【文章內(nèi)容簡介】 個管子都損壞引起橋臂短路；接線錯誤引起輸出短路；還有接線錯誤或絕緣損壞引起負載對地短路。所有這些短路情況都應加以保護。在相同的電源電壓和門極電壓下，耐受短路的時間以直通短路為最短，橋劈短路和輸出短路為最長，所以任何一種短路現(xiàn)象都可以按直通短路處理來設計短路保護。IGBT的短路耐受能力與柵極電壓有關。越小，短路耐受能力就越強。一般來說，飽和壓降2V左右的IGBT的短路耐受能力僅有幾微妙，這樣短的時間內(nèi)，保護電路要辨別是很困難的，故不能保證保護的可靠性。由圖22可知，降低可提高IGBT的短路耐受能力，因此可以這樣設想：檢測到短路，便降低，這樣便可延長短路時間。IGBT在短路時關斷，電流很大，如果按正常工作時的關斷速度進行，則會因過大的回路電感電勢L疊加在上，形成幅度很高的尖脈沖，損壞主回路IGBT和其他元器件。因此必須較慢地逐漸減小直到IGBT關斷。這就是所謂的“軟關斷”。以上短路保護的基本思想通過EXB840的內(nèi)部集成保護電路得到了實現(xiàn)，在進行過流檢測和硬件電路延時保護的同時，EXB840向CPU發(fā)出一過流保護信號，在本系統(tǒng)中，使用89C51的外中斷輸入引腳來檢測過流信號，當檢測到EXB840發(fā)來的過流信號時，在外中斷程序中，及時封鎖SPWM輸出信號，并通過數(shù)碼管發(fā)出報警信息。3）緩沖電路緩沖電路其作用是抑制電力電子器件內(nèi)因過電壓，或者過電流和，減小器件的開關損耗。緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制，減小關斷損耗。開通緩沖電路用于抑制器件開通時的電流過沖和，減小器件的開通損耗。 逆變電路的選擇 逆變電路的介紹逆變電路根據(jù)直流側電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源逆變電路（Voltage Source Type Inverter——VSTI）和電流源逆變電路（Current Source Type Inverter——CSTI）。逆變器按主電路形式分類如下：電壓型逆變電路有以下主要特點：1）直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側輸出電壓波形位矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 單相電壓型逆變電路常見的單相正弦逆變電源主電路主要有半橋、全橋兩種結構,其中以全橋逆變電路應用最為廣泛。 半橋逆變電路在高壓開關電源中，功率輸出大的一般都使用半橋式變換電路。其電路圖如圖26所示。它由兩只電容和兩只高壓晶體管組成。當兩只晶體管都截止時，若兩只電容的容量相等且電路對稱，則電容中點A的電壓為輸入電壓的一半。當導通時，電容將通過、變壓器初級繞組放電；同時，電容則通過輸入電源、和的原邊繞組充電。中點A的電位在充、放電過程中將指數(shù)規(guī)律下降。在導通結束時，A點的電位為，且兩只晶體管全都截止。兩只電容和兩只晶體管的集射極間的電壓基本上相等，都接近于輸電源電壓的一半。相反，導通時，放電、充電，A點的電位將增至，即A點電位在開關過程中將在的電位上以的幅值進行指數(shù)變化。由此可見，在半橋式電路中，變壓器初級線圈在整個周期中都流過電流，以磁心利用得更充分。圖26 單相半橋電壓型逆變電路半橋式變換電路的主要優(yōu)點是簡單，使用器件少，其電路中所使用的功率開關晶體管的耐壓較低，絕不會超過輸入電壓的峰值；晶體管的飽和電壓也降至最低；輸入濾波電容的耐壓也可以減小。其確定是輸出交流電壓的幅值僅為輸入的一半，且直流側需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的平衡。因此，半橋電路常用于幾KW以下的小功率逆變電源。 全橋逆變電路將半橋式變換電路中的兩電解電容換成另外兩只高反壓功率晶體管，并配以適當驅(qū)動電路即可組成全橋式變換電路，如圖27所示。、組成4個橋臂。高頻變壓器T連接在它們中間。相對臂的、和、由驅(qū)動電路激勵而交替導通，將直流輸入電壓變換成高頻方波交流電壓。其工作過程與推挽式功率轉(zhuǎn)換電路一樣。這樣，高頻變壓器工作時，其初級線圈得到的電壓即為電源電壓。它是半橋電路輸出電壓的一倍，而每個晶體管耐壓仍為電源電壓，使輸出功率增大一倍。若是電流達到半橋電路的水平，即電流增大一倍的話，則輸出功率就可以增大4倍。全橋電路的主要不足是需要4組彼此絕緣的晶體管基極驅(qū)動電路,使控制驅(qū)動電路成本增大并復雜化，但選用全橋變換電路可使輸出功率大大提高,而且晶體管的損少。圖27 單相全橋逆變電路 三相電壓型逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路,本課題設計就采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路，其基本工作方式是180176。導電方式，即每個橋臂的導電度數(shù)為180176。，同一相上下兩個臂交替導電，個相導電的角度依次相差120176。，這樣,在任一瞬間，將三個橋臂同時導通?？赡苌厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能上面兩個臂下面一個臂導通。因為每次換流都是在同一上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。圖28 三相電壓型逆變電路通過圖示三相電壓型逆變電路來說明其最基本的工作原理。圖28中、、是橋式電路的6個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當、閉合為正，、閉合為負。其他兩相類似。這樣，就把直流電變成了交流電，改變?nèi)M開關的切換頻率，即可改變交流電的頻率。這就是逆變的電路的最基本的工作原理。 逆變電路的選擇本系統(tǒng)選擇三相電壓型逆變電路作為系統(tǒng)主電路，下面是三相電壓型逆變電路的詳細介紹：與整流相對應，把直流電變成交流電稱為逆變。當交流側接在電網(wǎng)上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變，當交流側直接和負載相連時，稱為無源逆變。交直交變頻電路由交直變換電路和直交變換電路兩部分組成。變流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉(zhuǎn)移，這就是換流。三相電壓型逆變電路如圖28。每個橋臂的導電角度為同一相上下兩個臂交替導電，各項開始導電的角度依次相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，當橋臂4導通時。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況個U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次相差。負載線電壓可由下式求出： （21）設負載中點N與支流電源假想中點之間的電壓為，則負載各相的相電壓分別為： （22）把上面各式相加并整理可求得 （23）負載為三相對稱則有，故可得 （24）上述導電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發(fā)出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區(qū)時間就可以越短。第3章 系統(tǒng)主電路設計 系統(tǒng)的主電路設計及其工作原理電壓型逆變電源由主電路和控制器兩部分組成，如圖31所示。其中主電路采用直交（DC/AC）電源型變頻器結構，由斬波器、逆變器和隔離變壓器構成。輸入的直流電壓通過逆變器——開關采用富士公司的40KHz兩單元IGBT模塊三組（六只）組成三相橋式電路。逆變電源的輸入、輸出之間為實現(xiàn)電氣隔離和滿足輸出電壓幅度的要求。對于本設計逆變器之后采用在輸出端接入變壓器△/Y進行變壓。 主電路的主要設計參數(shù)設計要求的參數(shù)如下：直流側輸入電壓：DC750V輸出交流電壓：AC380/220V輸出頻率：50Hz容量：15KVA 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成如圖31所示：圖31 系統(tǒng)組成圖 系統(tǒng)的主電路圖系統(tǒng)主電路圖如圖32所示：圖32 主電路圖 系統(tǒng)的工作原理如圖32所示主電路，本系統(tǒng)首先通過直流降壓斬波電路將輸入的750V直流電斬波為440V頻率為50Hz的直流方波信號，該信號通過由IGBT組成的三相電壓型橋式逆變電路后，將該信號逆變成為50Hz，440V的交流方波電壓。最終通過變壓器升壓為380/220V交流電壓濾波后供給負載使用。 主電路的參數(shù)設計 斬波器的設計直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱直接直流直流變換器（DC/DC Converter）。本設計采用該電路的目的是將輸入的750V直流電壓轉(zhuǎn)換成輸入逆變電路中可用的440V 50Hz直流電壓。 降壓斬波電路的原理降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖如圖33所示：圖33 降壓斬波電路的原理圖該電路使用一個全控型器件V，本設計采用的是IGBT。為在V關斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。在t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。當t=時刻，控制V關斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流脈動小，通常串接L值較大的電感。至一個周期T結束，再驅(qū)動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為 (31)式中，為V處于通態(tài)時間；為V處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比。由此式可知，輸出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。 斬波器中電感的計算在儲能電感L中流過的電流具有較大的直流分量，并疊加一交變分量。一般情況下，交變分量的平均值比支流分量小得多。直流分量在鐵芯中會產(chǎn)生較大的支流磁偏量，使鐵芯飽和，所以鐵芯必須加氣隙，由于交變磁化分量較小，一般情況下，局部磁滯回線包圍的面積較小。鐵芯儲能最大值： （32）公式中為鐵芯體積：由上式可見，對于一定的鐵芯材料來說，只有加大鐵芯體積來增大鐵芯儲能。降壓斬波電路中，當IGBT導通時設電流線形變化。已知輸出電壓=440V，輸出功率=15000W，T=20ms1）最大輸出電壓U=460V取=2）最小輸入電壓U1=420V時，同理可求得L=3