浮动电源部分 的干扰 一般应加上此电容 两种驱动电路在开通时能提供基本相同的驱动电流驱动 MOSFET 开通 但在 MOSFET 关断时 模拟电路构成的驱动电路因为有三极管放电 所以能提供更大的放电 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 电流关闭 MOSFET 而半桥式驱动芯片 构成的驱动电路由于要经过栅极电阻放 电 所以放电电流相对较小 导致 MOSFET 关闭时间过长 开关损耗相应增加 解决 的办法可以是在驱动电阻上反并联一只二极管并增加一个放电的 PNP 三极管 模拟电 路构成的驱动电路用的器件较多 可靠性相对没有半桥芯片的驱动电路高 图 2 12 半桥式芯片构成的 MOSFET 驱动电路 所以设计时选用由集成芯片 IR2103 构成的 MOSFET 半桥驱动电路来驱动 MOSFET 开关管的导通和截止 门极电压不能超过 Vgs 的最大值 在设计驱动线路时 应考虑驱动电源电压和线 路的抗干扰性 确保 MOSFET 在带感性负载且工作在开关状态时栅极电压不超过 Vgs 的最大值 为了能够减少 MOSFET 的开关损耗 驱动线路应能提供足够大的驱动电流 使开通和关断的时间尽可能短 同时 尽量减少门极电压的高频震荡 如果要获得同 样的 RC 时间常数 使用较小的驱动电阻和较大的电容可以获得较好的驱动特性 但驱 动线路的损耗同时也增加了 延长 MOSFET 的开通时间可以减小开通时的涌入电流 由于电机负载为感性负载 所以在 PWM 关断时存在续流现象 见图 2 13 所示 为了减小续流侧反向恢复电流 Irr 的大小 PWM 侧开关管的开通速度不宜过快 由于 MOSFET 处于饱和区时有公 式 Id K Vgs Vth 2 K 为一常数 由 MOSFET 的特性决定 所以在一定的温度和 Vds 条件下 从 MOSFET 的门极驱动电压 Vgs 可以判断 MOSFET 中的电流大小 所以增加电 容使得峰值电流减小 Id 也可从 MOSFET 的转移特性图中获得 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 14 页 图 2 13 以电机为代表的感性负载工作时 MOEFET 内的电流回路 由于 MOSFET 的封装电感和线路的杂散电感的存在 在 MOSFET 反向恢复电流 Irr 突然关断时 MOSFET Q3 上的电压 Vds 会出现振铃 此振铃的出现会导致 Vds 超过 MOSFET 的击穿电压从而发生雪崩现象 如果线路中出现振铃 我们可以通过以下方法 来减小振铃 1 设计线路时应考虑线路板布线 尽量缩短驱动线路与 MOSFET 之间的线迹 长度 使大电流回路的铜箔走线尽量短且宽 必要时可以在铜箔表面加锡 合理 的走线 使大电流环路的面积最小 2 如果线路杂散电感已经确定 可以通过减小 PWM 侧的 MOSFET 开通速度来减 小在续流侧的 MOSFET 上的 Vds 振铃 从而能够使 MOSFET 上的 Vds 不超过最大耐压值 3 如果以上两种方法都不能很好地解决问题 我们可以通过在相线上加 snubber 的方法来抑制线路的振铃 注意 Cdv dt 产生的栅极感应电压 如图 2 14 所示 在控制 MOSFET Q1 的导通开关 期间 因为 Q1 的米勒效应和导通延迟的缘故 满输入电压并不会立刻出现在 Q3 的漏 极上 施加在 Q3 上的漏极电压会感应出一个通过其栅 漏极间米勒电容 Cgd 进行耦合 的电流 该感应电流在 Q3 的内部栅极电阻 Rg 和外部栅极电阻的两端产生一个压降 该电压将对 Q3 栅极上的栅 源极间电容 Cgs 进行充电 Q3 上的感应栅极电压的幅度是 dv dt Cgd Cgs 和总栅极电阻的一个函数 由于 Ls 的影响 使得 MOSFET 有提前导通的可能 如果下管由于感应电压而导通 则会造成上下管穿通 如果 MOSFET 不能承受此穿通电流 MOSFET 就会损坏 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 15 页 图 2 14 MOSFET 参数模型中电感 LS 的感应电压 防止产生 Cdv dt 感应导通的方法 1 选择具有较高门限电压的 MOSFET 2 选择具有较小米勒电容 Cgd 和较小 Cgd Cgs 的 MOSFET 3 使上桥 Q1 的开启速度变慢 从而减小关断时的 dv dt 和 di dt 使感应 电压 Cdv dt 和 Lsdi dt 减小 4 增加 Q3 的栅极电容 Cgs 从而减小感应电压 保留 Cdv dt 感应导通的好处 Cdv dt 感应导通有一个好处 它能够减小续流侧 MOSFET 上的电压尖峰和 Vds 振 铃 V L dIrr dt L 环路寄生电感 同时也减小了系统的 EMI 干扰 因此 在设计 MOSFET 驱动线路时 我们应根据实际情况来权衡驱动参数的调整 即究竟是阻止 Cdv dt 感应导通以求最大限度地提升电路效率和可靠性还是采用 Cdv dt 感应导通来抑 制过多的寄生振铃 结论 1 在开始设计之前 应该全面了解所选 MOSFET 的参数 判断 MOSFET 是否能满 足产品要求 包括 MOSFET 的耐压 Vgs 和 Vds 最大电流等参数 确保当工作条件最 恶劣时这些参数不要超过 MOSFET 的最大额定值 2 在线路设计阶段 必须进行热设计 以确保 MOSFET 工作在安全工作区 应 特别注意线路板的布线 尽量减小线路杂散电感 3 在不影响可靠性的情况下尽量缩短开关时间 将开关损耗降到最低 有时为 了进一步提高效率 降低温升 还可采用同步整流 2 4 SPWM 控制 2 4 1 SPWM 原理 在控制理论中有一个非常重要的结论 冲量等效 理论 对于各种不同形状的 信号波形 只要其在单位时间内的冲量相等 即相应的物理量对于时间的积分相等 则这些信号加在惯性环节上的效果是相同的 也就是说惯性环节的输出响应波形是基 本相同的 如下图 2 15 中所示 图 a 为矩形波脉冲 图 b 为三角波脉冲 图 c 为正弦 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 16 页 波脉冲 图 d 为单脉冲 尽管四种波形形状上差别非常大 但是它们的冲量都是 1 添 加在惯性环节上的相应输出都是一样的 SPWM 正弦脉冲波形的提出正是基于这样一种思想 通过利用一系列等副不等宽 的脉冲方波来代替一个正弦波 具体实现的思路是 如图 2 16 中所示 如果把正弦波 在在时间轴上分成 N 等分 对于所分的每个正弦波成分 利用冲量等效的原理 将其 等效为一个冲量相等的矩形脉冲波 这样这一系列等副不等宽的矩形脉冲波就可以用 来等效这个正弦波了 图 2 15 形状不同而冲量形同的各窄脉冲 图 2 16 SPWM 控制波形 2 4 2 SWPM 的类型 根据 SPWM 输出波形的差异 可以将 SPWM 波形分为单极性 SPWM 波形和双极性 的 SPWM 波形 如图 2 17 中所示 单极性 SPWM 波的输出波形变化的幅度只是在 0 到 Ud或者是在 0 到 Ud之间变化 每半个周期 输出波形的方向就会发生一次变化 单 极性 SPWM 波在桥式电路上的工作情形可以理解为 逆变电路的负载在每半个周期内 导通的方向是不变的 并且半个周期改变方向一次 而双极性 SPWM 如图 2 18 中所示 输出波形的电压值在 Ud之间变化 其变化的幅度是单极性 SPWM 波的两倍 也说明 在桥式逆变电路中 负载导通存在换向的过程 这在实际的电路中需要注意的是逆变 桥死区时间的设定 防止上下桥臂同时导通 而引起短路的发生 要产生 SPWM 控制波 常常是以三角波作为载波 而正弦波作为调制波 然后通 过载波与调制波的比较器的比较 就可以得到 SPWM 输出波形了 载波频率与调制波 频率的比值称为载波比 N c r 调制波与载波的幅值比称为调制比 M Urm U cm 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 17 页 图 2 17 单极性 SPWM 波形 图 2 18 双极性 SPWM 波形 在 SPWM 的输出波形中 其最低次谐波的频率可以提高到 SPWM 调制频率的附近 这对于 SPWM 要输出的正弦波的基波频率来说是非常大的 所以 通过一个非常简单 的滤波器就可以将这些高频谐波滤除掉 并且载波频率越高 开关管的工作频率就越 高 SPWM 波形的谐波频率也会越高 滤波器就更加容易滤掉高频谐波 从而使得输 出的波形更加接近标准的正弦波 2 4 3 SWPM 产生电路方案的选择 SPWM 波形产生电路比较常用的方法有模拟电路的实现和数字电路的实现 模拟 电路 SPWM 发生电路 如图 2 19 所示 是利用自激振荡电路来产生调制波正弦波和载 波三角波 如图 2 20 然后将这两种波接入到一个比较器中 得到 SPWM 控制波形 接入到开关管的驱动电路中 控制逆变桥式电路的导通和关断 这种通过模拟电路来是实现 SPWM 波形输出的方式 思路相对简单 但是模拟电 路中存在控制精度低 容易受到温度漂移和其他一些噪音的影响 严重影响 SPWM 的 效率和质量 对于一些普通的场合 基本可以满足其要求 但在一些实际工程中要求 比较高的应用中 就难以达到要求了 所以通过纯模拟电路来实现 SPWM 波形输出的 方式应用有其一定的限制 从而其运用也比较少 随着脉宽调制技术的广泛而深入的 研究 以大规模电路的集成化为背景 运用专用的数字集成芯片来产生 SPWM 波形可 以克服以上模拟电路出现的缺点 因而目前数字芯片式 SPWM 波形的产生电路达到广 泛的推广和运用 集成芯片 SA4828 就是一种专用波形调试芯片 可以产生纯正正弦波 通过地址 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 18 页 数据总线与单片机连接 就可以通过单片机来控制 SPWM 脉冲波形的输出 其使用起 来 图 2 19 方波 正弦波发生器 图 2 20 模拟电路 SPWM 发生电路 非常的简单方便 而且 SPWM 输出波形的畸变率非常的低 正弦波的精度非常高 是 一种比较理想的 SPWM 产生电路的设计方案 但是集成芯片 SA4828 的市场价格非常 的昂贵 并非本设计的首选 选择使用单片机的定时器独立的产生 SPWM 波形输出 其方案原理图如图 2 21 所 示 同样也不失为一种数字式 SPWM 波形实现的选择方案 通过改变定时器 TH 和 TL 的数值 从而改变矩形脉冲波的宽度 如果这些矩形脉冲波按着正弦波 SPWM 波 形表来输出 则单片机就可以近似的输出 SPWM 控制波形了 采用单片机 AT89C52 的定时器编程 合理的选择单片机的晶震频率 根据要求 利用规则采样法设计 SPWM 输出波形的算法 实现 SPWM 波行的输出方案 具有性价比高 电路结构简单 的特点 也是本次设计所采用的 SPWM 实现方式 图 2 21 单片机 SPWM 发生器方案 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 19 页 在 SPWM 波形产生方案的对比中 本次设计选择以 AT89C52 单片机为控制核心的 控制电路 设计单片机控制部分的硬件电路时 由于 SPWM 波形产生电路只需要通过 几个简单的 I O 口来输出 所以该部分的硬件电路设计非常的简单 这也是选择以单 片机为 SPWM 波形控制部分核心的一个原因 与之于模拟电路 SPWM 波形产生电路相 比 在这一点有明显的优势 另外 为方便单片机程序的调试 单片机的电路设计除 了最小系统的基本电路外 还添加了一个单片机下载口的电路 其电路连接也是非常 简单的 只要留出几个固定的单片机引脚 就可以通过连接专用的 USB 下载口 ISP 直 接下载程序到单片机中调试程序了 其 protel 文件的原理图以及 PCB 电路图见附录所 示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 20 页 3 软件设计 3 1 开发语言与环境 早期的程序使用汇编语言 汇编程序占用的空间小 程序的执行速率较高 测试 时也有其独特的优势 但是汇编程序的阅读性较差 特别是在系统较大较复杂的情况 下 程序的阅读性随着程序代码数量的增加 会相应的下降 51 单片机 C 语言编写代 码时 程序有很好的结构性和模块化特性 工作量小 编写程序时思路更加清晰明了 程序的阅读性大为提高 这是汇编程序无法比拟的 同时 C 语言程序的可移植性和重 复利用性也使得编写程序工作量大为降低 这一点在大中型系统的软件开发时显现的 更加明显 本次设计使用的是 Windows 集成开发环境 Vision51 这是 Keil 公司推出的 单片机 C51 语言开发环境 3 2 软件设计流程图 在硬件连接部分都完成的情下 结合软件 烧入程序到单片机里面 完成相应硬 件部分的功能 一般情况下 软件设计非常强调将各个功能部分单独编程 可以把每 个功能模块用一个或几个程序来实现 软件部分设计主要的任务是运用 51 单片机的定时器 来产生一个正弦脉宽调制 SPWM 波形的输出 单片机接了一个 12MHZ 的晶振 定时计数器的脉冲周期为 1us 将 定时计数器在工作模式设置为 1 即在 16 位的定时模式 此时最多可计数 65536 个脉 冲 相当于 0 065536s 软件设计的程序流程图如图 3 1 和 3 2 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 21 页 图 3 1 主流程图 程序的主要思路是 首先建立一个正弦脉宽调制波形的数组 然后开中断 并选 择定时计数器的计数模式 给定时器 1 一个定时初值 这就完成了定时器 1 的初始化 启动定时器 1 工作 进入死循环 在死循环中等待定时器计满数值后 进入定时中断 程序 在定时器 1 的中断程序中 给 count1 加一 然后通过 count1 来读取数组 sintable 中相应的数值 将该数值赋值给定时计数器 1 的计数寄存器 这样每一次定时 计数器 1 的计数值都是由 sintable 中的数值决定的 单片机就实现了 SPWM 控制波形 的输出 程序代码见附录 D 图 3 2 定时器中断程序流程图 对于 51 单片机的定时器 计数器有 4 中工作模式 四种不同的工作模式是通过定时 器 计数器模式寄存器 TMOD 来设定的 如表 3 1 所示为 TMOD 模式寄存器 TMOD 模 表 3 1 GATEC TM1M0GATEC TM1M0 TIME1TIME0 式寄存器的高四位用来设定 Time1 的工作模式 而低四位用来设定 Time0 的工作模式 这两部的结构是一样的 不同的是所