【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 使V?截止、V?導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過(guò)V?迅速放電，引腳3電位下降至0V，是IGBT柵射間承受5V左右的負(fù)偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時(shí)VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C?的放電使得B點(diǎn)電位為0V，則VS?仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動(dòng)作，IGBT正常關(guān)斷。如有過(guò)流發(fā)生，IGBT的VCE過(guò)大使得VD?截止，使得VS?擊穿，V?導(dǎo)通，C?通過(guò)R7放電，D點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。由EXB841實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的過(guò)程可知，EXB841判定過(guò)電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE有關(guān)，還和二極管VD?的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)[9]。表21 EXB841的電氣特性項(xiàng)目符號(hào)EXB841(高速)單位MinTypMax導(dǎo)通時(shí)間1181。s導(dǎo)通時(shí)間2181。s過(guò)流保護(hù)電壓181。s過(guò)流保護(hù)延遲時(shí)間10181。s報(bào)警延遲時(shí)間1181。s反向偏置電源電壓5181。s表21列舉了EXB841的電氣特性。使用時(shí)必須嚴(yán)格遵照和考慮這些參數(shù)，才能使EXB841的功能得到完善的應(yīng)用。圖214 EXB841構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路圖圖214中EAR10是反向恢復(fù)時(shí)間為150ns的快速恢復(fù)二極管，正向?qū)▔航禐?V。如果采用其他不滿足這種性能指標(biāo)的二極管，將會(huì)降低驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)的速度，造成過(guò)流保護(hù)的失敗。圖中RS觸發(fā)器采用CD4043構(gòu)成，與門采用74LS09構(gòu)成，TLP521為快速光耦。保護(hù)電路部分中，TLP521的信號(hào)延遲時(shí)間為23181。s，CD4043的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾百個(gè)ns。因此，保護(hù)電路在信號(hào)響應(yīng)上是足夠快的。當(dāng)IGBT發(fā)生過(guò)流時(shí)，EXB841的5腳電平由高變低，RS觸發(fā)器S端變?yōu)楦唠娖?，輸出端Q輸出高電平，經(jīng)過(guò)三極管，加到與門上的電平為低電平，封鎖EXB841的輸入信號(hào)，達(dá)到及時(shí)撤出柵極信號(hào)、保護(hù)IGBT的目的。圖214中在RS觸發(fā)器的R端加了復(fù)位按鈕，發(fā)生故障時(shí)，RS觸發(fā)器將Q端輸出的高電平鎖住，當(dāng)排除故障后，可以按動(dòng)復(fù)位按鈕，解除對(duì)柵極控制信號(hào)的封鎖。 濾波電路設(shè)計(jì) 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。方波中含有各次奇次諧波，其中THD（電流的總諧波畸變）為48%；階梯波中含有2kn177。1次諧波；脈寬調(diào)制波消除了低次諧波，但含有高次諧波。為了使輸出電壓波形正弦化和THD或單次諧波含量降低到允許值，必須設(shè)置輸出濾波器。如果負(fù)載恒定，濾波器的設(shè)計(jì)容易；如果負(fù)載變化范圍寬且要求諧波含量低，濾波器的設(shè)計(jì)就困難，其體積和重量將很大[10]。對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的基本要求是：(1)輸入電流和輸出電壓THD或單次諧波含量均應(yīng)降低到允許的范圍。(2)不至過(guò)分增加整體的設(shè)計(jì)容量，即濾波容不會(huì)過(guò)多增加功率開(kāi)關(guān)電流。(3)濾波電感基波壓降小，負(fù)載變化所引起的輸入、輸出電壓波動(dòng)小。(4)濾波器體積小、重量小、成本低。 輸出濾波器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的輸出濾波器采用單級(jí)LC低通濾波器,其原理圖如圖215所示。單級(jí)LC交流輸出濾波器由三個(gè)單相濾波器組成，具體分析單相LC濾波器就可以完成三相濾波器的設(shè)計(jì)，圖216為單相LC濾波電路，也叫常K型Г型低通濾波器。串臂阻抗Z?與并臂阻抗Z?的乘積，一旦，值確定后，K為常數(shù)、不隨頻率變化。圖215 單級(jí)LC交流輸出濾波器由于具有阻抗平方量綱，故常數(shù)K也可用濾波器的另一重要參數(shù)R表示： (26) (27)四端網(wǎng)絡(luò)在輸入端、輸出端均處于阻抗匹配時(shí)工作最好，圖216所示的四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端、輸出端特性阻抗分別表示為為式(28)、式(29)： (28) (29)當(dāng)ω=0時(shí)，故R是頻率為零時(shí)的特性阻抗，稱之為標(biāo)稱特性阻抗。傳通條件為，即，故可得式(210)： (210)當(dāng)時(shí)，ω必定為零，此為通頻帶的最低角頻率：當(dāng)時(shí)，則，此為通頻帶的最高角頻率，即為濾波器截止頻率。因，可得濾波器的截止頻率如式(211)： （211）因此，當(dāng)時(shí)，濾波器的衰耗為零；當(dāng)時(shí)，濾波器開(kāi)始有衰耗，衰耗常數(shù)為式(212)： (212)和值的確定：由式2211可得 (213) (214)與的值，取決于與R的選擇。實(shí)際中的選取要低到三次或二次諧波頻率才能得到滿意的正弦波形狀。當(dāng)輸出電壓基波頻率為50Hz時(shí)，通常選在100~400Hz左右。R的選取則為R=(~)RL(負(fù)載電阻)。當(dāng)逆變器的輸出功率和輸出電壓已知時(shí)，RL就是已知量，則濾波器的標(biāo)稱特性阻抗R即可選定，將其帶入式21214即可確定與的值。從而可以確定三相輸出濾波器的構(gòu)成[11]。圖216 單相LC低通濾波器第3章 PWM控制電路的設(shè)計(jì) 脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù) PWM基本脈寬調(diào)制原理PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。 （a） (b) (c) (d)圖31 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。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。例如圖31(a),(b),(c)所示的3個(gè)窄脈沖形狀不同,其中圖31(a)為矩形脈沖，圖31(b)為三角形脈沖，圖31(c)為正弦半波脈沖，但他們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D31(d)的單位脈沖函數(shù)δ(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)[12]。面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，其基本原理就是輸入的控制脈沖形狀不同，但面積相等，這些形狀不同的輸入脈沖加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同，如果輸入脈沖變?yōu)閱挝幻}沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。所謂的SPWM波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形如圖32 所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如圖把一個(gè)正弦波分作幾等分(如圖32上圖中，n=12)然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合(如圖32下圖所示)，這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM 波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效[2]。圖32 與正弦波等效的等幅不等寬矩形脈沖序列波圖33為SPWM濾波線為等效正弦波,SPWM脈沖序列波的幅值為,各脈沖不等寬，但中心間距相同為，n為正弦波半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，令第個(gè)矩形脈沖寬度為,其中心點(diǎn)相位角為，則根據(jù)面積相等的等效原則，可分成： 當(dāng)n值較大時(shí)：這就是說(shuō)，第個(gè)脈沖的寬度與該處正弦波值近似成正比，因此半個(gè)周期正弦波的SPWM 波是兩側(cè)窄，中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。圖33 單極式SPWM電壓波形 雙極性SPWMPWM波分為調(diào)制法和計(jì)算法，本設(shè)計(jì)采用雙極的控制方法，圖24是本設(shè)計(jì)采用的三相橋式PWM型逆變電路，采用雙極性控制方法。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波，三相的調(diào)制信號(hào)、和依次相差120176。U、V和W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)時(shí)，給上橋臂V?以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V?以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)N180。的輸出電壓。當(dāng)時(shí)，給V?以導(dǎo)通信號(hào)，給V?以關(guān)斷信號(hào)，則。V?和V?的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V?(V?)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V?(V?)，也可能是二極管VD?(VD?)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中的電流的方向來(lái)決定，V相和W相的控制方式和U相相同。圖34為三相電壓中U相的調(diào)制波形。在電壓型逆變電路的PWM控制中，同一相上下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩個(gè)臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)的時(shí)間長(zhǎng)短主要由功率開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間來(lái)決定。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)一定影響，使其稍稍偏離正弦波[13]。圖34 三相雙極式SPWM波形 三相SPWM控制器SM2001芯片SM2001是可產(chǎn)生三相驅(qū)動(dòng)波形的大規(guī)模集成電路。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確，保護(hù)電路完善，無(wú)需外部元件，且有普通正弦波和高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)波兩種波形的選擇，可以廣泛應(yīng)用與三相SPWM波形驅(qū)動(dòng)的功率控制電路中。 芯片的主要性能及特點(diǎn)SM2001是全數(shù)字化設(shè)計(jì)、全數(shù)字化電路。它通過(guò)傳輸速率可達(dá)1MHz的高速三線同步串行接口，實(shí)現(xiàn)單片微機(jī)的參數(shù)化控制，需要占用的微機(jī)資源很小。SM2001采用雙邊沿規(guī)則采樣產(chǎn)生PWM調(diào)制波，頻率范圍為200Hz(當(dāng)時(shí)鐘為20MHz時(shí))，分辨率8位；載波頻率可多級(jí)選擇，最高能達(dá)到38kHz；還可自定義死區(qū)時(shí)間和窄脈沖時(shí)間。SM2001采用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，能夠與單片機(jī)公用一個(gè)晶體諧振器，最高工作頻率可達(dá)24MHz。三相PWM輸出的電平是負(fù)脈沖有效，無(wú)效時(shí)保持高電平，脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)可達(dá)20MHz,能直接驅(qū)動(dòng)光耦，并且PWM波形調(diào)整快，在一個(gè)周期內(nèi)即可轉(zhuǎn)換完畢。該芯片具有完善的多級(jí)保護(hù)電路，保護(hù)動(dòng)作靈敏(典型反應(yīng)時(shí)間小于兩個(gè)時(shí)鐘周期)[14]。 芯片引腳功能圖35 SM2001外形與管腳SM2001采用18腳DIP封裝，其引腳說(shuō)明如表31所列，外形與引腳如圖35所示。在圖中，CLK是外部時(shí)鐘輸入腳，它可與單片機(jī)共用一個(gè)晶振，也可獨(dú)立使用晶振(最高頻率24MHz)。高速三線同步串行接口分別是串口片選CS、串口時(shí)鐘腳CK及串口數(shù)據(jù)腳DA，該串口可與標(biāo)準(zhǔn)三線串行接口連接，也可利用通過(guò)I/O口模擬。WVS為波形選擇位，用于選擇PWM驅(qū)動(dòng)波形：純正弦與高效準(zhǔn)正弦波，后者多用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合[15]。各個(gè)管腳功能如表31所示。表31 管腳名稱類型及功能說(shuō)明引腳號(hào)符號(hào)名稱1CLK外部時(shí)鐘輸入腳2RST復(fù)位腳，為低時(shí)復(fù)位芯片3CS串口片選腳，低通訊有效4CK串口時(shí)鐘腳，上升沿鎖入數(shù)據(jù)5DA串口數(shù)據(jù)腳6OE輸出控制腳，為高允許PWM輸出7INT異常中斷腳，下降沿觸發(fā)8WVS內(nèi)部波形選擇，高效/普通9GND數(shù)字地10GN輸出地11WB相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳12VB相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳13UB相下橋臂驅(qū)動(dòng)腳14WT相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳15VT相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳16UT相上橋臂驅(qū)動(dòng)腳續(xù)表31引腳號(hào)符號(hào)名稱17VDD正電源（＋5V）18VDD正電源（＋5V） 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖36 SM2001內(nèi)部邏輯框圖SM2001的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖36所示。它將來(lái)自于串口的控制指令進(jìn)行解釋，自動(dòng)產(chǎn)生尋址信號(hào)，根據(jù)用戶的選擇自動(dòng)從兩個(gè)波形發(fā)生器中取出波形數(shù)據(jù)與幅度因子相乘，將結(jié)果送入PWM波形發(fā)生器中，PWM波形發(fā)生器再根據(jù)死區(qū)時(shí)間和窄脈沖的設(shè)置自動(dòng)產(chǎn)生符合要求的三相PWM驅(qū)動(dòng)波。SM2001內(nèi)部還具有完善的啟動(dòng)和保護(hù)電路，在復(fù)位脈沖和串口指令設(shè)置完成后，必須向啟動(dòng)寄存器發(fā)送開(kāi)啟指令，PWM波形發(fā)生器才開(kāi)始產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖。此外，OE為輸出允許控制腳，只有當(dāng)OE為高時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖才可輸出至UT、UB、VT、VB、WT、WB引腳上。實(shí)際運(yùn)行中，若外界故障信號(hào)觸發(fā)了INT端，則SM2001將立刻停止驅(qū)動(dòng)脈沖。待故障查明、發(fā)布輸出啟動(dòng)指令后，SM2001才能重新開(kāi)始工作，從而盡可能保護(hù)功率元件的安全。 SPWM控制電路設(shè)計(jì) 控制電路結(jié)構(gòu)圖圖37 SPWM波形控制結(jié)構(gòu)電路圖 控制電路工作過(guò)程在完成芯片的各項(xiàng)參數(shù)的初始化設(shè)置后，通過(guò)往地址110中寫入5FH，即可以開(kāi)啟芯片的SPWM輸出。以后的參數(shù)改變，一旦寫入寄存器即立即表現(xiàn)出來(lái)，不必再使用開(kāi)啟命令。在SM2001的設(shè)置中，有一條開(kāi)啟指令，在所有的初始化參數(shù)設(shè)置完成后，芯片并不是立即產(chǎn)生輸出波形，只有在開(kāi)啟命令發(fā)布后，SPWM波形才會(huì)輸出，這是為了防止在系統(tǒng)未完成初始化時(shí)有錯(cuò)誤的波形產(chǎn)生。而一旦開(kāi)啟SPWM的輸出后，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，SPWM的變化將立即出現(xiàn)，不再需要開(kāi)啟命令了。SM2001寄存器是通過(guò)一個(gè)三線同步串行接口進(jìn)行設(shè)置的。A0A1A2D0D1D2D3D4D5D6D7，寄存器選擇寄存器數(shù)據(jù)。當(dāng)片選CS為低時(shí)，芯片進(jìn)入串行通信狀態(tài)，在每個(gè)時(shí)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(dāng)11個(gè)數(shù)據(jù)