【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ii Mn ??? s in??? (22) t1sin ?t1?OOi?NU 圖 22 等效回路算法原理圖 由 圖 22式可以明顯看出，在載頻固定，且給定輸出角頻率 1? (n=常量 )情況下，等效脈沖寬度和調(diào)制度 M成正比，和脈沖所在位置的正弦值 i?sin 成正比。也就是說，只要 i? 按正弦規(guī)律變 化， SPWM 就可以輸出正弦電壓； i? 越寬，輸出的電壓值越高，根據(jù)這一規(guī)律，出現(xiàn)了多種形成 SPWM 的具體技術(shù) [6]。 9 (1) 等效面積算法 等效面積算法具有計(jì)算量小、精度高、輸出電壓波形接近正弦波、諧波損耗小等優(yōu)點(diǎn)。其方法是把半個(gè)周期的正弦波分成 N等份，然后把每一份正弦曲線段與橫軸所包圍的面積都用與之相等面積的等高矩形脈沖來代替，即相對(duì)應(yīng)的同一時(shí)間段內(nèi)矩形脈沖波面積的代數(shù)和與正弦波和橫軸所包圍的面積相等。同樣正弦波的負(fù)半周也可 用該方法來等效。 N的多少就意味著 SPWM 信號(hào)的調(diào)制頻率高低，調(diào) 制頻率越高正弦波的波形越好，但頻率的選擇又受元件頻率特性的限制。 在載頻 PWMf 固定，且輸出頻率 outf 已知的情況下， n = OUTPWM ff / ，從 而可以求得第 i個(gè)脈沖的寬度 i? 。 (2) 自然采樣法 自然采樣法源于模擬控制方法，計(jì)算正弦調(diào)制波與三角波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的脈沖寬度和脈沖間歇時(shí)間，生成 SPWM 波形，其原理如圖 23所示。圖中Tc表示載波周期， i? 表示脈沖寬度。這種方法所求得等效面積精確，但要求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，計(jì)算量大，難以用單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，工程實(shí)現(xiàn)難度較大。 tM 1sin ?BA tti?eT 圖 23 自然采樣法 (3) 規(guī)則采樣算法 規(guī)則采樣算法是對(duì)自然采樣法的近似，根據(jù)近似的方法不同有不同的計(jì)算方法。圖 2— 4示出了一種常用的規(guī)則采樣算法。其原理是，在三角載波的負(fù)峰值時(shí)刻求得 iM ?sin 之值 E，并以此值在三角載波上截得 A， B兩點(diǎn)，從而確定了脈 10 寬值 。這種方法實(shí)際上是用階梯波代替正弦波，只要 n足夠大，精度是可以保證的，但計(jì)算量要比自然采樣小得多。 tM 1sin ?BA tti?eTE 圖 24 規(guī)則采樣法 (4) 單片機(jī)產(chǎn)生 SPWM 波 單片機(jī) (包括 DSP)在近年來發(fā)展很快，其強(qiáng)大的功能使其當(dāng)然成為正弦脈寬調(diào)制控制器的主角。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高運(yùn)算效率、降低成本、減少外圍硬件電路，近年來，出現(xiàn)了多種專門產(chǎn)生 PWM 的單片機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理是在原來通用單片機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了 PWM 產(chǎn)生電路， 同時(shí)還增加了相關(guān)的輔助電路，如 A／ D電路、專用通訊口等。譬如： AVR單片機(jī) AT90PWM2， DS87C550以及Infinenon公 司的 C504， XC164等單片機(jī)。用 XC164產(chǎn)生三相 SPWM 的應(yīng)用如圖25可以看出，利用專用單片機(jī)，可省去大量外部輔助器件，降低硬件成本，軟件開銷也明顯下降。 圖 25 XC164構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路i? XC164 驅(qū) 動(dòng) 單 元 IPM 功率 模塊 P 直 流 輸入 N U V W 故障輸入 11 3． 主電路設(shè)計(jì) 特種逆變電源的原理 本逆變電源的設(shè)計(jì)， 由 輸入電路、逆變主電路、輸出電路、采樣電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電路和保護(hù)電路組成，基本的結(jié)構(gòu)框架和關(guān)系如圖 31所示。 圖 31 逆變系統(tǒng)原理框圖 (1) 輸入電 路 逆變電路的主回路輸入可以是直流電或交流電。本系統(tǒng)采用直流電，因?yàn)橹绷麟姴▌?dòng)比較大，所以要增加電容濾波電路來穩(wěn)壓。 (2) 輸出電路 輸出回路將逆變器變換的交流電作進(jìn)一步處理，以得到諧波含量較少的交流輸出。該部分電路一般有低通濾波電路組成，當(dāng)輸出側(cè)接有變壓器時(shí)，也可以利用變壓器的電感進(jìn)行濾波。 (3) 控制電路 控制電路的功能是按要求調(diào)節(jié)并產(chǎn)生一系列控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。逆變控制電路的形式多種多樣，輸入電路 逆變電路 輸出電路 驅(qū)動(dòng)電路 輔助電路 控制電路 采樣電路 12 DC AC AC 從大的方面講，有模擬電路和數(shù)字電路（ 包括基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)）。圖 32給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖 33給出 了 逆變器的數(shù)字控制電路基本框圖；數(shù)字信號(hào)輸入和模擬信號(hào)輸入指各種反饋量，以及保護(hù)、檢測(cè)量等信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到各種信號(hào)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序或控制策略進(jìn)行計(jì)算，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)化輸出控制信號(hào)，經(jīng)放大后控制高頻電力電子電路來實(shí)現(xiàn) DCAC 變換，交流輸出經(jīng)變壓器變換后即可得到所需交流電。 圖 32 逆變器的數(shù)字控制電路基本框圖 圖 33 逆變器的數(shù) 字控制電路具體框架 (4) 逆變 電路 這部分電路是逆變電源的主體部分，主要由各種開關(guān)器件組成，用來實(shí)現(xiàn)主要的 DC—AC 變換。 (5) 輔助和保護(hù)電路 輔助電路包括控制系統(tǒng)所需的各種電源等電路。 保護(hù)電路的主要保護(hù)功能包括：過電壓、過電流保護(hù)，完善的保護(hù)能確保逆變系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和可靠工作地保障。 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 單 片 機(jī) D/A 波形生成電路 比較器 隔離 驅(qū)動(dòng) 電路 高頻開關(guān)變換電路 變壓器 A/D 逆變電路 逆變 變壓器 輸出整流 濾波電路 調(diào)節(jié)器 脈沖形成電路 輸出 反饋電路 13 主電路原理圖及工作原理 本系統(tǒng)的主電路為 DC AC 逆變電路，輸入直流電壓供給逆變器，主電路開關(guān)器件采用六個(gè) IGB T 模塊和吸收電路來構(gòu)成三相逆變器 主電路。 圖 34 系統(tǒng)主電路圖 圖 34是逆變主電路， 直流輸入經(jīng)開關(guān)器件組成的橋式逆變輸出三相交流電a、 b、 c，經(jīng)變壓器隔離變換后得到所需的三相交流 A、 B、 C。該逆變電路較適用于三相對(duì)稱負(fù)荷場(chǎng)所；但三相不對(duì)稱而出現(xiàn)中心點(diǎn)漂移后，可 以通過增加一個(gè)橋臂來進(jìn)行調(diào)整，從而組成了三相四橋臂逆變電路； 也可以采用三個(gè)獨(dú)立的單相逆變器經(jīng)過一定的連接方式組成三相逆變系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以三相對(duì)稱運(yùn)行，也可以單相獨(dú)立運(yùn)行。 主回路通電后，逆變電源開始工作，同時(shí)輔助電源也通電。輸入直流電壓首先經(jīng) LC電路濾波，使輸入電壓平滑 地加在開關(guān)管的源極和漏極。而此時(shí) IGBT的門極將有脈沖出現(xiàn)，使 IGBT開通，在門極脈沖連續(xù)變化時(shí)，六只 IGBT將按一定的規(guī)律導(dǎo)通。而每一個(gè)門極的控制脈沖的占空比都是隨著正弦波變化的，并且 6個(gè) IGBT的導(dǎo)通順序是 l23456，所以，輸出三相對(duì)稱的交流電，系統(tǒng)要求此交流電的幅值是 380V，頻率是 50Hz。輸出信號(hào)的電壓和頻率都是由 IGBT的門極控制脈沖決定的，因此，利用調(diào)節(jié) SA8282的輸出 SPWM脈沖的占空比就可以得到所需要的輸出電壓。其逆變電路的預(yù)期工作波形如圖 35所示。 14 圖 35 三相橋式逆變主電路的預(yù)期工作波形 在逆變主電路中，功率半導(dǎo)體器件是電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件， IGBT是功率器件中目前發(fā)展最快且很有發(fā)展前途的一種混合器件，由于其具有開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、電流容量大、電壓等級(jí)高且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍越來越廣泛，特別在開關(guān)電源、逆變焊機(jī)、 UPS、變頻調(diào)遣器等領(lǐng)域中更是大量應(yīng)用。而在撟式電路中， IGBT的吸收電路對(duì)其能否正?？煽渴褂闷鹬陵P(guān)重要的作用。吸收電路的參數(shù) 設(shè)計(jì)合理，可以大大延長(zhǎng)腳的使用壽命，提高設(shè)備的可靠性。否則，圖 6 8ucur Uur Vur WuuU N 39。uV N 39。uW N 39。uU NuU VUd UdO? tOOOOO? t? t? t? t? t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud 15 將會(huì)使 IGBT 常失效，甚至無法工作 [7]。 IGBT 的基本特點(diǎn) 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT， 是由 BJT(雙極型三極管 )和 MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 )組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大 ； MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電 路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域 。 圖 36所示為一個(gè) N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu) ， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的 P 型區(qū)，稱為亞溝道區(qū)。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)，它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 圖 36 N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu) IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET 基本相同，只需控制E C G ID + RN VJ1 + + 。 IDRon 。 C 。 G E 16 輸入極 N－ 溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N－ 層的空穴（少子），對(duì) N－ 層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N－ 層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。 主電路吸收電路的研究 圖 3— 7 主電路吸收電路 吸收電路又稱為緩沖電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓，dtdu/ 或者過電流和 dtdi/ ，減少器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可以分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。 在無緩沖電路的情況下， IGBT 開通時(shí)電流迅速上升， dtdi/ 很大，關(guān)斷時(shí)dtdu/ 很大，并出現(xiàn)很大的過電壓。 在有緩沖電路的情況下， IGBT 開通時(shí)緩沖電容 C 先通過 R 向 IGBT 放電，使電流 Ci 先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)橛?dtdi/ 抑制電路的 R， Ci 的上升速度減慢。在 IGBT 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過 VD 向 C 分流，減輕了 IGBT 的負(fù)擔(dān)，抑制了 dtdu/和過電壓。 本系統(tǒng)的主電路 吸收電路 如圖 3— 7所示。 系統(tǒng)中電容值為 33 f? ，電阻值為? 。 IGBT在應(yīng)用時(shí)，其電壓上升不能太慢，但也不宜太快，電壓上升速率太高，需要較重的吸收電路才能使 IGBT正常工作，但同時(shí)也增大了開關(guān)應(yīng)力，使器件壽命縮短。所以選擇適宜的電壓上升速率、較輕的吸收電路參數(shù)，能使器件長(zhǎng)期可靠工作，圖 38是 逆變主電路有無吸收電路的波形比較。 17 OBAD C無 吸 收 電 路有 吸 收 電 路 CEuCi 圖 38 有吸收和無吸收電路的比較 18 4． 控制電路設(shè)計(jì) 控制電路硬件設(shè)計(jì) 該逆變器的控制電路主要由 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)和 SA8282 三相 PWM 發(fā)生器構(gòu)成。單片機(jī)用于完成對(duì) SA8282 的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制 , 同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)以及保護(hù)功能的邏輯判斷等。由于 SA8282和單片機(jī)共用一個(gè)石英晶體振蕩器 ， 故同步性 能穩(wěn)定 ,漂移小。 圖 41 控制電路原理圖 采樣信號(hào)送入 A／ D轉(zhuǎn)換器 ADC0809中進(jìn)行轉(zhuǎn)換， A／ D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～ 5 V，故系統(tǒng)中選用霍爾電流傳感器 CS600B系列，經(jīng)過變換得到相應(yīng)的直流電壓。 A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)單片機(jī)處理后，可完成對(duì) SA8282的初始化、輸出脈沖控制、