基于IGBT的DC-AC变换器设计

毕业设计（论文）2009届题目基于IGBT的DCAC变换器设计专业电子信息工程学生姓名学号指导教师论文字数12001完成日期2009年5月6日湖州师范学院本科毕业论文I基于IGBT的DCAC变换器设计摘要本文主要论述了基于单片机控制逆变稳压电源的基本原理、结构和设计过程。在设计中，我们采用PWM逆变控制技术，单片机ATMEGA16输出PWM波，经TLP250驱动模块去驱动IGBT为开关单元的单相电压逆变电路。我们对ATMEGA16单片机PWM波发生器的使用和编程进行了介绍，还对IGBT的驱动模块TLP250进行了介绍，另外，我们还讨论了IGBT管的缓冲电路和系统的保护电路，同时分析了系统的软件设计过程。利用仿真工具软件软件对所设计的电力电子设备进行仿真，有利于缩短产品的设计时间，有利于提高产品的可靠性。关键字绝缘栅双极型晶体管,脉宽调制湖州师范学院本科毕业论文IITHEDESIGNOFDCACCONVERTERBASEDONIGBTABSTRACTTHISARTICLECHIEFLYDISCUSSESTHEPRINCIPLE、STUCTUREANDDESIGNPROCEDUREOFTHEINVERTERREGULATEDPOWERSUPPLYWHICHISCONTROLLEDBYSIGNLECHIPMICROCOMPYTERINTHISDESIGN,WEADOPTTHEPWMINVETERCONTROLTECHNOLOGYTHEATMEGA16EXPORTSTHEPWMWAVE,THEWAVEISCONNECTEDTOTHEDRIVEMODULETLP250,ANDTHEDRIVEMODULEDRIVESTHESINGLEPHASEVOLTAGEINVERTERCIRCUITS,INTHISPAPER,WEEXPLAINHOWTOUSETHEPWMWAVEGENERATORATMEGA16,ANDTHENWEALSOEXPLAINTHEIGBTDRIVEMODULETLP250,AFTERTHAT,WEDISCUSSTHEIGBTBUFFERCIRCUITANDTHEPROTECTIVECIRCUITSOFTHESYSTEMFINALLY,WEDISCUSSTHEPROCESSOFTHESOFTWAREDESIGNPUTTINGTHESIMULATIONSOFTWAREINTOUSEINTHEPROCESSOFTHEELECTRICEQUIPMENTSDESIGN,ITISGOODTOREDUCINGTHETIMEOFTHEPRODUCTSDESIGN,ANDITISALSOBENEFITTOIMPROVINGTHERELIABILITYOFPRODUCTSKEYWORDSINSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR（IGBT），PULSEWIDTHMODULATION（PWM）湖州师范学院本科毕业论文目录第一章绪论111基于IGBT的DCAC变换器设计的研究背景112基于IGBT的DCAC变换器的发展现状113基于IGBT的DCAC变换器的研究目的及意义214基于IGBT的DCAC变换器的主要研究内容2第二章总体方案设计321系统方案设计与论证322系统整体框图4第三章工作原理531IGBT管的基本原理与其保护5311IGBT管的基本原理5312IGBT的保护532逆变电路的基本工作原理633电力器件的换流方式634单相电压型逆变电路735PWM控制技术的基本原理8第四章系统硬件设计941TLP250驱动电路的设计942IGBT转换电路的设计1043滤波器电路的设计10第五章系统软件设计1351AVR软件开发工具的介绍1352软件程序13521主程序13522PWM波形产生14第六章系统参数测试与分析1761输出的PWM波形参数的测试与分析1762其他参数的测试与分析18第七章结论19参考文献20结束语21致谢22附录23附录1元器件细明表23附录2系统电路24附录3主要程序251第一章绪论11基于IGBT的DCAC变换器设计的研究背景随着工业和科技的发展，对正弦逆变器的性能要求越来越高，正弦逆变电源是将直流电转换为交流电的一种功率转换装置，在工业和民用方面具有广阔的市场。目前我国有些地方由于电力供应紧张,或电力设备严重老化,在用电高峰期,电网超负荷运行,电网电压太低,而在用电低谷期,电网电压太高,这种电压大幅度波动的现象,很容易给一些用电设备带来损害。特别是不断出现的各种智能化仪器仪表、个人电脑等家用电器,对电源质量的要求越来越高,这就需要研制一种高性能的交流电源。电源是电力电子技术的主要领域之一，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（晶体管）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。5动态响应快、控制性能好、电气性能指标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。112基于IGBT的DCAC变换器的发展现状现在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，应具有特定的负载性能要求和特性，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。电源技术发展到今天，已融汇了电子、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。213基于IGBT的DCAC变换器的研究目的及意义为了解决直流电能够在任何时间及地点都可以转换成交流电，能够及时应用于一些家2电等使用交流电的仪器设备中，此变换器主要采用以IGBT作为主要转换元器件并采用PWM技术提高变换器的效率，从而产生更加好的社会效益和经济效益。14基于IGBT的DCAC变换器的主要研究内容本系统以IGBT作为变换器的主要元器件，可以承受大电压大电流的转换。采用PWM技术使得变换器的变换精确度高，而且幅值稳定。本系统将采用四个IGBT组成两组开关在不同时段分别导通与截止，这样通过的直流电即可转换成交流的形式。本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于IGBT的DCAC变换器。设计电路并分析其可行性，在此基础上，对所涉及的变换器系统进行调试。3第2章总体方案设计21系统方案设计与论证为了能够设计出优秀的变换器，我们分别对用于产生PWM波形的单片机选型、IGBT的驱动电路、IGBT的保护、输出信号的过滤等进行了方案的设计与论证。3对用于产生PWM波形的单片机，我们考虑了两种方案方案一采用AT89C51作为产生PWM波形的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。但AT89C51的内部资源少，内存空间有限，所需扩张的外围电路多。4方案二用AVR来产生PWM波形。AVR与其他单片机相比也同样具有单片机的一般特点，如功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，并且它还具有使用普遍，内部资源丰富，外围电路简单，价格相对低廉的优点。综合上述两种方案，方案二较为理想，可以满足设计要求。对IGBT的驱动电路，我们考虑了两种方案。方案一采用三菱驱动模块M57962L。M57962L是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和1200V/400A的IGBT。采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合20KHZ左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻（约185），可将5V的电压直接加到输入侧。但是M57962L芯片价格较贵，而且市场上一般很难买到。方案二采用东芝公司生产的驱动模块TLP250。该芯片用来驱动IGBT模块时，优点是价格低廉，使用方便，一致性和稳定性较好。5TLP250使用特点1）TLP250输出电流较小，对较大功率IGBT实施驱动时，需要外加功率放大电路。2）由于流过IGBT的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过IGBT的电流，这就有可能对于IGBT的使用效率产生一定的影响，比如IGBT在安全工作区时，有时出现的提前保护等。3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到IGBT可靠关断应在10S以内完成。4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对IGBT的栅极施加一负电压，使IGBT硬关断。这种主电路的DV/DT比正常开关状态下大了许多，造成了施加于IGBT两端的电压升高很多，有时就可能造成IGBT的击穿。因此，我们采用方案二进行设计。IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGETH时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其4开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。因此，对IGBT的保护我们也讨论了两种方案方案一专门设计一电路用于保护IGBT。因为若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏。方案二采用发射极与集电极之间自带保护二极管的IGBT。用此IGBT时只需解决在关断时不会造成浪涌电流过大就可以了。因此可以在栅极加一负偏置电压，这样就不会使得IGBT由于浪涌电压而造成误导通了。一般负偏置电压选一5V为宜。综合整体考虑，我们采用简单可靠的方案二。22系统整体框图经过细致的分析与论证，我将本系统的细化，分为几个简单的模块，再将各个模块进行统筹结合。最终构成了完整的一个系统，如图21系统整体框图所示。图21系统整体框图此系统是由ATMEGA16产生两路PWM波，分别使得两组TLP250在不同的时间段内互相导通，从而驱动两组IGBT互相处于工作状态，则可以产生方向不同的波形，再通过滤波器进行滤波处理，最终会输出一路正弦波即交流信号。5第三章工作原理31IGBT管的基本原理与其保护311IGBT管的基本原理绝缘栅双极型晶体管（INSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR）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。6IGBT的工作原理N沟道IGBT通过在栅极发射极间加阈值电压UTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的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PNPN晶体管。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PNP晶体管的电流放大系数设计在05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MOSFET基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压UGE决定。7导通UGE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RON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。312IGBT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12US内响应。2过电压保护6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。8932逆变电路的基本工作原理图31A为单相桥式逆变电路，S1S4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U0为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，U0为负，其波形如图31B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。S1S2RS3S4IOUOUDAB图31逆变电路及其波形举例当负载为电阻时，负载电流I0和电压U0的波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感时，I0相位滞后于U0，两者波形的形状也不同，图31B给出的就是阻感负载时I0波形。设T1时刻以前S1、S4导通，U0和I0均为正。在T1时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则U0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T2时刻降为零，之后I0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S1S4均为理想开关时的分析，实际电路的工作过程要复杂一些。1033电力器件的换流方式图32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。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。72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。11S1S2IV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4RLCUD图32换流图33单相全桥电压型逆变电路34单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，我们主要讨论单相电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性，图33为其电路。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，我们讨论一下单相全桥电压型逆变电路。单相全桥电压型逆变电路的原理图如图33所示，它共有4个桥臂，桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180O。其输出电压U0的波形如同31B所示，是矩形波，下面我们对其电压波形作定量分析。把幅值为UD的矩形波U0展开成傅里叶级数得5SIN13ISIN40TUD其中基波幅值UO1M和基本有效值UO1分别为8DDMOU27141DDO90135PWM控制技术的基本原理图34PWM波形如图34A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34B所示得脉冲列，这就是PWM波形。正弦波的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。根据采样控制理论，脉冲频率越高，PWM波形便越接近正弦波。逆变器的输出电压为PWM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。PWM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9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PWM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。第四章系统硬件设计41TLP250驱动电路的设计典型的IGBT栅极驱动电路如图41所示。18273645TLP250RCCIN4733R30VCONPYRPWM图41典型的IGBT栅极驱动电路TLP250包含一个GAALAS光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构。适合于IGBT或电MOSFET栅极驱动电路。图42为TLP250的内部结构简图。TR1TR2OOOOOO235678VCCVOVOGNDVFIFICC图42TLP250的内部结构简图对驱动IGBT电路的一般要求1）栅极驱动电压IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在1220V之间。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。但是，为了保证IGBT在集电极、发射极电压上出现DV/DT噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应该在515V之间。102）串联栅极电阻（RG）选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。所以，较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性（可避免DV/DT带来的误导通），但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。3）栅极驱动功率IGBT要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的差值UGE、栅极总电荷QG和工作频率FS的影响。电源的最大峰值电流IGPK为/GGECPKRUI电源的平均功率PW为SWFQ42IGBT转换电路的设计图43是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。S1S2S3S4D1D2D3D4制制制制制制制制制URUCUGE1UGE2UGE3UGE4LRLCUOE图43单相桥式电压型逆变电路设负载为阻感负载，工作时S1和S2的通断状态互补，S3和S4的通断状态也互补。具体的控制规律如下在输出电压的正半周，让S1保持通态，S2保持断态，S3和S40U交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，S1和S4导通时，负载电压等于直流电压；S4关断0UE时负载电流通过S1和D3续流，。在负载电流为负的区间，仍为S1和S4导通时，0因为负，故实际上从D1和D4流过，仍有；S4关断，S3开通后，从S3和D1OIOIEUOOI续流，。这样，总可以得到和零两种电平。同样，在的负半周，让S2保持0U0U0通态，S1保持断态，S1和S4交替通断，负载电压可以得到和零两种电平。1201143滤波器电路的设计最简单也是最常用的变频器输出滤波器是由LRC组成低通滤波器，如图44A。图44B为滤波器的单相等效电路。电感作用是抑制变频器产生的高次谐波通过；电容为变频器产生的高次谐波提供旁路；电阻则起阻尼作用，防止或抑制谐振的产生。13低压变频器滤波器设计已经较为成熟，理论上L和C的值足够大，就可以使输出电压波形非常接近正弦，但在容量较大的中压变频器滤波器设计时必须综合考虑基波压降、有功损耗、电流谐波和谐振等问题。LRCLRRLCU2U1I1I0IFALRC滤波拓扑结构B滤波器的单相等效电路图44LRC滤波器及其单相等效电路为简化分析，不计电缆参数分布性，电动机用等效RL串联模型代替。由滤波器的单相等效电路可得4/32/11012FMFFPIFUMFZUIHZLJ式中为未加滤波器时变频器输出电流0CJRLJZFMM/1若所选滤波器元件参数满足下式550/1/MRLC可将式14适当简化得1271622222MMUMMRLCHZ9/82ZUFPI谐振频率为211/XMXFLCF且为避免谐振发生并使在FC附近谐波得到较好抑制，应满足下式10MIN502AFCFX所选滤波器参数除应满足式5和式10外，还应计算引入滤波器后电压谐波含有率、电流谐波含有率和有功损耗是否满足要求。以上各量可由下式求得1332/122122RULCRIPILUCFOHFFONHRMNHR式中UONHR为滤波前变频器输出电压N次谐波含有率；IONHR为滤波前变频器输出电流N次谐波含有率；UFCOHR为滤波前载波频率附近电压谐波含有率。因此，滤波器设计就是把式5、10作为约束条件，式1113为目标函数的一个优化问题。13第五章系统软件设计51AVR软件开发工具的介绍AVR软件开发工具有很多，包括AVRSTUDIO4、IAR、ATMANAVR等。这次我采用的是AVRSTUDIO4进行本系统的软件设计。下面介绍一下它的开发步骤。首先下载和安装AVRSTUDIO4。启动AVRSTUDIO4的方式如下点击开始程序ATMELAVR工具。AVRSTUDIO启动后，你将看到一个对话框。我们需要创建一个新的项目，点击“CREATENEWPROJECT”按钮。然后配置项目参数，这个步骤包括选择我们要创建什么类型的项目，设定名称以及存放的路径。接着选择调试平台，AVRSTUDIO4软件可以让客户选择多种开发调试工具。这样就创建好了一个工程项目。这样，我们就可以在编辑窗口中编写程序了。编辑完成并且编译通过之后，我们就可以对程序进行仿真了。在仿真时还需要对熔丝位进行配置，进行此配置对AVR的内部资源进行分配。在熔丝位配置界面，前面的方框打上勾则表示该位被选上，该位为0。但在设置过程中要小心谨慎，以免锁死单片机。1452软件程序PWM波形的产生是在单片机中，由于要求精度高，因此单片机采集数据的速度要快，这样才能降低输出波形的失真程度，同时也可以减小IGBT的发热程度。521主程序14图51总体流程图总体程序流程图如图51所示。当单片机上电时，首先要对单片机的端口进行初始化，ATMEGA16单片机与51单片机不同，AVR端口是真正的双向端口，不像51伪双向。这也是AVR的一项优势，只是操作时大家注意DDRN就可以了。真正双向端口在模拟时序方面不如伪双向的方便。DDRNPORTNPINN解释N为端口号ABCDEDDRN控制端口是输入还是输出，0为输入，1为输出。个人记忆方法一比零大所以往外挤，即1为输出，0为输入。PORTN从引脚输出信号，当DDRN为1时，可以通过PORTNX等端口操作语句给引脚输出赋值。PINN从引脚读输入信号，无论DDRN为何值，都可以通过XPINN获得端口N的外部电平。当引脚配置为输入时，若PORTXN为“1“，上拉电阻将使能。内部上拉电阻的使用在键盘扫描的时候还要说到。端口引脚配置DDXNPORTXNPUDINSFIORI/O上拉电阻说明00X输入NO高阻态HIZ010输入YES被外部电路拉低时将输出电流011输入NO高阻态HIZ10X输出NO输出低电平漏电流11X输出NO输出高电平源电流如果有引脚未被使用，建议给这些引脚赋予一个确定电平。最简单的保证未用引脚具有确定电平的方法是使能内部上拉电阻。但要注意的是复位时上拉电阻将被禁用。如果复位时的功耗也有严格要求则建议使用外部上拉或下拉电阻。不推荐直接将未用引脚与VCC或GND连接，因为这样可能会在引脚偶然作为输出时出现冲击电流。定时器的初始化是为了使得单片机能够精确采集数据，单片机在输出PWM波时的频率稳定，并按照一定的频率在两个输出口输出PWM波。从而能够得到稳定的输出信号。初始化完成后，则单片机就开始采集数据，此数据是脉冲数据，从单片机端口输出也就是产生正弦波的载波信号。522PWM波形产生PWM波形流程图如图52。由ATMEGA16单片机自身具有四通道PWM，如8位的定时器/计数器0具有PWM功能，它可以产生无干扰脉冲，相位正确的PWM。而16位的T/C可以实现精确的程序定时（事件管理）、波形产生和信号测量，具有允许16位的PWM、2个独立的输出比较单元、双缓冲的输出比较寄存器、比较匹配发生时清楚寄存器（自动重载）、无干扰脉冲，相位正确的PWM、可变的PWM周期等特点。因此采用16位的T/C产生PWM波形，PWM产生模式有快速PWM模式、相位修正PWM模式、相位与频率修正PWM模式三种。本系统采用相位与频率修正PWM模式。15相位与频率修正PWM模式的PWM分辨率可由ICR1或OCR1A定义。最小分辨率为2比特ICR1或OCR1A设为0X0003，最大分辨率为16位ICR1或OCR1A设为MAX。PWM分辨率位数可用下式计算2LOG1TOPRPFCWM图52PWM波形流程图工作于相频修正PWM模式时，计数器的数值一直累加到ICR1WGM1308或OCR1AWGM1309，然后改变计数方向。在一个定时器时钟里TCNT1值等于TOP值。具体的时序图为图53。图中给出了当使用OCR1A或ICR1来定义TOP值时的相频修正PWM模式。图中柱状的TCNT1表示这是双边斜坡操作。方框图同时包含了普通的PWM输出以及反向PWM输出。TCNT1斜坡上的短水平线表示OCR1X和TCNT1的匹配比较。比较匹配发生时，OC1X中断标志将被置位。16图53相位与频率修正PWM模式的时序图工作于相频修正PWM模式时，比较单元可以在OC1X引脚上输出PWM波形。设置COM1X10为2可以产生普通的PWM信号；为3则可以产生反向PWM波形。要想真正输出信号还必须将OC1X的数据方向设置为输出。产生PWM波形的机理是OC1X寄存器在OCR1X与升序记数的TCNT1匹配时置位或清零，与降序记数的TCNT1匹配时清零或置位。输出的PWM频率可以通过如下公式计算得到TOPNFFICLKOCNXPFWM2/_变量N代表分频因子1、8、64、256或1024。OCR1X寄存器处于极值时说明了相频修正PWM模式的一些特殊情况。在普通PWM模式下，若OCR1X等于BOTTOM，输出一直保持为低电平；若OCR1X等于TOP，则输出保持为高电平。反向PWM模式则正好相反。如果OCR1A用来定义TOP值WGM1309且COM1A101，OC1A输出占空比为50的周期信号。1517第六章系统参数测试与分析61输出的PWM波形参数的测试与分析实物制作完毕后，我对实物进行了测试16图61PWM波形测试单片机PWM波形输出脚输波形如图61，表明单片机输出波形正确。1要使驱动芯片TLP250能够正常工作，必须加一电压使其导通，因此，对TLP250分别加以不同的输入电压观察输出情况。测试结果见表61表61输入电压测试结果输入电压0V5V10V15V20V25V输出波形效果无波形无波形正弦波形正弦波形正弦波形正弦波性输出幅值94V14V20V237V2由于单个IGBT长时间导通，会使得IGBT烧坏，并会导致稳压二极管以及电容烧坏，因此，我对两组IGBT输入不同的切换频率，并观察经过转换后输出的波形情况。测试结果见表62表62输入频率测试结果（在输入电压为20V的情况下）从上面两个表格中的数据，我们可以看到，在输入电压为20V，输入频率为50HZ的情况下，系统的输出波形与我们想得到的结果非常接近。所以，总体来说，本系统的稳定性还是比较好。测试系统的最终输出波形如图62所示。输出正弦信号。输入频率IGBT发热情况二极管状态输出波形输出频率1HZ发烫烧坏方波1HZ2HZ发烫烧坏方波2HZ10HZ发热发热锯齿波10HZ20HZ正常正常锯齿波20HZ50HZ正常正常正弦波50HZ18图62输出波形62其他参数的测试与分析对系统其余的部分检测也同样分别输入不同的电压以及不同的频率进行了测试。由于其他模块受这些因素的影响较小，各模块均没有太多变化，基本保持正常。19第七章结论历时五个月的设计过程终于完成了。通过一系列的检测、调试，系统基本趋于稳定，基本上完成了预定目标。但其中还存在着一些缺陷，比如如果给IGBT加的电压过大，会导致IGBT发烫，如果这种情况发生，则在本系统中无法处理。因此，在实际应用中，要对IGBT进行过热保护，可用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护。由于在实际中没能买到功率大的电阻，因此如果输出功率较大时，滤波电路中的电阻会发烫，所以要用在实际中，必须更换大功率的电阻。20参考文献1通过搜索引擎搜索关键字IGBTPWM逆变2赵同贺，开关电源设计技术与应用实例/电能变换与应用丛书M，北京人民邮电出版社，2007年3月,2103黄智伟，王彦全国大学生电子设计竞赛训练教程M北京电子工业出版社，2004年，86944潘琢金，孙德龙，夏秀峰C8051F单片机应用解析M北京北京航空航天大学出版社，2002年，23305赵莉。华东交通大学学报J，1999年，16（3），236浣喜明，姚为正，电力电子技术M，北京高等教育出版社，2001年，1041107周志敏，周纪海，开关电源实用技术设计与应用M，北京人民邮电出版社，2003年8月，1621818陈永真，孟丽囡，高效率开关电源设计与制作M，北京中国电力出版社，2008年，1241309陈国呈，PWM逆变技术及应用M，北京中国电力出版社，2007年7月，254010刘凤君，多电平逆变技术及其应用M，北京机械工业出版社，2007年4月，20226411JAIPAGRAWAL，POWERELECTRONICSYSTEMSTHEORYANDDESIGNJ，BEIJINGTSINGHUAUNIVERSITYPRESS,2001（8），3412王兆安，黄俊电力电子技术M北京机械工业出版社,2000年，15015613DUDIARENDUSARAANIMPROVEDINVERTEROUTPUTFILTERCONFIGURATIONREDUCESCOMMONANDDIFFERENTIALMODESDV/DTATTHEMOTORTERMINALSINPWMDRIVESYSTEMSJIEEETRANSONPOWERELECTRONICS,1998年,136，1135114314查阅HTTP/WWWATMELCOMCN网站中的相关内容15AVR单片机产品的数据手册16谢自美电子线路设计、实验、测试M湖北华中科技大学出版社，2000年，21021721结束语在几个月的实验室生活中，我们学会了很多书本上学不到的东西。加强了自己的动手实践能力，深深体会到实践的乐趣与成功的兴奋。在严师益友的帮助下,在良好的科研氛围内，学习、钻研、创新是一种乐趣，创新、设计成为了我的主导思想。几个月实践经验告诉我们，勤动手多动脑是开发智力，取得科研成果的最佳途径。是实现理论联系实践，实践推动理论创新的正确方法。我们曾经困惑过曾经郁闷过，但是从一次一次的失败中走来，深深体会到其实，每一次的失败都为我们下一次的成功带来了曙光建议多引进先进实验设备和仪器，最好带有较多的配套实验及开发板，以供实验和开发扩展。22致谢本文是在我的导师李英辉老师的悉心指导下完成的。衷心感谢我的导师李英辉老师，导师渊博深厚的学识，敏锐的眼光，精辟的见解，创新的开拓精神，严谨认真的治学风范，勤奋谦逊的工作态度，以及忘我的工作精神是我终身的学习楷模，导师对我耐心的指导和严格的要求使我的学习有了不断提高和许多收获，并将继续激励我在今后的工作中克服困难，迎接挑战。真诚的向尊敬的导师致以崇高的敬意本人的论文得以完成，与所有的授课老师以及全体同学的启发和帮助是密不可分的，在此向他们表示衷心的谢意特别要感谢我的家人对我学习期间的理解、支持与鼓励计算机技术和网络技术日新月异地飞速发展，人们总是处在不断学习阶段，再加上作者水平有限，所以本文肯定存在不少错误和不尽如人意之处，欢迎广大老师和同学批评指正，在此深表感谢。23附录附录1元器件细明表器件名称数量备注万用板2ATMEGA161GT60N3214IGBTTLP2504稳压二极管IN47334电阻5104电阻5141W电阻10K4电容10410可调电源130V5V电感1H1电阻1K1焊锡丝若干导线若干24附录2系统电路V1V3V2V4VD1VD2VD3VD418273645U1TLP250R251/1WC1104C2104D1IN4733R110K30VCON1CON1PY4PY4CON4CON2CON318273645U2TLP250R451/1WC3104C4104D2IN4733R310K30VCON218273645U3TLP250R651/1WC5104C6104D3IN4733R510K30VCON318273645U4TLP250R851/1WC7104C8104D4IN4733R710K30VCON4PY1PY3PY3PY1R9510R10510R11510R12510PWM1PWM2PWM1PWM2PB0XCK/T01PB1T12PB2INT2/AIN03PB3OC0/AIN14PB4SS5PB5MOSI6PB6MISO7PB7SCK8RESET9VCC10GND11XTAL212XTAL113PD0RXD14PD1TXD15PD2INT016PD3INT117PD4OC1B18PD5OC1A19PD6ICP120PD7OC221PC0SCL22PC1SDA23PC2TCK24PC3TMS25PC4TDO26PC5TDI27PC6TOSC128PC7TOSC229AVCC30GND31AREF32PA7ADC733PA6ADC634PA5ADC535PA4ADC436PA3ADC337PA2ADC238PA1ADC139PA0ADC040U1ATMEGA16PWM1PWM2VCCVCCOUT1OUT2L11HR21R20C2010412J4制制OUT1OUT2Y18MC2033C2133VCCR501KC2210UF/16VVCC25附录3主要程序STATICVOIDIO_INITVOID/WIZARD_MAPGENERAL/WIZARD_MAPGENERAL/WIZARD_MAPI/OPORTS/PORTAPORTA0X0DDRA0X0/PORTBPORTB0X0DDRB0X0/PORTCPORTC0X0DDRC0X0