逆变稳压电源设计

1、.,基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计与仿真,研究生：王一铧指导老师：黄耀志教授,.,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单片机控制的新型逆变稳压电源，先用MATLAB语言的电力仿真工具箱SimPower对所设计的系统进行仿真，分析其可行性，在此基础上，对所设计的电源系统进行调试。,.,本课题所设计逆变电源的参数要求：1、输入电压：市电三相电源380VAC；2、输出电压：输出为单相220VAC(有效值)、频率为50Hz的稳压电源；3、输出功率：3KW，允许过载10；4、整机效率：设计目标为90；5、稳压精度：小于2。,.,基本原理,.

2、,IGBT管的基本原理与特性,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，开关时间速度快，是同容量GTR的1/10。,.,IGBT是一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管导通：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。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。,.,IGBT的伏安特性和转移特性IGB

3、T的伏安特性如图所示，UGE越高，IC越大。IGBT的转移特性曲线。当UGEUGE(TH)(开启电压，一般为36伏)时，IGBT开通，当UGEuc时，使开关管T1、T4导通，T2、T3关断，此时，u0=Ud；当uruc时，使开关管T2、T3导通，T1、T4关断，此时，u0Ud。为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟t时间，然后给另一个臂施加导通信号,.,系统硬件设计,.,系统总体介绍,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220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦波交流电压输出。CPU根据输出采样电压值来

4、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。,.,电源主电路,.,输入EMI滤波器的设计,KT-3H4-20型三相三线滤波器1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。2防止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。,.,输入整流滤波电路的设计,一、三相桥式整流电路的设计本电源是大功率电源，为了保持三相交流电源的对称性和减小电源的输入滤波电容等原因，我们采用三相电源作为供电电源。整流二极管的峰值反向电压为：Uin.max1.414=380

5、(1+10%)1.414=591V取50的裕量591(1+50%)=887V电源的输入功率Pin.maxP输出/80%=3750W最大输入线电流Iin.max=3750/Uin.min/1.732=6.33A选用富士公司生产的2RI60G-120（60A/1200V2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通过直流回路的平均电流最大值Idc.max为Idc.maxPin.max/Udc.min=3750/462=8.12AUdc为三相电源电压最低时整流输出的直流电压的平均值Udc.min1.35380(1-10%)=462V三相整流电路的滤波电容公式为：C=

6、133200Idc.max=2008.12=1626uF本系统中输入滤波电容取1600uF，选用2个2200uF/450VDC电容和2个1000uF/450VDC电容两两串联再并联组成。,.,三、输入滤波电感的设计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Pmin=2000WPin=2000/80%=2500WIdmin=2500/(1.353801.1)=4.43AL=0.013Uin.max/(314Idmin)=0.0133801.1/(3144.43)=3.9mH取4mH。,.,IGBT的选择,整流滤波后输出的最高直流电压为Udc.max=3801.11.414=591V

7、取50的裕量，则IGBT的最低耐压为U=Udc.max(1+50%)=5911.5=886.5V直流母线上的最大直流电流为Id.max=Pin.max/Udc.min=3750/462=8.12A其中Udc.min=1.35380(1-10%)=462V选用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。,.,输出LC滤波电路,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。,.,RCD缓冲电路的设计,缓冲电路

8、是一种保护电路，其目的是在IGBT关断时防止在IGBT上产生过电压，另外它也能改变IGBT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。在本系统中，IGBT开关速度快，当IGBT由通态迅速关断时，在主回路的布线电感上会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，有损于IGBT。,.,RCD缓冲电路,缓冲电容尽量用无感电容。缓冲二极管必须是正向过渡电压低，反向恢复时间短、反向恢复特性软的二极管。接线时，应尽量使Cs、Ds紧靠IGBT，以减小分布电感。,.,缓冲电路参数的计

9、算,Cs式中，Lm=1uH/m；I0=2Ic(额定值)；Ucep=0.9Uces；Ed=600V。本系统设计中，Lm取2uH，I0=2Ic=50A，Ucep=0.9Uces=1080V，Ed=600V，计算Cs0.022uF,取30nF。Rs2.48KP(RS)10146W,.,采样电路及A/D转换电路,.,SPWM波产生芯片SA4828及其应用,/RST:硬件复位引脚，复位后，寄存器的/CR、WTE和RST各位为0。SETTRIP:通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。MUX:高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用。RPHT输出经两个EXB841

10、控制1、4号IGBT，RPHB经两个EXB841控制2、3号IGBT,.,脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲。脉冲延迟电路生成死区时间，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。三种可供选择的波形，它们是纯正弦波形，增强型波形和高效型波形。8个8位寄存器R0-R5和R14、R15。R0-R5用来暂存来自单片机的数据，向R14写操作时，将R0-R5中存放的48位数据送入初始化寄存器，当向R15写操作时，R0-R5中存放的48位数据送入控制寄存器。,.,SA4828与单片机的连接,寄存器R0R5的地址：0000H0005H虚拟寄存器R14、R15的地址：000EH、000FH,.,SA4828

11、的编程,初始化寄存器通常在程序初始化时定义，在电源工作期间不应该改变它们，如果一定要修改，可先复位SA4828或用控制寄存器中的/INH位来关断SPWM输出，然后再进行修改。控制寄存器值可在程序中改变，用来控制输出电压的频率或幅值。,.,1、初始化编程76543210R0FRS2FRS1FRS0CFS2CFS1CFS0R1PDT6PDT5PDT4PDT3PDT2PDT1PDT0R2PDY5PDY4PDY3PDY2PDY1PDY0R3AC00WS1WS0R4WD15WD14WD13WD12WD11WD10WD9WD8R5WD7WD6WD5WD4WD3WD2WD1WD0(1)载波频率设定设定字由C

12、FS0-CFS2这三位组成fCARR=本系统中，fclk为6MHz，载波频率fcarr取5.85KHz，可求得n=0，所以CFS为000。,.,(2)调制波频率范围设定设定字由FRS0-FRS2三位组成，frange=本系统中，frange=122Hz，可求得m3，所以FRS为011。(3)脉冲延迟时间设定设定字由PDY0-PDY5六位组成，tpdy=本系统中，tpdy=6us，fcarr=5.85KHz，所以PDY等于46，于是R2为2EH。(4)最小删除脉宽设定设定字是由PDT0-PDT6这7位组成，tpdt=本系统中，实际输出最小脉宽为2us，则tpdt=6us+2us=8us，计算得P

13、DT10367H，所以R1为67H。,.,(5)调制波形的选择波形选择字由WS0、WS1两位组成，WS1、WS0为0、0时，输出的是纯正弦波，WS1、WS0为0、1时，输出的是增强型波，WS1、WS0为1、0时，输出的是高效型波。本系统中，WS1、WS0为0、0，即输出为纯正弦波。(6)幅值控制AC是幅值控制位，当AC=0时，控制寄存器中的R相的幅值就是其他两相的幅值；当AC=1时，控制寄存器中的R、Y、B相分别可以调整各自的幅值，以适应不平衡负载。本系统中我们只使用一相控制信号，所以AC0，即R3为00H。,.,2、控制寄存器编程76543210R0PFS7PFS6PFS5PFS4PFS3P

14、FS2PFS1PFS0R1PFS15PFS14PFS13PFS12PFS11PFS10PFS9PFS8R2RSTWTE/CR/INH/F/RR3Ramp7Ramp6Ramp5Ramp4Ramp3Ramp2Ramp1Ramp0R4Bamp7Bamp6Bamp5Bamp4Bamp3Bamp2Bamp1Bamp0R5Yamp7Yamp6Yamp5Yamp4Yamp3Yamp2Yamp1Yamp0(1)调制波频率选择选择字由PFS0PFS15这16位组成，fpower=本系统中，fpower=50Hz，frange=122Hz，所以计算得PFS2685968EBH，于是R0为0EBH，R1为68H。,

15、.,(2)调制波幅值选择通过改变调制波幅值来改变输出电压有效值，达到改变输出电压的目的。Apower=A的二进制数即为幅值选择字（即RAMP或YAMP或BAMP）。式中的Apower就是调压比。(3)其他设定RST是软复位位置0，不使用软复位功能；计数器复位位/CR置1；输出禁止位/INH置1，开通所有的SPWM信号输出；正反转选择位/F/R置0，正转。,.,集成化IGBT专用驱动器EXB841,.,6号端子经ERA3410接至主回路IGBT的集电极。当IGBT发生短路故障时，UCE将随IC急剧增大而增大。本来处于导通状态的ERA3410因此反向截止，驱动保护功能工作，触发电压UGE从15V慢

16、慢下拉到10V左右，IGBT可承受的短路时间增长。5号端子所接的光电耦合器动作，耦合器的输出端接至控制电路，使之锁住触发信号，保护了IGBT不继续导通。,.,使用EXB841应该注意的一些事项,(1)IGBT的栅、射极回路的接线长度一定要小于1m，且应使用双绞线。(2)电路中的电容器C10和C11用来平抑因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是作为电源滤波用。(3)增大IGBT的栅极串联电阻Rg，可抑制IGBT集电极产生大的电压尖脉冲。(4)IGBT属压控器件，当集射间有高电压时，很容易受外界干扰，使栅射电压超过UGE(th)，引起器件误导通，为了阻止这类现象的发生，在栅射间必须并接一只10K

17、的电阻。(5)开机的顺序应当是先让IGBT驱动电路工作，产生稳定的驱动波形，再让主电路工作。,.,系统保护电路设计,IGBT是比较脆弱的电子元件，而且价格比较昂贵；另一方面，逆变电源的负载大都是比较贵重的设备，对电能质量要求较高，易受损坏，因此，我们必须对逆变电源加装必要的保护功能，保护电源本身和负载不被损害。1、启动浪涌电流抑制电路开启逆变电源时，会产生很大的浪涌电流，因此在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联一电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关，电源启动时晶闸管开关关断，由电阻限制启动浪涌电流，当滤波电容的充电过程完成后，触发晶闸管，使之导通，从而达到短接限流电阻的目的。,.,2、输入过压欠

18、压保护电路输入电压高压(不高于418V)输入电压低压(不低于342V),.,3、输出过流保护电路,过流保护是指电源输出电流超过允许值时，使电源不受损坏的技术措施。,.,4、温度保护电路,随着温度的升高，电子元件的性能都会下降甚至损坏，因此我们必须在系统内加装散热风扇，另外还应当对电源关键部位的温度进行监测，防止因温度过高而引起元器件的损坏。,.,系统软件的设计,.,PI调节器,PI调节器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差,将偏差的比例(P)、积分(I)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。,.,数字PI控制器,位置型PI算法:u(n)=Kpe(n)+u(0)u(0)是偏

19、差为零时的初值增量型控制算式:u(n)=u(n)-u(n-1)=(Kp+Ki)e(n)-Kpe(n-1)Kp称为比例增益、Ki称为积分系数。本系统所采用的控制算法u(n)=u(n-1)+u(n)=u(n-1)+(Kp+Ki)e(n)-Kpe(n-1),.,标准PI算法积分项的改进,积分作用能消除控制系统的静差，但会引起积分饱和，造成调节滞后，使系统出现明显的超调。积分分离法是在偏差很大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于门限值(15)时才进行积分积累，避免了过积分现象。,.,PI调节器的参数整定方法,理论计算法:前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。实验确定法(如试凑法

20、、工程整定法)：不依赖对象的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定，简单易行。,.,试凑法是通过计算机仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数(Kp，Ki)对系统响应的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PI参数。增大比例系数Kp将加快系统响应并减少稳态误差，但过大的Kp会使系统有较大的超调，产生振荡，破坏系统的稳定性。减小积分系数Ki将有利于减小超调，提高系统的稳定性，但系统稳态误差的消除将随之减慢。,.,试凑法过程：(1)首先只整定比例系数，将Kp由小变大，使系统响应曲线略有超调。此时若系统无稳态误差或稳态误差已小到允许范围内，并且认为响应曲线已属满意，那么，

21、只须用比例调节器即可。(2)若在比例调节的基础上，系统稳态误差太大，则必须加入积分环节。整定时先将第一步所整定的比例系数略为缩小(如为原来的0.8倍)，再将积分系数置为一较小值并连续增大，使得在保持系统良好动态性能的前提下消除稳态误差。这一步可反复进行，即根据响应曲线的好坏反复改变比例系数Kp和积分系数Ki，以期得到满意的结果。,.,中位值滤波技术,为了克服测量通道中随机干扰引入的随机误差，本系统中我们采用数字滤波方法来消除随机误差。中位值滤波是对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值，本系统我们取n为7，并用冒泡排序法来对采样值进行排序。,

22、.,系统控制程序设计,单片机AT89C51通过ADC0809采样输出电压值，调整SA4828控制数据中的调制幅度值，具体说，就是采样输出电压值，与系统设定电压值（本系统为220V）比较，采用PI控制算法去控制调制幅度值，从而使SA4828输出的SPWM波的脉宽幅度随输出电压值变化，使IGBT的导通和关断时间发生变化，输出电压稳定在220V。,.,.,系统的MATLAB仿真,.,MATLAB简介,MATLAB是美国Mathworks公司开发的大型软件，它包括了两大部分：数学计算和工程仿真。数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，

23、,.,用MATLAB语言对电力系统进行仿真，一方面，我们可以用电力系统仿真工具箱SimPower的各种模块来建立所需电路的仿真模型，另一方面，对于系统的控制部分，我们可以用Simulink来建立它的仿真模型。接下来，只要对各模块和系统设置正确的仿真参数，我们就可以对系统进行分析、调整，从而验证系统的可行性。,.,系统仿真模型的建立,系统的仿真模型大致可分为三个部分：主电路部分、控制部分和测量部分。,.,三相电源参数设置逆变器设置参数Yg表示三相电源Y型连接，中性点直接接地,.,PI控制模块的Simulink模型图中零阶保持器的作用是把输入采样值离散化，Gain、Gain1的设定值都为127/220，其目的是为了使输入采样值变小到ADC0809采样的范围，Gain2的设定值为1/255，目的是使输出的调制度值m小于1，PI控制器采用DiscretePIController模块,.,PI控制器参数设定Kp、Ki是根据输出电压波形、调制度值波形反复调整后设定的，