PWM控制逆变电源的设计

PWM控制逆变电源的设计概述1.1课题背景在当今社会，逆变电源的使用很广阔。在现在的很多电源当中，干电池、太阳能电池、蓄电池等都是直流电源，当利用这些逆变电源向交流负载供电时，就需要用到逆变电源。还有，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置应用的非常广泛，这些应用的核心都是逆变电路。此外还可应用于电力系统的无功补偿器或谐波补偿器。而且在医院、机场、工厂中的很多设备对电源的要求越来越高，不仅对供电的连续性提出了很高的要求而且对输出电压的波形、频率也有很高的要求。对所含有的谐波分量也有严格的控制。逆变电源在现代化的进程中也扮演着重要的角色。这几年全球换进恶化、污染严重、煤炭石油等不可再生资源越来越缺乏，为了节约资源太阳能发电、风力发电得到了快速的发展。最初所使用的控制电路控制的逆变电源结构简单、易实现，但是所使用的的电路元件比较多且体积比较大，所带来的成本就比较大这样就使得性价比比较低，效益不高。除了成本的高昂，此外，电器元件受环境的影响是比较大的，所以在复杂的工作场所是难以满足要求的。这就驱使着数字信号微处理器DSP的迅速崛起，并且电力电子器件发展的也是非常迅速，比如全控型器件绝缘栅晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO、场效应管MOSFET。但是数字式逆变电路仍有些不足的地方就是如果逆变电路的负载时非线性负载的话输出的电压波形会存在着畸变的现象。但是随着电力电子技术的发展这些问题将会被克服。1.2逆变电源的现状逆变电源第一次被提出来是在20世纪中期左右。在早期的时候对逆变电路输出的电压的要求不高只要求输出的电压幅值满足要求、频率满足即可。而现代对电压的要求是很高的，从电压的幅值、频率、波形等方面都提出了很高的要求。尤其在现代大多数的负载都是变压器、电动机、锅炉等非线性的负载，这就使得输出的电压波形含有很多的谐波成分。并且很多的谐波流进到电网会使得电网电压有谐波污染，还会占用很多的电网容量。因此单单考虑电压的幅值已经是不能满足要求了，还要考虑谐波等因素。传统的逆变技术的发展大致分为两个阶段，第一阶段是低频阶段。低频阶段使用的几乎都是低频的电力电子器件，这可以让输出的谐波含量比较多，而且功率因数比较低。电流谐波总畸变率THD比较大。第二阶段为高频阶段。逆变电路中使用的都是高频的电力电子器件，频率较高就会使得变压器，滤波电容、滤波电感的体积变小，可以减少滤波电感和变压器发出很大的噪音。但是近年来磁性材料和电力半导体器件的迅速发展，电路当中的频率可以达到几万赫兹到几兆赫兹，这样就可以大大的减少了重量和体积。当前就高频化逆变电路而言是一个比较热门的研究方向，他的主要目的就是提高变压器的性能和增加器件的开关频率。1.3逆变电源存在的问题就目前来说如何降低器件的开关损耗和电磁干扰是主要的要解决的问题。降低器件的开关损耗对于节约成本和资源来说是至关重要的，同时也要减少输出电压中的谐波，以防止对电网造成污染。与此同时逆变电源的体积也是个问题，因为要使用到滤波器，滤波电容、滤波电感的体积的大小也是很关键的，如果体积太大的话会占用很大的空间还会增加设计制造的成本1.4逆变电源的发展前景和趋势目前，逆变电源已经在各行各业中得到了迅速的发展和使用。而且近些年电力电子的技术发展迅速，电力电子器件的发展日趋完善和成熟，就比如全控型半导体器件和现代控制理论的发展，逆变电源的功能和稳定性得到了进一步的提高。逆变电源正向着智能化，高效率，低污染，低损耗的方向发展。1.5本课题完成的主要的任务1）熟悉pwm控制逆变电源中存在的问题；2）根据毕业设计者所确定的方案，自行确定pwm控制逆变电源的工作参数；3）pwm逆变电源具有相应的监测功能；4）采用模块化设计系统的控制软件；2系统总体设计及方案设计2.1系统总体设计根据此次对本课题研究的内容和要求，经过查阅资料和老师的指导分析可以得知，总体的设计包括主电路和驱动电路两个部分；其中主电路就是强电部分使用的是三相电压型逆变电路，还有就是在三相逆变电路中，其中应用最为广泛的就是三相电压型逆变电路。其中的驱动电路是用DSP来控制PWM来控制开关管的开通与关断。2.2方案的比较2.2.1单片机和DSP的比较单片机是一种系统设计方案，将计算机的CPU，定时器和多种接口集成在一片芯片上，可以应用在多种的场合。现在的小家电，比如说电磁炉，电冰箱，洗衣机这些产品都是有单面机开发而成的。DSP也是一种系统设计方法，它主要用在数字信号处理算法上面，音视频数据的解码，这样需要速度非常快的处理，普通的单片机达不到这么快的处理速度。DSP使用的是改进过的哈佛结构，数据和指令不是连在一起的是独立分开的，而且他还拥有很多个数据空间和指令空间，这样就可以大大的提高了运行的速率。DSP还设有专门的一些运算处理器，这样很大程度上提高了DSP的运算速率。

所以在以上的比较之中可以看出DSP在处理数字信号方面具有显著的优越性。而且根据我的市场调研，在询问发现很多公司做逆变电源确实是用的DSP进行控制。所以根据以上的分析我选择了DSP。2.2.2逆变电路的选择强电分部也就是主电路是逆变电路，但是逆变电路的种类是很多的，比如有单相电压型逆变电路、单相电流型逆变电路、三相电压型逆变电路、三相电流型逆变电路等等。但是根据现实的调查可以发现在实际应用中依然是三相电压型逆变电路使用的最多，所以本次设计是用三相电压型逆变电路将直流电变成交流电源，然后将得到的交流电源供给小型的交流电机使用。三相电压型逆变电路可以看成是由三个半桥逆变电路组成。主电路的原理图如下图2.1所示图2.1三相电压型逆变电路原理图2.2.3开关管的选择逆变电路上所用的器件没有使用半控型器件。因为半控型器件的关断不利于控制，如果要使得晶闸管关断的话需要附加强迫关断的电路，这样就使得电路比较复杂，所以我选择全控型的器件。全控型器件的选择上我选择了MOSFET没有选择IGBT。电力MOSFET在导通时只有一种极性的载流子参与导电，所以电力MOSFET就是单极型晶体管。电力MOSFET工作在开关状态，也就是在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。在正常情况下，MOSFET不存在二次击穿的问题，在正常情况下只适用于功率不超过10kw的电力电子装置。但是IGBT不同，IGBT却是能够适用于大功率的场合，但是在本次设计中功率较小，所以我选择了电力MOSFET。在MOSFET的两端反并联上晶闸管构成逆导开关。这个反并联的二极管的作用就是如果电源接的负载时感性负载那么就需要负载侧向电源侧进行反馈无功功率能量，这个反馈的无功功率就通过就通过这个反并联的二极管来流通。如果不接这个二极管那么无功功率就没有地方流通，能量就没有地方释放有可能就会产生很高的温度，对开关管造成损害。3系统的硬件设计与实现3.1主电路的设计主电路使用的是三相电压型逆变电路。三相电压型逆变电路最大的特点就是直流侧并联有大电容进行直流储能使得直流侧为一个恒定的直流电压源，从而使得PWM桥式逆变电路直流侧呈低阻抗特性。逆变电路的本质就是将直流电变换成交流电的电路。逆变电路中的换路就是电流从一条支路流到另一条支路的过程，换流通常也被称为换相。在换相的时候，其中有的支路是从断态转向通态，有的支路则是由通态变成断态。当断态变成通态得时候，不管电路是全控型器件还是半控型器件组成的，只要在门极上施加一定的驱动信号，就可以使得器件导通。但是由通态变为断态的时候就有所不同。对于全控型器件在门极施加信号可以控制器件的导通或者关断，但是对于半控型器件就比如晶闸管来说，就不能够通过对门极的控制让它关断，而必须要通过外加的电路来使其强迫关断。正常来说，通过施加反向电压可以使晶闸管关断，但是施加反向电压的时候必须要在流过晶闸管的流过过零之前，才能使其关断。通过以上的分析我们可以发现，晶闸管电路的关断是极其复杂的，这个要比开通复杂很多，所以要使用全控型器件。三相电压型逆变电路是由三个单相逆变电路构成的，而电压型逆变电路的直流侧一般都是并联一个大电容，这个大电容的目的就是使输入的直流电源为一个恒定的直流电源，直流侧几乎是没有脉动的。以方便分析可以将直流侧并联的一个大电容分解成两个串联的小电容。三相电压型逆变电路的工作方式是180度的导电方式，这个是和单相半桥电路、单相全控型电路的工作方式是相同的，也就是每个桥臂的导电角度为180度，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依次相差120度。这样的导电方式的特点就是在任一时刻都会有三个桥臂导通。有可能是上面两个桥臂下面一个桥臂导通，也有可能是下面两个桥臂上面一个桥臂同时导通。这种的换流方式是纵向换流，也就是因为换流是在同一相的上下两个桥臂进行的。逆变电路是整个逆变电源的核心部分。在逆变电源当中，其中逆变电路所使用的器件能够直接影响着逆变电源的指标参数和性能。例如现在大量使用的电子镇流器、不停电电源UPS、交流电机的调速、高频和中频感应加热电源，同时还可以使用在电力系统当中作为无功补偿器和谐波补偿器。逆变电路的强电部分当中的器件主要使用的是全控型器件如MOSFET和IGBT等。要使这些全控型器件关断就需要相互独立的驱动电路，并且还需要实现驱动电路和主电路的电气隔离，以防止驱动电路收到主电路的电磁干扰。因为主电路的电压等级一般比较高，而驱动电路的电压一般比较低，所以要隔离，并且驱动电路的供电电源需要相互隔离。这就增加了电源的设计困难和成本，并且使得驱动电路的设计变得复杂。如下图3.1.1所示为原理框图图3.1.1电源原理框图3.2控制电路的设计以前传统的逆变技术大多是数字和模拟控制相结合的控制形式，但是此控制方法有着很明显的劣势。大致的缺陷如下：系统的灵活度不够，硬件电路如果完成以后，控制策略就不能够轻易的改变。并且控制电路中的元器件很多，这就会造成整体的体积比较大，会使得整体的机构比较复杂，而且成本也会增加。最后由于模拟器件工作点的漂移，而且元器件间特性的差异，就这会使得系统的参数会发生漂移。所以说这就导致传统的逆变电源在很多场合已经不再适用了。这些原因就会推动着DSP（数字信号处理器）的发展，这样数字电源便应运而生了。逆变电源的控制模块是由DSP组成的，按键部分和显示部分构成了控制模块。其中CPU使用的是T1公司生产的TMS320LF2407,它具有着高速的信息处理和数字化处理的功能。此外，这个DSP有着8个16位的脉宽调制（pwm）通道，它所拥有的功能为：PWM的对称和非对称波形的输出，如果PDPINTx低电平时就可以迅速的关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下两个桥臂同时输入处罚脉冲；显示部分可以使用三八译码器和M74HC244来驱动6个LED；M74HC244用来控制LED的段码；6个LED的位码可以由74HC138来控制，这样电源的工作参数就可以通过这个来显示出来了。如下图3.2.1所示为DSP系统的显示模块图3.2.1DSP系统的显示模块这当中的按键是通过8个按键经过上拉电阻接到TMS320LF2407的I/O管脚上的，这其中包含着复位键和参数复位键。如下图3.2.2所示图3.2.2DSP系统的按键模块TMS320LF2407a：高性能静态CMOS技术，提供的电压为3.3v，指令的周期为33ns；片内有高达32k字的FLASH程序存储器；2KBSARAM,544字DARAMA,外扩64千字的程序ROM，64千字的数据RAM；两个事件管理器EVA和EVB；可扩展外部存储器总共192k字空间：64k程序存储空间，64k字数据存储器空间，64k字I/O寻址空间；0看门狗定时模块；具有10位A/D转换；控制局域网络CAN模块；串行通信接口SCI模块；16位串行外设SPI接口模块；基于锁相环PLL的时钟发生器；高达40个可单独编程或复用的通用I/O引脚；5个外部中断；电源的管理有着3种低功耗模式，能够使得外设器件变成低功耗工作模式；PWM控制得实质就是对脉冲的宽度进行改变的一门技术。就是通过对一些脉冲进行宽度的改变，这样就可以获得等效的波形。PWM控制技术在逆变电源当中使用的最多最广泛，它对逆变电源的影响也很大。在如今大量的逆变电路当中，绝大多数使用的都是PWM型逆变电路。所以也可以这么多PWM控制技术也是得益于逆变技术的发展，才发展的比较完善。脉冲宽度调制的方法可以有两种，一种是计算法，一种是调制法，但是由于计算法他的过程是比较复杂的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法不同的另一种就是调制法，就是把接受调制的信号作为载波，把希望输出的波形作为信号波，这样可以通过调制信号波得到所想要的波形。一般情况下使用的是锯齿波和三角波作为载波信号，当中的等腰三角波使用的范围是比较广的。这是因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，所以当等腰三角波和一个调制波相交时，一般都是在信号波和载波相交的时候对电路中的器件进行控制通断，这样就可以得到了正比于信号波的脉冲信号，这样的话就正好符合了PWM控制的要求了。当调制信号是正弦波的时候，这样得到的脉冲就是SPWM波形，这样的调制的方法也是最为广泛的。另外就是当调制信号不是正弦波的情况，而是其他所需要的波形时，这样也是可以得到与之等效的PWM波形。在PWM控制电路中，载波比就是载波信号的频率fc与信号波的频率fr的比值。我们可以通过观察信号比与载波是否同步及载波比的变化情况，可以将PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。异步调制就是载波比会变化的不是固定不变的，也是就是载波频率和信号波的频率比值不固定叫做异步调制。在一般的情况下异步调制都是保持载波信号的频率是不变的，而是通过改变信号波的频率，这样可以看出载波比就是变化的了。还需要注意的是，在信号波的半个周期内，由于PWM脉冲波的相位是不一定的，脉冲的数量也是不固定的。在半个周期当中前后1/4个周期的脉冲也是不对称的。当信号波的频率较低时，而载波的频率保持不变，这样的话可以使得载波比就比较大，在一个周期内的脉冲数量就会变得很多，这样的情况之下半个周期中前后四分之一的不对称和一个周期内正负脉冲带来的不对称的影响就会很小，PWM波形更加逼近正弦波。但是当调制信号的频率比较低的时候，这个时候得到的载波比就会比较的小，一个周期内脉冲数比较少，PWM脉冲波不对称带来的影响就会比较大。这样看来的话，在使用异步调制的时候就尽可能采用较高的载波比，这样就可以使得当调制波频率比较高的时候可以获得较大的载波比。同步调制的定义就是载波比保持不变为常数，当频率变化时载波信号和信号波保持一致的调制方法称为同步调制。对正常的同步调制而言，调制波频率变化时载波比是保持不变的，PWM脉冲波在一个周期当中输出的脉冲数量是一定的，输出脉冲的相位也是不变的。当逆变电源输出频率比较低的时候，同步调制时的载波频率fc也很低。缺点就是载波频率太低的时候会就会带来不好的影响，比如会使得电路输出的谐波不好滤除。还有就是当负载时电动机的时候电动机会发出很大的噪音。此外就是当输出的频率较高的时候，就让载波的频率会很高，这样就会使得电路当中的开关的器件难以承受。以便解决上述的缺点，人们一般都是采用的是分段同步调制的方法。也就是根据逆变电路输出的频率把它划分成几个段、区间，接着在不同的频率区间里我们采用不同的载波比。当输出的频率比较低的时候我们采用比较高的载波比，这样可以使得载波的频率不会变的很高，这样就可以在开关器件能够承受的范围之内。当输出频率比较高的时候就会采用较低的载波比，这样的话就不会因为频率比较低会对造成不好的影响产生噪音。我们使用正弦波作为调制信号，利用正弦信号波对三角波进行调制的时候，当载波比比较高的时候，电路输出的PWM脉冲波就不会含有低次的谐波分量，而只会含有与载波频率有关系的高次谐波分量。3.3驱动电路的设计本次设计并没有使用一般以往的模拟电路的设计，取而代之使用了IR公司的专门驱动芯片IR2136，使用这个芯片会让整体的驱动电路变成很可靠。如下图3.3.1所示，这个芯片一般是用来驱动全控型器件如IGBT和电力MOSFET的专用芯片，使用这款芯片来驱动的话具有很多优势和好处，比如：它具有完善的过电流和欠电压保护功能；这些应用可以大大提高系统的可靠性和系统的集成度，另外也可以大大简化了驱动电路的设计；这个芯片的内部采用了自举技术，可以使得器件的驱动电路仅仅只要一个直流电源的输入，这就可以实现了对全控型器件MOSFET的最优驱动。图3.3.1IR2136驱动MOSFET的原理图3.4光耦隔离电路的设计因为由于主电路是强电部分，而控制电路是弱电部分。我们在使用弱电来控制强电的时候，由于两个部分的电压差比较大，强电部分可以达到几百伏而弱电部分只有几伏，所以两个部分需要进行隔离。假如不对IR2136进行隔离的话，一旦主电路当中的全控型器件发生击穿的话，那么高电压就可以把IR2136直接击穿，这样就会把器件永久性的损害，这就会造成巨大的经济损失。进行隔离的方式可以分为两种一种是电气隔离一种是磁隔离，电气隔离使用的就是脉冲变压器，磁隔离可以使用光耦隔离器。所以当IR2136的输入信号来自微处理器的时候，这样就一定需要进行隔离。而且又由于IR2136是在高压侧进行驱动的，所以一般都是在低压侧进行隔离，这样就可以使用一般的光耦隔离器，也可以降低经济的成本。如下图3.4.1是光耦隔离系统.使用6个光耦合器分别来隔离6路的PWM信号。控制电路也就是弱电部分则利用一个3.3v的电压源进行提供电能，这个电压由DSP系统来供电。主电路也就是强电部分，是用一个5v的电压源来提供电能，这个需要独立的电源。所以光耦电路需要两个电源进行供电。但是需要注意的是，主电路和控制电路的电源需要独立，不然就是去了隔离的意义了。图3.4.1光耦隔离系统3.5过电流保护电路的设计在逆变电路的设计当中也要考虑过电流的因素，如果保护不当的话会产生过大的电流，一旦电路中产生多大的电流是会产生严重的后果的。严重时候就能够击穿电路中的元器件，造成永久的损害。IR2136芯片的FAULT管脚有过电流或有失压故障输出功能，通过这个信号就可以实现电源的软件保护功能。ITRIP管脚为过电流信号输入端