【正文】 .................. 27 SG3525 的電路組成及各部分功能 ................................................................... 27 SG3525 應(yīng)用電路 ............................................................................................... 29 5． 3 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) ........................................................................................ 30 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì) .................................................................................. 30 D/A 轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì) .................................................................................. 33 6 結(jié)束語(yǔ) .................................................................................................................... 37 致 謝 ........................................................................................................................ 38 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 39 附 錄 ...................................................................................................................... 40 1 緒 論 課題的研究背景 電力電子技術(shù)的發(fā)展 1957 年，美國(guó)研制出世界上第一只普通的 (400Hz 以下 )反向阻斷型可控硅，后稱(chēng)晶閘管。它是一種半控型器件，用它組成的電路簡(jiǎn)稱(chēng)半控型電路，其基本特點(diǎn)是容量大，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低，功率密度和整機(jī)效率不高。經(jīng)過(guò)60年代的工藝完善和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，到了 70年代，晶閘管己形成從低壓小電流到高壓大電流的 系列產(chǎn)品。在這期間，世界各國(guó)還研制出一系列的派生器件，如不對(duì)稱(chēng)晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、門(mén)極輔助關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管以及80 年代迅速發(fā)展起來(lái)的可關(guān)斷晶閘管。 70 年代，晶體管進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于晶體管具有自關(guān)斷能力且開(kāi)關(guān)速度可達(dá) 20KHz，是一種全控器件。在 PWM 技術(shù)中一度得到了廣泛的應(yīng)用，并促使裝置性能進(jìn)一步提高和傳統(tǒng)直流電源裝置的革新，但因晶體管是一種電流控制型器件，開(kāi)通增益有限，這對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和能耗而言都是一個(gè)負(fù)擔(dān)，另外還存在二次擊穿、不易并聯(lián)以及開(kāi)關(guān)頻率仍然偏低等問(wèn)題。比較而言，功率場(chǎng)效 應(yīng)晶體管 MOSFET 是一種電壓控制型自關(guān)斷器件，具有驅(qū)動(dòng)功率低、安全工作區(qū)寬 (幾乎不存在二次擊穿問(wèn)題 )、漏極電流為負(fù)溫度特性 (易并聯(lián) )、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又是一種高頻器件，能夠在高頻硬開(kāi)關(guān)環(huán)境中工作。工作頻率達(dá)到幾十千赫至數(shù)百千赫，低壓管甚至可達(dá)兆赫。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管優(yōu)點(diǎn)突出，但其導(dǎo)通電阻與耐壓大小成正比，這就限制了它在高頻、大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。基于晶體管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)， 80 年代電力電子器件最引人注目的成就之一就是開(kāi)發(fā)出雙極型復(fù)合器件。研制復(fù)合器件的主要目的是實(shí)現(xiàn)器件的高壓、大電流參數(shù)同動(dòng)態(tài)參 數(shù)之間的最合理的折中，使其兼有MOS 器件和雙極型器件的突出優(yōu)點(diǎn)，即具有 MOSFET 的輸入特性、開(kāi)關(guān)頻率和晶體管的輸出特性、開(kāi)關(guān)容量，從而產(chǎn)生出較為理想的高頻、高壓和天電流器件。目前被認(rèn)為最有發(fā)展前途的復(fù)合器件是絕緣柵雙極型晶體管 IGBT ( Insulate Gate Bipolar Transistor )。實(shí)際上它是一種用 MOS 門(mén)控制的晶體管。鑒于 IGBT優(yōu)良的器件特性和不斷提高的制造工藝， IGBT 逐漸占領(lǐng)了電力電子器件市場(chǎng)。 除了器件本身性能的不斷提高，器件模塊化和集成技術(shù)也相繼發(fā)展起來(lái)。就內(nèi)部結(jié)構(gòu)而 言， MOSFET 和 IGBT 都是功率集成器件，模塊化技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電路功率密度和可靠性。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，功率模塊逐漸向智能化方向發(fā)展，即模塊內(nèi)部除了主電路器件之外，還包括相應(yīng)的各種接口電路、保護(hù)電路 (過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)等 )和驅(qū)動(dòng)電路，故也稱(chēng)智能功率模塊或功率集成電路。這是電力電子技術(shù)的一大進(jìn)步，說(shuō)明集成電路已從信息電子技已術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到功率 電子技術(shù)領(lǐng)域。盡管目前的 IPM 在功率等級(jí)上還很有限，但在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中顯示出顯著的優(yōu)點(diǎn)。 變頻電源的發(fā)展 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展 ，電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，并且在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應(yīng)用。 采用變頻技術(shù)可以節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，因而在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 目前應(yīng)用最為廣泛的是通用變頻器，通用變頻器大都為電壓型交 — 直 — 交變頻器。三相交流電首先通過(guò)二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無(wú)源逆變輸出電壓、頻率可調(diào) 的交流電給負(fù)載。這類(lèi)變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門(mén)刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不可控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。工程上對(duì)這種泵升能量的多種處理方法如前所述，基本上分為兩類(lèi)： (1)以熱能或其它形 式消耗； (2)通過(guò)能量回饋電路的技術(shù)處理使之回饋到交流電網(wǎng)或其它儲(chǔ)能裝置中。顯然，前一類(lèi)方法比較簡(jiǎn)單，但如前所述，這類(lèi)方法不僅浪費(fèi)了能源，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生某些副作用，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性不利；后一類(lèi)能量回饋制動(dòng)技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但提高了能源的利用率，尤其是對(duì)頻繁起、制動(dòng)或長(zhǎng)期帶勢(shì)能性負(fù)載下放的系統(tǒng)，在有效制動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的節(jié)電效果，將相應(yīng)的能量回送到電網(wǎng)中。 目前有些變頻器己經(jīng)有了能量回饋制動(dòng)單元，但這些制動(dòng)單元一般采用單片機(jī)控制，如 51 系列單片機(jī)。這些單片機(jī)的性能不能滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的需要，因此這些制 動(dòng)單元的功能較少，而且其大部分功能由硬件電路實(shí)現(xiàn)，造成硬件電路復(fù)雜、維護(hù)工作量大、輸出電能質(zhì)量不夠高等缺點(diǎn)。 DSP 芯片 (數(shù)字信號(hào)處理器 )和 ARM(嵌入式技術(shù) )的出現(xiàn)將完善和解決這些工程問(wèn)題提到議事日程之上，為應(yīng)用于能量回饋電路的新技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的前景。 變頻技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 變頻電源進(jìn)入實(shí)用期已超過(guò)了 1/4 個(gè)世紀(jì)，在此期間，作為變頻技術(shù)基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)都經(jīng)歷了飛躍性的發(fā)展，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻電源的性能價(jià)格比越來(lái)越高，體 積越來(lái)越小，而 廠家仍然在不斷地為實(shí)現(xiàn)變頻電源的進(jìn)一步小型化而做著新的努力。從技術(shù)方面來(lái)看，隨著變頻電源市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，今后變頻技術(shù)將會(huì)隨著有關(guān)的技術(shù)發(fā)展，在下面幾個(gè)方面也會(huì)有進(jìn)一步的提高： a)大容量和小體積化； b)高性能和多功能化； c)易操作性的提高； d)壽命和可靠性增加； e)無(wú)公害化。 大容量和小體積化將會(huì)隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展而不斷得到發(fā)展。近年來(lái)，采用電壓驅(qū)動(dòng)的電力半導(dǎo)體器件 IGBT 發(fā)展很快，并在迅速進(jìn)入傳統(tǒng)上使用BJT 和功率 MOSFET 的各種領(lǐng)域。此外，以 IGBT 為開(kāi)關(guān)器件的 IPM 和單片功率 IC芯片將 功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路等集成在同一封裝內(nèi)，具有高性能和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，所以隨著它們?cè)诖箅娏骰透吣蛪夯矫娴陌l(fā)展，必將在中小功率的變頻電源中得到更加廣泛的應(yīng)用。 隨著變頻電源市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，如何進(jìn)一步提高變頻電源的易操作性，使普通的技術(shù)人員甚至非技術(shù)人員也能很快地掌握變頻電源的使用技術(shù)已經(jīng)成為廠家必須考慮的問(wèn)題。因?yàn)橹挥腥菀撞僮鞯漠a(chǎn)品才能夠不斷獲得新的用戶，并進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)，所以今后的新型變頻電源將更加容易操作。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻電源中所使用的各種元器件的壽命和可靠性 都在不斷提高，這些都將使變頻電源本身的壽命和可靠性進(jìn)一步增加。 在變頻電源推廣應(yīng)用的初期，噪聲問(wèn)題曾經(jīng)是一個(gè)比較大的問(wèn)題。隨著 IGBT 的低噪聲變頻電源的出現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)基本上得到了解決。但是，隨著噪聲問(wèn)題的解決，人們的目光又轉(zhuǎn)向了變頻電源對(duì)周?chē)h(huán)境的其他影響并在不斷探索新的解決辦法。例如，對(duì)于采用了二極管整流電路和電壓形 PWM 逆變電路的變頻電源來(lái)說(shuō)，變頻電源本身造成的高次諧波將給電源電壓和電流帶來(lái)畸變，并影響接于同一電源的其他設(shè)備。但是 ,通過(guò)在變頻電源中采用 PWM 整流電路，就可以基本上解決這個(gè) 問(wèn)題。雖然因?yàn)閮r(jià)格和控制技術(shù)等方面的原因目前采用 PWM 整流電路的變頻電源尚未得到推廣，但是，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視，不斷減少變頻電源對(duì)環(huán)境的影響，直至推出真正的無(wú)公害變頻電源。 課題研究的意義 近年來(lái)，變頻電源已成為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。變頻電源自問(wèn)世以來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品。傳統(tǒng)的體積大，笨重，效率低的變頻電源已不能滿足要求，現(xiàn)代變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔最 佳的性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)受到青睞，并廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)、計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備。儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器中。然由于用電對(duì)象具有多樣性、新 穎性和復(fù)雜性，且要具備適應(yīng)各種不同負(fù)載的能力，各種用電設(shè)備對(duì)電源提出了越來(lái)越高的要求，因此要針對(duì)一些中小功率的電氣設(shè)備設(shè)計(jì)出適宜的可調(diào)節(jié)其頻率和電壓的電源顯得越發(fā)重要。 變頻電源主要由整流濾波電路、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路、逆變電路、電流電壓檢測(cè)電路及控制器電路等部分組成。其中逆變器部分很重要， 有了逆變器，就可利用直流電（蓄 電池 、 開(kāi)關(guān) 電源、燃料電池等）轉(zhuǎn)換成交流電為電器提供穩(wěn)定可靠 的 用電保 障，如筆記本電腦、手機(jī)、手持 PC、數(shù)碼相機(jī)以及各類(lèi)儀器等；逆變器還可與發(fā)電機(jī)配套使用，能有效地節(jié)約燃料、減少噪音；在風(fēng)能、太陽(yáng)能領(lǐng)域，逆變器更是必不可少。 小型逆變器還可利用汽車(chē)、輪船、便攜供電設(shè)備，在野外提供交流電源 。 逆變器有著廣泛的用途，它可用于各類(lèi)交通工具，如汽車(chē)、各類(lèi)艦船以及飛行器，在太陽(yáng)能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，逆變器有著不可替代的作用。 變頻逆變電源應(yīng)用廣泛，應(yīng)用該電源可以實(shí)現(xiàn)從三相交流電到單相交流電的轉(zhuǎn)換，為設(shè)備提供電源，其變頻功能還可以改變單相交流電的輸出變頻頻率，可以很方便的用于一些中小功率的單相 電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速等。 許多電子設(shè)備、電器設(shè)備需要為其提供頻率、電壓均要變化的電源，如：變頻調(diào)速系統(tǒng)、大功率信號(hào)源等，這類(lèi)電源均稱(chēng)為變頻變壓交流電源。在實(shí)際運(yùn)行中，這些電源需要隨機(jī)改變電源電壓、頻率，或者電源電壓和頻率之間按照一定規(guī)律進(jìn)行變化，以使負(fù)載或者對(duì)象按照一定的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，研究變頻電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有實(shí)際的意義。 2 系統(tǒng)方案論證與設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案論證 結(jié)構(gòu)方式 從結(jié)構(gòu)上看，靜止式變壓變頻裝置有直接和間接兩種結(jié)構(gòu)方式。 a）直接變壓變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖所示。 A C A CV V V FC V C F~ 5 0 H Z交 — 交 變 壓 變 頻 圖 21 直接（交 — 交）變壓變頻裝置 這種裝置只有一個(gè)環(huán)節(jié)，就可以把恒頻恒壓 (CVCF)的交流電源變換成 VVVF電源，因此，稱(chēng)之為直接（或交 — 交）變壓變頻裝置。 常用的交 — 交變壓變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正、反向兩組按一定周期互相切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸 出電壓 ou 。 ou 的幅值決定于各組整流裝置的控制角 a ， ou 的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角 a 一直不變，則輸出平均電壓是方波，要得到正弦波，就必須在每一組整流器導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。交 — 交變壓變頻裝置雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，但所用的器件數(shù)量更多，總設(shè)備相當(dāng)龐大。這種裝置受輸出諧波電流和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的限制，最高輸出頻率不超過(guò)電網(wǎng)頻率的 1/3～ 1/2。鑒于這類(lèi)裝置的器件數(shù)量多而輸出頻率低，一般只用于低轉(zhuǎn)速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)。 b）間接變壓變 頻裝置則是先將工頻交流電通過(guò)整流器變成直流電，再經(jīng)過(guò)逆變器將直流電變換成可控頻率的交流電，因