【正文】 PWM 逆變器的發(fā)展趨勢 隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及國民生產(chǎn)對電能應(yīng)用的要求，現(xiàn)代 PWM 逆變器的技術(shù)正逐漸的走向成熟，電力電子器件作為節(jié)能、節(jié)材、自動化、智能化、機電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技 術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。 大功率開關(guān)器件和集成控制電路成為了電能變換發(fā)展的主要方向。畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 選題 目的和意義 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電能的需求越來越多，對電能的質(zhì)量要求也越來越高?，F(xiàn)在應(yīng)用的最多的 IGBT驅(qū)動電路就是日本富士公司生產(chǎn)的 EXB系列 (如 EXB8 EXB84EXB850、 EXB851)、三菱公司生產(chǎn)的 M579系列 (如 M57962L、 M57959L)和歐派克生產(chǎn)的 BSM系列，德國西門子與日本東芝生產(chǎn)的 IGBT的性能也不錯。日本及歐美各國不斷研制出高頻率和低損耗的 IGBT， 使得 PWM 逆變器的性能更加優(yōu)越，特別是最近幾年出現(xiàn)的 Delta 逆變技術(shù)作 為一種新興的滿足市電電壓凈化穩(wěn)壓、負載電流的無功補償和有源濾波方面有著獨特的效果。 (4)對各個部分電路的運行及工作原理進行簡單分析 。電壓源的交流內(nèi)阻抗近似為零，橋臂輸出電壓為幅值等于輸入電壓的方波電壓。三相逆變器又可以分為三相三線制輸出逆變器和三相四線制逆變器， 本次設(shè)計為電壓型的三相三線制 SPWM逆變器系統(tǒng)。 三相逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案 圖 21 逆變系統(tǒng)的設(shè)計總框圖 本設(shè)計的逆變系統(tǒng)的總框架如圖 21 所示。 畢業(yè)設(shè)計 6 圖 22 單相半橋 電壓型 逆變電路原理圖 設(shè)開關(guān)器件 T?和 T?的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。 圖 23 單相半橋電壓型逆變電路工作波形 T?和 T?為通態(tài)時，負載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負載提供能量，而當 VD?或 VD?為通態(tài)時，負載電流和電壓反向，負載電感中貯藏 的能量向直流側(cè)反饋，即負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。 V、 W 兩相的情況和 U 相類似， VNu? 、 WNu? 的波形形狀和 UNu? 相同，只是相位依次差 120176。導通方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān) 器件同時導通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。這樣使得 IGBT 導通時由 P?注入?yún)^(qū)向 N 基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調(diào)制，使得 IGBT 具有很強的流通能力。在要求快速、低損耗的領(lǐng)域 ， IGBT 有取代 MOSFET 和 GTR 的趨勢。在截止狀態(tài)下的 IGBT，正向電壓由 J?結(jié) 承擔，反向電壓由 J?結(jié)承擔。加在柵源間的最高電壓由流過 漏極的最大電流所限定。Vdr是擴展電阻 Rdr上的壓降 :Ron 是溝道歐姆電阻。而 IC 從 10%ICM 上升至 90%ICM 所需的時間為電流上升時間 tr。電流下降時間可分為tfi1 和 tfi2 兩段。 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗可以確定 IGBT在導通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作區(qū) (FBSOA)，導通時間長、發(fā)熱嚴重則安全工作區(qū) 變窄；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率 CE/dV dt 可以確定 IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作區(qū) (RBSOA)。選擇驅(qū)動電路時，必須基于以下參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置 的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求 和 電源 的 情況。 (2)串聯(lián)柵極電阻 (Rg)選擇適當?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對 IGBT 柵極驅(qū)動相當重要。 (2)內(nèi)置的光耦可隔離高達 2500V/min 的電壓 。當驅(qū)動電路端發(fā)生故障擊穿時，與之連接的控制電路由于光耦合器的隔離作用而不會損壞。 (3)過流軟關(guān)斷電路： 當 IGBT出現(xiàn)過流故障時，如果以正常速度關(guān)斷 IGBT，在大電流的情況下 (特別是帶有感性負載時 )由于 /di dt 很大，易 發(fā)生擎住效應(yīng)而使 IGBT損壞。 如有過流發(fā)生， IGBT的 VCE過大使得 VD?截止，使得 VS?擊穿， V?導通， C?通過R7放電， D點電位下降，從而使 IGBT的柵 射間的電壓 VGE降低，完成慢關(guān)斷，實現(xiàn)對IGBT的保護。s 表 21列舉了 EXB841的電 氣 特性。當 IGBT 發(fā)生過流時， EXB841 的 5 腳電平由高變低， RS 觸發(fā)器 S 端變?yōu)楦唠娖?，輸出?Q 輸出高電平，經(jīng)過三極管，加到與門上的電平為低電平，封鎖 EXB841 的輸入信號，達到及時撤出柵極信號、保護 IGBT 的目的。 (2)不至過分增加整體的設(shè)計容量，即濾波容不會過多增加功率開關(guān)電流 。 因C f f f/ 1 / /R L L C? ?? ，可得濾波器的截止頻率 如式 (211)： f f f/ ( 2 ) 1 / ( 2 )cf R L L C???? （ 211） 畢業(yè)設(shè)計 21 因此，當時 0 cff?? ，濾波器的衰耗為零；當 cff? 時，濾波器開始有衰耗， 衰耗常數(shù)為 式 (212)： 1 2 1 2 1 2l n l n ( 1 / / )b U U Z Z Z Z? ? ? ?? ? ? (212) fL 和 fC 值的確定：由式 2 211 可得 f / (2 )cL R f?? (213) 2f f f f/ / ( 2 ) 1 / ( 2 )ccC L R L f L R f R??? ? ? (214) fL 與 fC 的值，取決于 cf 與 R 的選擇 。沖量即指窄 脈沖的面積。同樣，正弦波的負半周也用同樣的方法與一系列負脈沖波等效 [2]。 V?和 V?的驅(qū)動信號始終是互補的。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調(diào)節(jié)方便、準確，保護電路完善，無需外部元件，且有普通正弦波和高效電機驅(qū)動波兩種波形的選擇，可以廣泛應(yīng)用與三相 SPWM 波形驅(qū)動的功率控制電 路中。在圖中， CLK 是外部時鐘輸入腳，它可與單片機共用一個晶振，也可獨立使用晶振 (最高頻率 24MHz)。實際運行中，若外界故障信號觸發(fā)了 INT 端，則 SM2020 將立刻停 止驅(qū)動脈沖。 當片選 CS 為低時，芯片進入串行通信狀態(tài)，在每個時鐘 CK 的上升沿，數(shù)據(jù)線DA 上的數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部緩沖器，當 11 個數(shù)據(jù)位全部進入緩沖器后，在最后一個 CK脈沖的認可下，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入相應(yīng)的寄存器，且命令被立即執(zhí)行。 當芯片首次上電時，也將自動復位所有的寄存器為內(nèi)部初始值，且芯片的輸出端保持高電平 。 保護電路的設(shè)計 過電壓保護 為了使 IGBT關(guān)斷過電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給 IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。 R， C， V?組成 RCD有損緩沖電路。 緩沖電容 C的容量按下式選擇： C m ax r m ax C C/C I t V?? (41) 式中 CmaxI ――功率開關(guān)管集電極電流的最大值； rmaxt ――功率開關(guān)管關(guān)斷電壓的上升時間的最大值； CCV ――直流輸入側(cè)的直流電源電壓。如飽和壓降小于 2V的 IGBT允許承受的短路時間小于 5181。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導致器件的/di dt 增大。 圖 42 實現(xiàn)慢降柵壓的電路 正常工作時，因故障檢測二極管 VD?的導通，將 a點的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管 ZD?的擊穿電壓以下，晶體管 VT?始終保持截止狀態(tài)。 由于器件在工作過程中具有導通損耗和開關(guān)損耗，本身就是發(fā)熱源，因此在設(shè)計和使用時要非常注意器件的熱保護。溫度繼電器通常安裝在散熱器上，接點可接在主電路和控制電路中，當檢測到器件溫度超過設(shè)定閥值后，直接切斷主回路或通過控制電路停止設(shè)備工作 [20]。 經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，自己 的確 學到了不少東西。 同時，也 培養(yǎng)了 我 嚴肅認真和實事求是的 學習 態(tài)度 以及吃苦耐勞的精神 。相信我在未來的工作崗位上認真學習新的知識以應(yīng)對更大更多的挑戰(zhàn)。 面對眾多的資料，必須一點一點的去采集對自己有用的東西， 平時課堂上所學習的知識大多比較陳舊，由于專業(yè)特點自己更要積極查閱當前的最新資料。 圖 43 過熱檢測保護電路 圖 43為本設(shè)計所采用的過熱檢測保護電路。限制溫升是熱保護的基礎(chǔ)。電容 C?為硬開關(guān)應(yīng)用場合提供一很小的延時，使得 V開通時 ICE有一定的時間從高電壓降到通態(tài)壓降，而不使保護電路動作。 降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。s， 4~5V時可達 30181。 (2)在 IGBT導通時，緩沖電容 C(通過放電電阻 R)的放電電流 Idis不能太大，一般取以上兩式來選取放電電阻 R的數(shù)值。若不計二極管 V?的導通壓降，緩沖電容 C上的電壓會充滿到 UCE(UCE為功率開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)時的集電極 發(fā)射極電壓 )。采用無感母線可以減輕吸收電路的負擔，簡化吸收電路結(jié)構(gòu)，降低吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。 圖 38 SM2020控制流程 圖 畢業(yè)設(shè)計 30 第 4 章 保護電路的設(shè)計 保護的特點 盡管 IGBT匯集了電力晶體管 GTR以及功率 場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點，但它由于有寄生晶閘管的影響，當流過的電流過大時，會產(chǎn)生不可控的擎住效應(yīng)；在 IGBT關(guān)斷時，因主回路的電流急劇變化，使主回路布線電感所帶的感性負載中感應(yīng)出高壓，而產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，該電壓超過 IGBT的反偏安全工作區(qū) (RBSOA)；或因 IGBT的驅(qū)動脈沖不正常等因素造成的過電壓、過電流會造成 IGBT的損壞。 由于內(nèi)部的時序原因，在完成所有的數(shù)據(jù)輸入， CS 恢復高電平后，必須在 CK 上額外地多加入一個時鐘 ，完成數(shù)據(jù)的認可 。 SPWM 控制電路設(shè)計 控制電路結(jié)構(gòu)圖 畢業(yè)設(shè)計 28 圖 37 SPWM波形控制結(jié)構(gòu)電路圖 控制電路工作過程 在完成芯片的各項參數(shù)的初始化設(shè)置后，通過往地址 110 中寫入 5FH，即可以開啟芯片的 SPWM 輸出。 WVS 為波形選擇位，用于選擇 PWM 驅(qū)動波形：純正弦與高效準正弦波，后者多用于交流電機驅(qū)動場合 [15]。它通過傳輸速率可達 1MHz 的高速三線同步串行接口，實現(xiàn)單片微機的參數(shù)化控制，需要占用的微機資源很小。圖 34 為三相電壓中 U 相的調(diào)制波形。 畢業(yè)設(shè)計 24 圖 33 單極式 SPWM電壓波形 雙極性 SPWM PWM 波分為調(diào)制法和計算法，本設(shè)計采用雙極的控制方法，圖 24 是本設(shè)計采用的三相橋式 PWM 型逆變電路，采用雙極性控制方法。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。當輸出電壓基波頻率為 50Hz 時， cf 通常選在 100~400Hz 左右。 (4)濾波器體積小、重量小、成本低。 濾波電路設(shè)計 濾波電路的 要求 逆變器和交流變換器的輸出電壓波形，除了基波分量外還含有諧波分量。 圖 214 EXB841構(gòu)成的 IGBT驅(qū)動電路和保護電路圖 圖 214 中 EAR10 是反向恢復時 間為 150ns 的快速恢復二極管， 正向?qū)▔航禐楫厴I(yè)設(shè)計 19 3V。 畢業(yè)設(shè)計 18 表 21 EXB841的 電氣特性 項目 符號 EXB841(高速 ) 單位 Min Typ Max 導通時間 1 ont 181。在過流軟關(guān)斷電路動作的同時，引腳 5向外輸出過流保護信號，便于外圍電路的協(xié)同工作。過流檢測電路： IGBT僅能抵抗 10181。 畢業(yè)設(shè)計 15 (4)內(nèi)置的過流保護功能使得 IGBT 能夠 更加安全地工作 。數(shù)值較小的電阻 使柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗。 圖 29 典型的 IGBT柵極驅(qū)動電路 因為 IGBT 柵極擬發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過畢業(yè)設(shè)計 14 由于 IGBT 輸入電容較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 MOSFET 驅(qū)動電路提供的偏壓要高。在應(yīng)用 IGBT時 ,盡量使其工作在安畢業(yè)設(shè)計 13 全工作區(qū)以內(nèi) [5]。 實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間為 式 (23)： of f d( of f) fi1 fi2t t t t? ? ? (23) 畢業(yè)設(shè)計 12 圖 28 IGBT的開關(guān)過程波形圖 IGBT 的主要性能參數(shù) IGBT 的主要參數(shù)包括： (1)最大集射極間電壓 UCES： 這是由器件內(nèi)部的 PNP 晶體管所能