单相正弦脉宽调制风电逆变器研究

中北大学 2013 届毕业论文第 1 页 共 38 页 1 引言1.1 风力发电概况随着能源问题和环境问题的日益突出，作为一种清洁的可再生能源，风力发电越来越受到人们的重视。风是风力发电的原动力，它是由于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。据理论计算，全球大气中风能总的能量是1017kW，而且是可再生的，估计大约有3.51012kW的蕴藏风能可以被开发利用，这个价值至少比世界上可利用的水能大10倍 1。据世界风能协会(GWEC)的统计，2010年全世界风力发电装机容量1944GW，比2009年的1587GW增加了22.5。自20世纪90年代以来，风力发电装机容量呈指数级增长。目前世界电力约2由风电供应，欧盟(EU)平均约5由风电供应，到2020年全球风电供应量将占电力供应总量的12 2。而我国自上世纪80年代中期引进55kw容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底。我国风电总装机容量达到260l万kw，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36，居世界首位。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段 3。 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化,导致风力机叶片攻角不断变化,使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化,影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡,会对电能质量及接入的电网产生影响。对于小电网甚至会影响其稳定性。因此现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量也在不断向大型化发展 4。1.2 逆变研究概况逆变与整流相对应，就是将直流电转化为交流电的一种技术。逆变技术是电力电子技术中最主要、最核心的技术，它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、UPS电源、交流稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电气火车、燃料电池静置式发电站等。逆变技术的发展是与电力电子技术的发展紧密相关的。中北大学 2013 届毕业论文第 2 页 共 38 页 1.2.1 电力电子技术的发展概况电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术的诞生是以1957 年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期 5。70 年代后期以门极可关断晶闸管（GTO） ，电力双极型晶体管（BJT） ，电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断） ，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作 MOSFET和 BJT 的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC） 。目前 PIC 的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向 6。从 20 世纪 50 年代中到 70 年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。70 年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用,今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。随着光纤技术的发展，美国和日本于 19811982 年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性 7。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管(power MOSFET)和功率静电感应晶体管(SIT)已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT 或 IGBT）和 MOS 控制晶闸管（MCT）也正在兴起,容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术中北大学 2013 届毕业论文第 3 页 共 38 页 发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展 8。1.2.2 逆变技术的发展概况电力电子技术可分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术。电力电子技术主要用于电力变换。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。变流技术中逆变技术的应用非常广泛。(1) 国外发展概况1955 年美国罗耶（Royer）发明的自励振荡推挽晶体管单变压器的直流变换器，是一个高频实现转换的控制电路的开端。1957 年美国詹森（LJensen）发明的自励型推挽双变压器的直流变换器，进一步提高了单位体积、重量内输出的功率。1964 年美国提出了不用工频变压器的串联开关电源，为电源的小型化、轻量化开辟了一条新的途径。1969 年由于大功率硅晶体管的耐压由外延平面型的 100200V，提高到了 600V以上，并使二极管反向恢复时间缩短，可以做成高频电压的开关电源。这种电源的问世，在国际上引起了强烈的反响，许多国家争先致力于高频电源、高频开关二极管，高频三极管、高频开关铁心材料的配套研究。1974 年之后，确立 20KHZ 为标准的工作频率。1970 年美国硅通用公司做出 SG1524 单片集成的控制芯片，德国的西门子公司做出了 TDA4700、TDA4718、TDA4716 及 TDA4714 等具有齐全功能的控制芯片，这就是脉宽调制器，它们除了使电源小型化之外，还大大提高开关电源的可靠性 9。上世纪 80 年代德国、美国、日本等国家先后研制成功开关速度更快、耐冲击电流大，且没有二次击穿的采用电压控制的绝缘栅型大功率场效应晶体管，把开关频率提高到 50100KHZ，甚至更高。90 年代以后国内外电力半导体器件和逆变技术在不断向大功率化、快速化、模块化、组合化、智能化、廉价和高可靠性方向发展。以 IGBT、场效应晶体管为主体的电力半导体器件及逆变技术，主导着电力电子装置和电源的蓬勃发展，使其产生了革命性的变化，并以高效节能、省材、轻量化、高性能和可靠性体现出它的优越性 10。（2）逆变技术的国内发展概况我国自 1962 年试制成功晶闸管以来，以普通晶闸管和硅整流管为主体的变流技术、逆变技术有了很大的发展，器件质量有较大的提高，如快速、双向、可关断的派生型中北大学 2013 届毕业论文第 4 页 共 38 页 晶闸管和逆变器件都有较快的发展，产品产量大幅度上升。近 10 多年来经过精心设计，工艺、测试、可靠性以及装备等方面的研究，器件的额定容量大大提高，静、动态特性得到进一步改善。我国已自行设计和研制出 1000A、1200A、30S 的快速晶闸管。50A、100A 的大功率场效应晶体管 IGBT 在 90 年代初开始试制生产。随着微机和微处理技术的发展，控制方面由以往的模拟控制发展到微机控制 11。逆变器的控制经历了四个阶段：早期通过阶梯波形式输出，主要通过改变功率电路的设计来改善输出电压波形质量，如通过对输出变压器的特殊设计提高输出电压波形的正弦度；其次是脉宽调制技术(PWM)出现后，通过开环的脉宽调制方法使输出电压波形大幅度改善，使逆变技术产生了一个飞跃；然后随着控制技术的发展，采用模拟的闭环控制方法 PWM 技术相结合，使逆变器输出电压质量得到进一步提高；近年随着具有高速运算能力的 DSP( Digital Signal Processor，即数字信号处理器)问世，使逆变器控制全数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得到应用，使逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高 12。1.3 选题的意义现如今各种化石能源逐渐减少，人们迫切需要寻找新的可替代能源。风能源作为可再生资源，风力发电技术因其清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，显示出较好的经济效益和社会效益，所以发展前景很光明 13。发展风电有利于调整能源结构:电源 75%是燃煤火电，增加风电等清洁电源比重刻不容缓。尤其在减少 CO2等温室气体排放，缓解全球气候变暧方面，风电是有效措施之一。发展风电是解决我国能源供应不足的有效途径 14。此逆变器对研究风力发电逆变技术、对风力发电的推广应用具有现实意义。中北大学 2013 届毕业论文第 5 页 共 38 页 2 正弦脉宽调制技术的基本原理2.1 SPWM 的概念PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形也称SPWM(Sinusoidal PWM)波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理。PWM波形还可以等效成其他所需要的波形。如等效所需要的非正弦交流波形等。SPWM逆变器的电路实现概述目前，在正弦波逆变器中应用很广的是SPWM技术。它的输出等效于正弦波，大大降低了谐波分量，大为改善逆变器的性能 15。SPWM正弦脉宽调制技术是工业上应用最广的一种逆变电源控制方式，其利用较高频率的三角形载波与较低频率的正弦参考波相比较得到SPWM波形。根据输出脉冲幅度的变化情况，可分为单极性调制和双极性调制。双极性控制方式输出电压波形有正、负两个电平。而单极性控制方式的输出电压波形有正、零、负三个电平。目前，数字化SPWM信号都是通过高性能微处理器在线实时计算得到。实时计算的方法有多种，如谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及由此派生出来的许多方法。其中采样型SPWM法又分为自然采样法、规则采样法。而规则采样法中又有对称规则采样法与不对称规则采样法两种方法。但其中最为实用的却是两种规则采样法 16。2.2 单极性脉宽调制技术 单极性SPWM多用于单相半桥式和全桥式逆变器中。它的特点是在一个逆变周期中只有一个器件按规律进行工作，因此有利于降低电力电子器件的导通功耗。单极性的SPWM波是在调制波 的半个周期内，三角载波只有正或只有负，得到的rUSPWM波也是只有正或只有负。用幅值为 的参考正弦波 与幅值为 、频率为 的rrucUcf三角波 比较，产生功率开关驱动信号。单极性正弦脉宽调制原理波形如图2.1所示，cu用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截、再通过倒相得到功率开关驱动信号。中北大学 2013 届毕业论文第 6 页 共 38 页 图2.1 单极性脉宽调制原理波形图2.3 双极性脉宽调制技术双极性SPWM波是在 半个周期内，三角载波有正有负，所得到的 SPWM 波也有正rU有负。双极性SPWM多用于单相全桥逆变电路和三相逆变电路中。其优点是逆变电压的换相简单，在该算法下可以实现逆变电压的自然换相 17。双极性SPWM波形图如图2.2所示：图2.2 双极性脉宽调制原理波形图中北大学 2013 届毕业论文第 7 页 共 38 页 3 系统主电路的设计3.1 系统组成系统框图如图3.1所示：图3.1 系统框图风电机组输出的电压电流经整流电路变成直流电，储存至蓄电池内。将蓄电池的直流电进行升压变换，输出的直流电送入逆变桥逆变成交流电，经隔离变压器输给负载。控制电路驱动全桥逆变电路的功率导通管截止，在负载上获得需要的正弦波。保护电路的作用是判断功率管是否过流、欠压从而自动关断驱动。3.2 升压电路升压电路有多种类型，此方案中风电蓄电池提供的是直流电压，因此此处升压电路为直流-直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电，一般是直接将直流电变成另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。升压斩波电路也称为 Boost 变换器。3.2.1 DC-DC 升压电路原理升压电路原理图如图 3.2：中北大学 2013 届毕业论文第 8 页 共 38 页 图 3.2 升压电路原理图升压电路大致工作过程如下：当可控开关处于通态时，电源输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。这相当于充电过程。当可控开关处于断态时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为 0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为 0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，这是电感的放电过程，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕，升压过程就是一个电感的能量传递过程，充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压，这就是升压电路的工作原理 18。3.2.2 升压电路参数计算当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即(3.1)ofontIEUtI11)(化简,得 (3.2)tof占空比 与 有如下关系： (3.3) 1因此，有 (3.4)EUo1将 代入，得,48,315EUo中北大学 2013 届毕业论文第 9 页 共 38 页 占空比 =0.8476。直流输入电压经Boost升压电路后电压为315V。故功率管工作电压V=315V,考虑一定裕量取电压等级为(3.5)VU630215平均电流为(3.6)ARIi.30考虑一定裕量(3.7)IAVT65.1.57)( 开关管选用 MOSFET 管，MOSFET 管是当今最主流的开关器件，MOSFET 是稳定性最好的器件，不容易损坏。价格较高，开关速度极快(从数十 K 到数 M 都可应用），从 5W到数十万 W 的各类拓扑电源都有应用。相比于 IGBT 耐冲击性好，故障率低。由于电导率负温度系数，MOSFE 可扩展性很好。大功率应用时，如成本不敏感，如军用、工业、高端消费产品，MOSFET 是最优选择。低压大电流领域是 MOSFET 的强项。IGBT是和功率MOSFET同步发展起来的一类开关器件，IGBT的优点在于做大功率时成本低，堪称“穷人的法拉利” ，耐压比MOSFET容易做高。常用于高压（600V)应用领域。以及低端大功率（2000W)设备，如电磁炉。综合考虑,选用电压等级为630V,电流等级为2A的功率MOSFET。在Boost 电路工作中,当开关管开通时,二极管平均通态电流为(3.8)AI89.03415考虑一定的裕量取I=2A,综合考虑选用电压等级为630V,电流等级为2A的二极管。3.3 逆变电路逆变电路种类很多，大致可以按照以下方式分类:（1）按输出电能的去向分,可分为有源逆变电路和无源逆变电路。前者输出的电能不返回公共交流电网,后者输出的电能直接输向用电设备；（2）按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电流型直流电源供电的电流型逆变电路；（3）按主电路的器件分,可分为:由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变中北大学 2013 届毕业论文第 10 页 共 38 页 电路；由无关断能力的半控型器件(如普通，直流侧电压基本无脉动)。本方案是单相全桥电压型逆变电路。3.3.1 逆变电路原理单相电压型全桥逆变电路原理图如下：图3.3 逆变电路原理图电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180。电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和半桥电路的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud；输出电流io波形和半桥电路的io形状相同，幅值增加一倍。对角的两个功率MOS管作为一组，每组同时接通或断开，两组开关轮流工作，在一个周期中的短时间内，四个开关将处于断开。四个开关导通(或关断)占空比值均相等。在给T1、T3加触发脉冲，这两个MOS管导通，电流状态流过T1的漏极，经过输出滤波电路回到T3的漏极。当T2、T4加触发脉冲时，此时T1、T3的触发脉冲消失，T2和T4这两个MOS管导通，但不能立即导通，先经过D2、D4续流，等电流下降到零时再开始导通。另外，这四个二极管还有限制过电压的作用。3.3.2 逆变电路参数计算桥式电路输入电压为315V,选择电压等级为2315 = 630V ,输出功率为1KW,故其平均电流为：AVPIin8.31520.（3.9）选择电流等级为中北大学 2013 届毕业论文第 11 页 共 38 页 AIAVT97.583.1)( （3.10）综合考虑选择电压等级为630V,电流等级为6A的功率MOSFET。3.3.3 滤波电路设计本逆变器的输出电压220V，频率50HZ，额定输出功率1000W，电压变化率=10%。交流滤波选形滤波器，选100400HZ时，谐波频率处的损耗增大，可获得较好的正弦波。负载电阻的计算应考虑到过载20%的情况，功率P=100020%=1200W，此时，额定负载电阻（3.11）3.4012PURL电感L： （3.12）mHff 95.7.电容C: uFRLCff .1409572(3.13）因此选用电感值为 电容值为 的LC滤波电路。,mH203.4 隔离变压器的参数计算逆变电源变压器与普通电源变压器的工作状态是不一样的，逆变电源变压器存在一些特殊问题。首先，逆变电源变压器传递的是SPWM波，而普通电源变压器传递的是正弦波。其次，普通电源变压器出现偏磁饱和现象的可能性很小，而逆变电源变压器容易出现偏磁饱和现象；当变压器饱和时，变压器原边出现过电流，由于变压器原边电流也流过逆变桥开关管，这对逆变桥的安全工作极其不利。因此，提高逆变电源变压器对偏磁的承受能力，是逆变电源变压器设计时重点考虑的问题。在逆变桥与LC滤波器之间应该再加入一个隔离变压器以获得品质较高的输出电压波形。首先隔离变压器的工作频率应为50HZ，取变压器效率0.95变压器的最大工作功率：(3.14)WP10529.10max中北大学 2013 届毕业论文第 12 页 共 38 页 变压器变比：(3.15)05.1321minVNK3.5 辅助电路的设计因为功率管开通要承受的di/dt,关断时要承受du/dt都比较大，需要对其进行限制。并且开关管关断或开通时，由于回路分布电感和变压器漏感的作用，在它的两端或在与它同处一桥臂上的另一只开关管两端会产生电压尖峰。如果不采取措施，这个电压尖峰可能会叠加到原来的电源电压上从而超过管子的安全工作区，使其遭到破坏。所以电路中应该设计缓冲电路限制开关管的过流、过压，还有尖峰电压吸收电路。3.5.1 功率管的开通缓冲电路在开关管电路中串联电感后，在开通时会显现出比较大的电感量，可以限制通过电流，在电路接通后呈现饱和状态不影响导通电流的大小。 要实现开关管的零电流开通，必须有足够的能量使即将开通的开关管电流减小到零。3.5.2 功率管的关断缓冲电路关断缓冲电路是为了限制开关管两端电压上升率而设计，并联缓冲电容和放电电阻可以减小关断时功率管两端的电压，计算用 ，其中为电压上升限制时间；dmVIC/放电电流 不能太大；放电电阻的功耗： ，f 为开关管的频率。RVid/ 2/PR3.5.3 尖峰电压吸收电路产生尖峰电压的原因是布线上的存在寄生电感，并联电容可使其存储的电能等于缓冲电路吸收的电能。电容值的计算式 ， 为线路寄生电感，i 为工2/mPViLCP作电流， 为缓冲后的尖峰电压。由上述计算式可得：mV(3.16)uFC5.10)38629.0(.42取电容值10uF。3.6 软开关技术3.6.1 软开关基本概念中北大学 2013 届毕业论文第 13 页 共 38 页 由于现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化，必然要求开关频率越来越高。当开关频率很高时，给电路造成严重的噪声污染和开关损耗，且产生严重的电磁干扰。为减小开关损耗，提高功率管的可靠性有人提出了采用缓冲电路。但缓冲电路只是将开关损耗转移到了缓冲电路，电源系统的效率仍未有改善。在缓冲电路的基础上，上世纪70年代有学者提出了软开关技术，试图通过软开关技术，实现开关器件的零电压或零电流开关转换，从而解决高频开关状态下的开关损耗和电磁干扰的问题，同时保证变换器的效率，软开关技术的出现解决了这一系列问题 18。软开关技术指通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，这样，实现了在零电压情况下开通或者在零电流条件下关断，从而大大降低了开关功率损耗，减少了噪声污染和电磁干扰。软开关分为零电压开关(ZVS)和零电流开关（ZCS)。逆变器是电子电路中最常见的电路，自从上世纪80年代末美国威斯康星大学的Divan博士提出谐振直流环节逆变器后，软开关在逆变器中得到了长足的发展，之后，出现了各种软开关逆变器拓扑结构 19。80年代中后期出现了软开关逆变器概念，将软开关技术应用在逆变器上，来根本解决提高开关频率所带来的问题。几十年来，软开关逆变器一直是电力电子学界研究的热点。3.6.2 软开关技术的实现软开关技术是让功率开关管在其两侧电压或电流为零或极小的瞬间进行切换，从而避免产生开关损耗。实现的关键在于如何产生零电压或零电流的瞬间。本方案的实现方法是在硬开关拓扑结构的基础上增加由电感、电容和二极管元件组成的谐振网络，使主开关两侧的电压或电流始终在零点附近振荡或穿过零点，从而为主开关管创造零电压或零电流切换的软开关条件 20。最理想的软开通过程是:电压先下降到零，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近似为零。因功率管开通前电压己下降到零，其结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同时也意味着二极管己经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程为:电流先下降到零电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决 21。从损耗分析上来看，MOSFET的主要损耗是输出电容放电损耗，因此需要实现零电压开通。综合考虑各种因素采用如下零电压开关准谐振电路：中北大学 2013 届毕业论文第 14 页 共 38 页 图3.4 零电压开关准谐振电路原理图选择开关S的关断时刻为分析的起点，下图为零电压开关准谐振电路的理想化波形图图3.5 理想化零电压开关准谐振电路波形图现对各个阶段工作过程进行分析：t0t1时段：t0之前，S导通，VD为断态， ， =IL，t0时刻S关断，0CruLriCr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S关断后，VD尚未导通，电路可以等效为图8-10；Lr+L向Cr充电 ，L等效为电流源， 线性上升，同时VD两端电压Cr逐渐下降，直到t1时刻， ，VD导通。VDu0VDut0t1 时段：t1时刻VD导通，L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，如图8-11所示；谐振过程中，Lr对Cr充电， 不断上升，不断下降，直到 t2时刻，iLr下降Cr到零，uCr达到谐振峰值。中北大学 2013 届毕业论文第 15 页 共 38 页 t2t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电， 改变方向， 不断下降，直到t3时刻，LriCruuCr=Ui，这时， =0， 达到反向谐振峰值。LruLrit3t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电， 继续下降，直到t4时刻 。Cr 0Crut4t5时段： 被箝位于零，uLr=Ui，iLr线性衰减，直到 t5时刻，iLr=0。由Cru于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。t5t6时段：S为通态， 线性上升，直到t6时刻， =IL，VD关断。Lri Lrit6t0时段：S为通态， ，VD为断态。3.7 控制回路的设计 本方案要采用的是正弦脉宽调制控制技术，即SPWM，而SPWM波的产生有等面积法，硬件调制法，软件生成法。等面积法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点；硬件调制法是用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，实现方法简单，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制；软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法 22。在这里介绍基于AT89C51单片机和SA8382芯片的SPWM波的生成法。3.7.1 单相SPWM发生器SA8382SA8382是全数字单相SPWM波生成集成电路，该芯片具有2个TTL电平的PWM输出通道，用于控制桥式电路上下桥臂的开关元件，可与大多数微处理器兼容，内部有12bit电源频率寄存器和8bit电源幅值寄存器可以同时调节频率和幅值。外部有源时钟采用12.5MHZ，电源频率可以达到4KHZ，载波频率可以达到24KHZ。内部3848ROM,对0度至90度波形进行存储，失真度小，精度高，最小脉宽和死区时间可由控制字改写 23。SA8382工作原理图如下：中北大学 2013 届毕业论文第 16 页 共 38 页 图3.6 SA8382工作原理图SA8382 主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、从 ROM 中读取及产生 PWM 调制波形部分以及三相输出控制电路等三个功能部分。初始化命令部分：24 位初始寄存器中包含了程序初始化阶段定义的征常工作参数：载波频率、输出频率范围、脉冲延迟时间(死区时间)、计数器复位等。控制命令部分：该部分在工作时，允许 PWM 脉冲频率按初始寄存器中规定范围进行调节，改变 PWM 脉冲的相序，改变输出 PWM 脉冲的宽度来调节电压幅值，以及在出现保护信号时，禁止信号输出。产生 SPWM 调制波形部分：该部分由地址发生器、波形 ROM 及相位和控制逻辑构成。工作时，SA8382 可根据地址发生器的信号直接从波形 ROM 中读取波形数据，然后通过相位控制逻辑将其组0360的完整波形，而不需要处理器进行处理。同时具有过流检测及电路关断等功能。 在软件的设计中，SA8382 初始化命令和控制命令的参数及其设置主要用来确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值和中心频率等。3.7.2 AT89C51介绍在这个方案中，单片机主要用于完成对SA8382的初始化，通过软件写控制字的形式来对SA8382载波频率、调频率、调制比、最小脉宽、死区时间进行设定。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器，8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统中北大学 2013 届毕业论文第 17 页 共 38 页 提供了一种灵活性高且价廉的方案。现在对89C51的个别引脚进行简要介绍:P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须接上拉电阻。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。中北大学 2013 届毕业论文第 18 页 共 38 页 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.7.3 控制电路设计控制器采用AT89C51单片机，配合SA8382使用，实现全数字SPWM调频调压控制。SA8382数据/地址线与单片机低地址位P0口直接相连，由P20高地址对其进行片选，P34、P35分别控制SA8382的复位和输出关断设置。其硬件电路图的连接如下图所示。控制器时钟为有源时钟，频率为12MHZ。图3.7 AT89C51与SA8382硬件连接图显示器采用4位LED共阳极数码管，第一位用于显示频率或电压模式，后三位显示频率或电压有效值。显示方式为串行显示，这样的显示方式硬件电路简单，节约了单片机I/0口。SA8382能与微处理器完全兼容，实现全数字调压、调频控制。中北大学 2013 届毕业论文第 19 页 共 38 页 微处理器通过向其内部的224bit寄存器写入数据予以实现，这两个寄存器分别为初始化寄存器和控制寄存器。初始化寄存器中包含了载波频率设置、电源频率范围设置、死区时间设置、最小导通时间和计数器复位设置；控制寄存器用于对电源频率、电源幅值、过调制和输出限制等参数。由于SA8382数据、地址总线DOD7为8位，则在装入任一个24位寄存器的数据必须首先写入3个8位虚拟寄存器R0、R1、R2，然后通过写寄存器R4，完成数据由虚拟寄存器向初始化寄存器的传递；通过写寄存器R3，完成数据由虚拟寄存器向控制寄存器的传递。向虚拟寄存器R3和R4中写入何种数据并不重要，只要是写指令即可。以上控制字通过程序指令分步传送响应的寄存器即完成编程。对SA8382控制字传送的程序流程图如下图所示：开始R S T 置零写 R 0 寄存器写 R 1 寄存器写 R 2 寄存器写 R 4 寄存器I N H 置 0/ R S T 置 1写 R 0 寄存器写 R 1 寄存器写 R 2 寄存器写 R 3 寄存器控制字是否改变初始化字是否改变写初始化寄存器写控制寄存器图 3.8 SA8382 控制字传送的程序流程图这种方案是最常用又易于实现的SPWM波生成方法，所以应当了解。由于本课题主要要求采用MATLAB仿真软件，常用的仿真软件Proteus亦中没有所选用的SPWM波产生芯片SA8382，即没有实现这种方案的条件，但是理论上是可行的，所以在此只是初步了解如何利用AT89C51单片机和SA8382芯片产生的SPWM波，现阶段知道这种方案的原理及实现方法即可。中北大学 2013 届毕业论文第 20 页 共 38 页 3.8 驱动电路3.8.1 驱动电路的概念电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要意义。简单地说，驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可使其开通或关断的信号。本课题所选的开关器件是MOSFET管，是电压型驱动器件。要求驱动电路具有较小的输出电阻，使MOSFET管开通的栅源极间驱动电压一般取1015V，同样关断时施加负驱动电压（一般取-515V） 24。 3.8.2 驱动电路的设计MOSFET输入阻抗高，所需静态驱动功率很小然而，由于各极之间存在着寄生电容，在开通和关断过程中，驱动电路必须能够对其寄生电容进行快速放电。因此驱动脉冲应具有足够陡的上升和下降速度且延迟要小。开通时能提供足够大的瞬时峰值电流，使得开通延迟时间足够短，在要求的时间内完成对功率管输入电容C的充放电；关断时能为栅极电荷提供低阻放电回路，提高关断速度。由于栅极驱动电压是相对于MOSFET的源极而言的，而在桥式电路中，同一桥臂的上管和下管的源极电位是不同的，即不同MOSFET的驱动信号基准点是不同的。同时，为了避免功率变换电路对控制电路产生干扰，驱动电路必须实现功率变换电路与控制电路的电气隔离 25。控制电路与主电路之电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。有普通、高速和高传输比三种类型，如下图所示：中北大学 2013 届毕业论文第 21 页 共 38 页 图3.9 三种光耦合电路图根据要求采用驱动电路如下图所示:图3.10 MOS管驱动电路图为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。该驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小；当无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压，当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。 3.9 保护电路的设计MOSFET管自身拥有众多优点，但是自身具有较脆弱的承受短时过载能力，所以在应用功率MOSFET时必须为其设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。功率MOSFET保护电路主要有以下几个方面：1) 防止栅极di/dt过高：中北大学 2013 届毕业论文第 22 页 共 38 页 由于采用驱动芯片，其输出阻抗较低，直接驱动功率管会引起驱动的功率管快速的开通和关断。有可能造成功率管漏源极间的电压震荡，或者有可能造成功率管遭受过高的di/dt而引起误导通。为避免上述现象的发生。通常在MOS驱动器的输出与MOS管的栅极之间串联一个电阻，电阻的大小一般选取几十欧姆；2) 防止栅源极间过电压 由于栅极与源极的阻抗很高，漏极与源极间的电压突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的栅源尖峰电压，此电压会使很薄的栅源氧化层击穿，同时栅极很容易积累电荷也会使栅源氧化层击穿，所以可在M0S管栅极并联稳压管以限制栅极电压在稳压管稳压值以下，保护MOS管不被击穿，MOS管栅极并联电阻是为了释放栅极电荷，不让电荷积累。3） 防护漏源极之间过电压 虽然漏源击穿电压一般都很大，但如果漏源极不加保护电路，同样有可能因为器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压，进而损坏MOS管，功率管开关速度越快，产生的过电压也就越高。为了