【文章內(nèi)容簡介】 IGBT 在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞 。 ④ 驅(qū)動電路中的 柵極 電阻 RG 對 IGBT 工作性能有較大的影響 。 RG 較大 ， 有利于抑制 IGBT 的電流上升率及電壓上升率 ， 但會增加 IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗 ； RG 較小 ， 會引起電 流上升率增大 ， 使 IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。 RG 的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及 IGBT 的容量有關(guān) ， 一洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 般在幾歐～幾十歐 （ 在具體應(yīng)用中， 應(yīng)根據(jù)實際情況予以適當(dāng)調(diào)整 ） 。 本設(shè)計中 RG 選阻值為 15Ω 的電阻。 ⑤ 當(dāng) IGBT 關(guān)斷時，柵射電壓很容易受 IGBT 和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻 RGE，阻值在 10kΩ 左右 。此外，在實際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出 現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值 與正負(fù)柵壓相同。 3）柵極布線要求 IGBT 接線較 長時易產(chǎn)生振蕩 ， 因此 柵 級電阻 R G 的接入盡量靠近IGBT。 驅(qū)動電路輸出 一般不 和 IGBT 柵極直接相連，應(yīng)使用 絞合 線連接(2 轉(zhuǎn)／ cm)。 次 外 ， IGBT 為 壓控 型 器件 ， 當(dāng)集射極加 高電壓時 ， 很容易受外界干擾使門級間電壓超過一定值引起器件誤導(dǎo)通 ， 甚至導(dǎo)致直通現(xiàn)象發(fā)生 。 為此 ， 本設(shè)計中采用了 如下 兩 種措施加以改善 ： a、 在柵 — 射極間并接一個阻值為 10kΩ 的電阻，且將其并聯(lián)在柵射極最近處； b、 在 柵 射極間并聯(lián)兩只反串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管 ， 把浪涌電壓限制 在30V 以下 。 全橋逆變電路如圖 22 所示： 圖 22 全橋逆變電路 V2 和 V3 組成達林頓連接，對輸入信號進行功率放大，使其滿足IGBT 驅(qū)動信號的功率要求。再達林頓組合前，再加一級射極輸出放大。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 本 設(shè)計的逆變電源輸出額定功率為 1kW，考慮 10%的安全裕度，設(shè)計功率為 。 IGBT 最高耐壓值 1300V， 最大工作電流 50A，則該逆變橋輸出的實際最大功率為 ，即逆變電源的實際最大 輸出 功率為。 驅(qū)動脈沖發(fā)生電路設(shè)計 該部分為逆變橋提供驅(qū)動脈沖信號，控制逆變橋工作。選擇雙端輸出驅(qū)動器 UC3524 作為脈沖驅(qū)動信號發(fā)生器。 雙端輸出驅(qū)動器 UC3524 UC3524 以其優(yōu)越的可靠性、外圍電路設(shè)計簡潔，在逆變電源、開關(guān)電源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 UC3524 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) 如圖 23。 圖 23 UC3524 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) UC3524 各引腳功能見表 21。 工作特性 該部分為整個逆變電路的核心，脈沖發(fā)生器 UC3524 根據(jù)設(shè)定的振蕩周期，發(fā)出固定頻率的 PWM 脈沖信號，控制逆變橋工作，同時逆變電源輸出反饋信號經(jīng)反饋電路處理后反饋給 UC3524。此外， UC3524 還對逆變電源進行過載或短路保護。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 表 21 UC3524 引腳功能 引腳號 引腳功能 1 內(nèi)部差分放 大器 EA 的反相輸入端。 2 內(nèi)部差分放大器 EA 的同相輸入端。 3 內(nèi)部振動器鋸齒波輸出端 5 內(nèi)部電流限制放大器 CL 的“ +”“ ”取樣端 6 外接 RT 端 7 外接 CT 端 8 接地端 9 內(nèi)部差分放大器輸出端 ，接入 R3 C22 組成相位矯正電路 10 PWM 脈沖輸出控制端 ，輸入高電平時，驅(qū)動脈沖被關(guān)斷 1 14 內(nèi)部兩路驅(qū)動級 NPN 管發(fā)射極引出端 1 13 內(nèi)部兩路驅(qū)動級 NPN 管集電極引出端 15 直流 電源輸入端 （ 12~28V） 16 5V 基準(zhǔn)電壓輸出端 電路設(shè)計 UC3524 輸出脈沖為兩路輸出，即開關(guān)頻率為振蕩頻率的兩倍。逆變輸出的交流電頻率為 50Hz，則振蕩頻率應(yīng)該 100Hz。脈沖發(fā)生器死區(qū)時間與 CT 有關(guān) ，死區(qū)時間設(shè)定在 10μs， CT 值為 ，根據(jù) T=RTCT，可求得， RT=100kΩ。 為驅(qū)動后級信號放大管，內(nèi)部驅(qū)動級 NPN 管集電極1 13 腳 上拉 5K 電阻到 12V 電源。 5V 基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻 R3 R42 進行1:2 分壓后，作為誤差檢測電壓接入 內(nèi)部 差分放大器同相輸入端。 逆變橋使用的是全控型器件 IGBT，所以逆變換流利用器件的 全 關(guān)斷能力進行換流，即器件換流。設(shè)計中，必須 保證換流過程中換流不可重疊，即一路導(dǎo)通的前提必須是另一路完全關(guān)斷，否則就會造成短路， 導(dǎo)致 換流失敗 。 為此，脈沖 發(fā)生器 設(shè)定了 10μs 的死區(qū)時間， 在時間上保證橋臂間換流 的 順利完成，避免出現(xiàn)短路。 為確保逆變輸出 交流電壓 幅值穩(wěn)定，對輸出電壓進行采樣，并將采樣值經(jīng)采樣電路處理后經(jīng)電阻分壓，送人 UC3524 的內(nèi)部差分放大器反洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 相輸入端。當(dāng)輸出電壓幅值偏高時，采樣電壓升高差分放大器的輸出電壓降低，送至 PWM 比較器，是輸出脈沖占空比減小， 使逆變輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓幅值偏高時，為上述 相反 過程。 內(nèi)部差分放大器的輸出電壓與輸出 脈沖占空比近似為線性關(guān)系，當(dāng)輸出電壓為 時，脈沖占空比為 45%；當(dāng)輸出電壓降為 時，脈沖占空比降為 10%；當(dāng)輸出電壓為 1V 時，占空比為 0，無驅(qū)動脈沖輸出。 電路原理圖如圖 24 所示。 圖 24 脈沖發(fā)生電路原理圖 逆變輸出采樣電路 工作特性 為了對逆變輸出的方波電壓進行穩(wěn)壓控制，逆變輸出采樣電路對逆變輸出電壓進行取樣，將取樣交流 24V 電壓進行整流、濾波處理后，經(jīng)R4 R4 R51 分壓后，送人雙端驅(qū)動器 UC3524 的 1 引腳取樣輸入端，如圖 24 所示。 電路設(shè)計 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 逆變輸出電 壓經(jīng)變壓器取樣繞組降壓后，首先進行整流。整流方式選擇正極性橋式整流，整流器件采用整流二極管。經(jīng)過整流后的直流電壓是脈動的，必須經(jīng)過濾波處理，直流電壓更加平穩(wěn)。濾波電路采用 ? 形LC 濾波電路， LC 濾波電路中，濾波電感 L 對主流壓降很小，而對交流成分而言，電感 L 的感抗很大，對交流成分有很大的衰減作用，使整流輸出中參雜的 交流成分 衰減掉。 采樣電路原理圖如圖 25 所示。 圖 25 逆變輸出采樣電路 負(fù)載供電自動切換電路 工作特性 本設(shè)計的逆變電源為后備式，所以 在市電正常情況下，負(fù)載由市電供電；當(dāng)市電故障時，負(fù)載則有逆變電源供電。負(fù)載供電電源在這兩種電源間的切換 由逆變電源控制 自動完成。 負(fù)載供電自動切換電路 完成負(fù)載供電在市電與逆變電源間的自動轉(zhuǎn)換。 電路設(shè)計 切換電路主要器件是繼電器，選擇有一對常開觸頭和一對常閉觸頭的繼電器，觸頭額定參數(shù)為 250VAC/10A，線圈額定參數(shù) 24VDC。市電正常時，繼電器常閉觸頭接通市電給負(fù)載供電；市電故障時，繼電器動作，常閉觸頭斷開，常開觸頭閉合，接通逆變輸出，給負(fù)載供電。 電路原理圖如圖 26 所示。 考慮到該電路是在帶負(fù)載的情況 下進行電源自動切換，切換過程中，觸頭會產(chǎn)生電弧， 所以選擇繼電器時，繼電器的觸頭材質(zhì)要耐高溫，而且觸頭系統(tǒng)還 應(yīng) 設(shè)有滅弧裝置，防止產(chǎn)生的電弧燒壞觸頭，造成觸頭接洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 觸不良而影響供電性能。 圖 26 負(fù)載供電自動切換電路 逆變電源保護電路 逆變電源除了要輸出穩(wěn)壓恒頻的交流電外，當(dāng)電路或負(fù)載發(fā)生短路、嚴(yán)重 過載故障時，要能進行及時自我保護，防止電源 損壞。故為電源 設(shè)計過載保護電路是不可缺少的環(huán)節(jié)。 為保證 電路或負(fù)載短路、長時間過載 時 能可靠的進行自我保護，保護電路設(shè)計了雙重保護， 即設(shè)計特定的保護電路，作為一 級保護，當(dāng)發(fā)生短路、過載故障時 ，首先啟動一級保護。在逆變電源輸出端和市電接入端分別接入熔斷器 F F2，作為二級保護， 如圖 26 所示。 當(dāng)一級保護出現(xiàn)故障，不能對電源進行保護時，二級保護啟動，確保了電源可靠被保護。 保護電路如圖 27 所示。 圖 27 逆變電源保護電路 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 負(fù)載端跨接電流互感器 HE1，見 圖 26， 電流互感器的輸出接入保護電路，進行整流濾波穩(wěn)壓處理，將穩(wěn)壓后的直流電壓 2： 1 分壓送到UC3524 的 10 引腳，見圖 24。 此外，還將保護信號送入微機，保護電路對電壓進行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可以直接送入微機處 理的電平信號。送入微機后，對電路故障進行報警等處理，告知操作員及時作出人為 故障處理。 市電斷電 監(jiān)測 電路 市電斷電監(jiān)測電路對市電是否正常進行監(jiān)測，當(dāng)市電突然斷電時，發(fā)出斷電信號給逆變電源；當(dāng)市電供電恢復(fù)正常時，發(fā)出 恢復(fù)供電 信號給逆變電源。斷電檢測電路如圖 28 所示。 圖 28 市電斷電監(jiān)測電路 該 部分電路主要是給微機提供市電運行狀態(tài)信息，微機通過外部中斷對市電運行狀態(tài)進行掃描檢測。當(dāng)市電運行狀態(tài)發(fā)生變化時，監(jiān)測電路輸出對應(yīng)為高低電平的跳變 。 電源 供電 電源 切換電路 逆變電源除了給負(fù)載 提供電源外，其自身的運行也要消耗電能。為保證蓄電池的放電時間，在市電正常時，逆變電源從電網(wǎng)獲取電能給自身供電；當(dāng)市電故障斷電時，蓄電池才對其供電，這樣提高了蓄電池的使用效率。 電源切換控制器 LTC4414 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 LTC4414 是一種功率 PEFT 控制器，主要用于控制電源的通、斷及自動切換 。 該器件工作電壓范圍為 ～ 36V；電路簡單，外圍元器件少；靜態(tài)電流小，典型值為 30μA；能驅(qū)動大電流 P 溝道功率 MOSFET；有電池反極性保護及外接 PMOSFET 的柵極箝位保護；可采用微制器進行控制或采用手動控制； 工作溫 度 40℃ +125℃ 。 LTC4414 各引腳功能見表22。 表 22 LTC4414 各引腳功能 引 腳 符 號 功 能 1 STAT 漏極開路輸出狀態(tài)引腳 。使用時需外接上拉電阻，輸出狀態(tài)信號。內(nèi)部 FET 導(dǎo)通時，輸出低電平；內(nèi)部 FET 截止是，輸出高電平。 2 CTL 邏輯電平控制信號輸入端?？刂仆饨?PMOSFET 的通斷，加高電平時， PMOSFET 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)截止。 3 GND 接地 5 NC 空腳 6 SENSE 有兩個功能：電源輸入端，給內(nèi)部電路供電；電源電壓檢測輸入端，該端通常由輔助電源供電 ，該輔助電源還向負(fù)載供電。 7 Vin 主電源輸入端。該輸入通常由一個用于向負(fù)載輸送電能的 蓄 電池或其他電源來供電，使用時，通過一個 ~10μF 的電容器把該引腳旁路至地，抑制負(fù)載瞬變 。 8 GATE 外接 PMOSFET 的驅(qū)動端。當(dāng)未接入輔助電源時，此端直接由模擬控制器控制，使外接 PMOSFET 導(dǎo)通；當(dāng)無輔助電源時，GATE 端電壓升到 SENSE 端電壓， PMOSFET 關(guān)斷。 電路設(shè)計 該電路完成逆變電源自身供電電源在 市電 電網(wǎng)和蓄電池間相互切換， 即當(dāng)市電電網(wǎng)斷電時，供電電源切換到蓄電池；當(dāng)電 網(wǎng)恢復(fù)供電時，供電電源切換至電網(wǎng)供電。整個切換過程要求迅速， 切換時間短，以保證逆變電源內(nèi)部電路持續(xù)不間斷工作。 LTC4414 的主電源輸入端 Vin 接 24V 蓄電池， CTL 接地。 GATE 端接 蓄電池 PMOSFET 驅(qū)動端， 接通或 切 斷 控制蓄電池 對逆變電源供電。洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 STAT 端 上拉 47K 電阻到主電源， 接 市電 PMOSFET 驅(qū)動端， 接通或切斷市電電網(wǎng)對逆變電源供電。 當(dāng)市電正常供電時， SENSE 引腳電壓被拉至 Vin 引腳電壓以上達 20mV 左右， STAT 引腳從開路狀態(tài)變至一個 5mA的電流宿， 通過上拉電阻的作用驅(qū)動市電 PMOSFET 導(dǎo)通。此時， GATE引腳電壓被上拉至 SENSE 引腳電壓，從而關(guān)斷蓄電池 PMOSFET。 市電對逆變電源供電。當(dāng)市電故障斷電時， SENSE 引腳電壓降至 Vin 引腳電壓一下， STAT 引腳開路，使市電 PMOSFET 關(guān)斷。同時， LTC4414 控制 Vin 和 SENSE 引腳之間維持一個 20mV 的正向調(diào)節(jié)電壓， GATE 驅(qū)動蓄電池 PMOSFET 導(dǎo)通，蓄電池對逆變電源供電。 電路原理圖如圖 29所示。 圖 29 電源供電電源切換電路 蓄電池電量監(jiān)控電路 當(dāng)蓄電池在放電工程中，電量會逐漸降低， 為防止蓄電池過放 ， 導(dǎo)致蓄電池使用壽命縮短甚至電池直接 損壞，逆變電 源應(yīng)對蓄電池的電量進行監(jiān)測，當(dāng)蓄電池電量偏低時要及時采取措施停止蓄電池繼續(xù)放電而損壞 電池 。 MAX187 串行 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 MAX187 為逐次逼近式 ADC，工作電壓為 5V，模擬輸入電壓范圍0~5V， 片內(nèi) 時鐘 ，高速三線串行接口 設(shè)計 。 MAX187 引腳排列如圖 210所示。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21