【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擇，但對(duì)其容量的選擇比較困難，因?yàn)閷?duì)其容量選擇太小同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電源將不能正常工作，若選擇太大，會(huì)使同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電源的體積增大，目前設(shè)計(jì)者大都將其選擇得很大，只要安裝空間允許就盡可能的多用，但是對(duì)于功率單元來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是要使其盡可能的緊湊，而體積盡量的小。故合理的選擇電容器的容量就顯得更為重要。濾波電容器的容量是按功率單元的容量來(lái)選擇，一般按200uF / kVA來(lái)選擇電容器的容量或按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：C=（35）T/本次設(shè)計(jì)按200uF / kVA來(lái)選擇電容器的容量。所以C=200*16**3/1000=420uF額定電壓的計(jì)算如下：=Ue=*=所以本次設(shè)計(jì)選取濾波電容的額定電壓為100V。 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)簡(jiǎn)稱IGBT,因?yàn)樗牡刃ЫY(jié)構(gòu)具有晶體管模式,所以稱為絕緣柵雙極型晶體管。IGBT于1982年開始研制,1986年投產(chǎn),是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化,最大電流容量達(dá)1800A,最高電壓等級(jí)達(dá)4500V,工作頻率達(dá)50kHz。IGBT綜合了MOS和GTR的優(yōu)點(diǎn),其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOS的1/10,開關(guān)時(shí)間是同容量GTR的1/10。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他高速低損耗的中小功率領(lǐng)域,IGBT有取代GTR和VDMOS的趨勢(shì)。IGBT 是在功率 MOSFET 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處在于 IGBT 比 MOSFET 多一個(gè) P+層，即多一個(gè) PN 結(jié)，并由此引出集電極，這個(gè) PN結(jié)的引入，提高了 IGBT 的耐壓水平，并可以通過(guò)傳導(dǎo)率調(diào)制，減小通態(tài)損耗，但開關(guān)頻率受到了一定的限制；柵極和發(fā)射極的結(jié)構(gòu)與 MOSFET 類似。IGBT 相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) GTR。 IGBT是以 GTR 為主導(dǎo)元件，MOSFET 為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。 作為壓控型的器件，IGBT 的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。柵極施以正電壓并且大于開啟電壓VGE時(shí)，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為 PNP 晶體管提供基極VGE（th）電流，從而使 IGBT 導(dǎo)通，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻 Rmond 減小，這樣高耐壓的IGBT 也具有很小的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，PNP 晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關(guān)斷。 的靜態(tài)特性IGBT 的輸出特性，第一象限為正向運(yùn)行區(qū)，在這一區(qū)內(nèi) IGBT 可以承受高截止電壓和關(guān)斷大的電流。通過(guò)控制柵極的電壓，IGBT 可以由正向截止區(qū)域切換到飽和區(qū)域，這兩種狀態(tài)之間的主動(dòng)區(qū)域（放大區(qū)）只是在開關(guān)過(guò)程中被越過(guò)。第三象限中的電流電壓曲線表示 IGBT 的反向特性，這個(gè)特性由 IGBT 本身的性能及功率模塊中的二極管特性（與 IGBT 串聯(lián)或反并聯(lián)）所決定，圖中還給出了不帶有混合二極管的 IGBT 的反向特性。⑴正向阻斷狀態(tài)當(dāng)集電極發(fā)射極電壓VCE為正，且柵極發(fā)射極電壓VGE小于開啟電壓VGE（th）時(shí)，在 IGBT 集射極之間的殘余電流 ICES 很小。隨VCE 增加，ICES 略微增加，當(dāng)VCE 大于最高允許的集射極電壓VCES 時(shí)，IGBT的pin結(jié)（p+井區(qū)/n漂移區(qū)/n+層）會(huì)出現(xiàn)鎖定效應(yīng)，從物理角度上說(shuō)，這時(shí)的VCES 對(duì)應(yīng)于IGBT結(jié)構(gòu)中PNP 雙極式晶體管的擊穿電壓，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT的損壞。⑵導(dǎo)通狀態(tài)當(dāng)集電極發(fā)射極之間的電壓和電流均為正值時(shí)，IGBT 為導(dǎo)通狀態(tài)，可以進(jìn)一步劃分為主動(dòng)區(qū)域和飽和導(dǎo)通區(qū)域兩部分。當(dāng)柵極發(fā)射極電壓VGE 只是略大于開啟電壓VGE（th）時(shí)，由于溝道電流的飽和效應(yīng)，如上圖中輸出特性的水平線所示，VCE呈現(xiàn)一個(gè)可觀的壓降，此時(shí)集電極電流 IC跟隨VGE的變化而變化，這時(shí)的IGBT處于放大區(qū)域，IC跟隨VGE 變化的關(guān)系由轉(zhuǎn)移特性的斜率gfs來(lái)描述。gfs = dIC / dVGE = IC /(VGE VGE（th）)在放大區(qū)內(nèi)，gfs隨著 IC 和柵射極間的電壓的增大而增大，隨著芯片溫度的增加而減小。在多個(gè) IGBT 的并聯(lián)應(yīng)用中，模塊在主動(dòng)區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是不允許的，而只能在開關(guān)過(guò)程中被經(jīng)過(guò)，這是因?yàn)閂GE（th）隨溫度的上升而下降，因此單個(gè)芯片之間的制造偏差就可能引起溫升失衡。當(dāng)VGE 超過(guò)開啟電壓VGE（th）一定量時(shí)，IGBT 的輸出特性便進(jìn)入圖中的陡斜部分，這時(shí) IGBT 的 IC 集電極電流只是由外部電路的參數(shù)來(lái)決定，這時(shí)稱 IGBT 處于飽和區(qū)域，也叫開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)的 IGBT 的 CE 間殘余電壓稱為飽和壓降VCEsat ，IGBT 的特殊結(jié)構(gòu)使得其VCEsat 明顯低于同類的 MOSFET 的值。PT(Punch Through)型IGBT 的VCEsat 在額定電流區(qū)域內(nèi)隨溫度升高而下降，NPT（Nonpunch Through）型IGBT 的VCEsat 隨溫度升高而升高。⑶反向運(yùn)行狀態(tài)反向運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)于第三象限，此時(shí)IGBT的集電極端PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，IGBT 不具有反向?qū)ǖ哪芰?，由于人們?cè)谛酒O(shè)計(jì)中著重追求正向截止電壓和優(yōu)化集電極端口散熱，目前的 IGBT 的反向耐壓僅在幾十伏左右，IGBT在靜態(tài)反向工作時(shí)，其輸出特性由模塊內(nèi)部或外部反并聯(lián)的續(xù)流二極管特性來(lái)決定。 所用主要元器件參數(shù)整定與選型進(jìn)線熔斷器的作用主要是對(duì)功率單元整體進(jìn)行短路故障保護(hù)的，它必須選用保護(hù)半導(dǎo)體器件用的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥鞯闹饕獏?shù)有：額定電壓、額定電流和分?jǐn)嗄芰?。額定電壓是指熔斷器分?jǐn)嗪竽荛L(zhǎng)期承受的電壓。目前低壓快速熔斷器的額定電壓有：250V、500V、750V、1000V和1500V。額定電流是指快速熔斷器能長(zhǎng)期通過(guò)的電流有效值，目前低壓快速熔斷器的額定電流有：10A、30A、50A、80A、100A、150A、200A、250A、350A、400A、450A、500A、600A、700A、750A和1000A。分?jǐn)嗄芰κ侵缚焖偃蹟嗥髂芊值淖畲蠖搪冯娏?，目前快速熔斷器的分?jǐn)嗄芰Υ蠖荚?0kA以上?？焖偃蹟嗥鞯倪x擇應(yīng)遵循以下兩條原則,它也是快速熔斷器的兩條基本性能。⑴快速熔斷器在額定電流及110%額定電壓的情況下能長(zhǎng)期正常地工作；⑵快速熔斷器在110%額定電壓的情況下，才能夠分?jǐn)嗉s定熔斷電流至極限電流之間的任何電流。對(duì)于功率單元的輸入快速熔斷器，可根據(jù)功率單元的額定輸入電流和電壓進(jìn)行選擇。快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于交流進(jìn)線電壓的有效值，但考慮電網(wǎng)電壓的上波動(dòng)（一般+10%），還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，即?功率單元進(jìn)線電壓有效值快速熔斷器的額定電流，應(yīng)根據(jù)功率單元進(jìn)線電流的有效值計(jì)算，并留有一定的裕量即： :進(jìn)線電流有效值：直流電流最大值則： 根據(jù)熔斷器選用的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算出來(lái)的參數(shù)選擇的熔斷器的熔斷電流為：Ie=***150/5=熔斷器的額定電壓為Ue=*380=418V所以本次設(shè)計(jì)選用規(guī)格型號(hào)為450V，50A的熔斷器。斷路器的作用 ：⑴、正常情況下接通和斷開高壓電路中的空載及負(fù)荷電流. ⑵、在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能與保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置相配合,迅速切斷故障電流,防止事故擴(kuò)大,從而保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。斷路器選型的原則：⑴、斷路器額定電壓不低于所在電路最大運(yùn)行電壓；⑵、斷路器電流不低于所在電路最大運(yùn)行電流。根據(jù)斷路器選型的原則與主電路的參數(shù)選擇可以選出此次設(shè)計(jì)所要用的斷路器。本次設(shè)計(jì)用的斷路器的規(guī)格型號(hào)為400V，10A。（1）=2**(220**)= （2）=*2**150=開關(guān)管IGBT的選擇應(yīng)考慮三個(gè)方面：(1). 耐壓要求：主要考慮IGBT上浪涌電壓不應(yīng)超過(guò)IGBT集電極與發(fā)射極的額定電壓；(2). 電流要求：集電極峰值電流必須處在IGBT開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)（即小于兩倍的額定電流；(3). 散熱條件：在良好的冷卻條件下，可選用額定值較小的IGBT模塊。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，取一定的裕量。3 同步電動(dòng)機(jī)PWM勵(lì)磁電源控制電路實(shí)現(xiàn) 概述 本系統(tǒng)控制電路微處理器采用MICROCHIP公司推出的PIC16F877單片機(jī)，該單片機(jī)具有開發(fā)容易，周期短，高速，低功耗，低價(jià)適用等特點(diǎn)。本控制電路主要由微處理器（CPU）；信號(hào)給定電路；反饋電路等部分組成。它是本次設(shè)計(jì)的主體部分，這章主要介紹它的硬件電路設(shè)計(jì)下一章將詳細(xì)論述軟件設(shè)計(jì)部分。 控制電路的設(shè)計(jì)。 同步電動(dòng)機(jī)PWM勵(lì)磁電源控制電路圖該電路由微處理器（CPU）；信號(hào)給定電路；反饋電路等部分組成之外，還包括PIC16F877單片機(jī)復(fù)位和時(shí)鐘外接電路。本部分電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的輸出電壓進(jìn)行采樣，將反饋回的信號(hào)與系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較，通過(guò)單片機(jī)改變輸出脈沖的占空比來(lái)控制IGBT的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流大小的控制。 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個(gè)裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為解決IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，國(guó)外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊，如國(guó)內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的M579系列，美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒(méi)有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對(duì)便宜，因此，本設(shè)計(jì)將采用1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。(1)柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過(guò)熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。(2)IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過(guò)大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。(3)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dVce／dt，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時(shí)間延時(shí)，CG太小對(duì)抑制dic／dt效果不明顯。(4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，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(gè)電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)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)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。 HCPL316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，HCPL316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC (右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)的要求各引腳功能如下：腳1(VIN+)正向信號(hào)輸入；腳2(VIN)反向信號(hào)輸入；腳3(VCG1)接輸入電源；腳4(GND)輸入端的地；腳5(RESERT)芯片復(fù)位輸入端；腳6(FAULT) 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時(shí)，通過(guò)光耦輸出故障信號(hào)；腳7(VLED1+)光耦測(cè)試引腳，懸掛；腳8(VLED1)接地；腳9，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓； 腳11(VOUT)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT； 腳12(VC)三級(jí)達(dá)林頓管集電極電源；腳13(VCC2)驅(qū)動(dòng)電壓源；腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測(cè)；腳15(VLED2+)光耦測(cè)試引腳，懸掛；腳16(VE)輸出基準(zhǔn)地。若VIN+正常輸入，腳14沒(méi)有過(guò)流信號(hào)，且VCC2VE=12V即輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出高電平，故障信號(hào)和欠壓信號(hào)輸出低電平。首先3路信號(hào)共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級(jí)達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。 HCPL316J 外部引腳。 驅(qū)動(dòng)電路HCPL316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機(jī)相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護(hù)作用，防止過(guò)高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生約1181。s延時(shí)，在開關(guān)頻率超過(guò)100kHz時(shí)不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路PWM信號(hào)(同一橋臂)都為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。R1和C2起到了對(duì)故障信號(hào)的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號(hào)后，能讓微機(jī)正確接受信息。在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小dic／dt。首先計(jì)算柵極電阻：其中ION為開通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設(shè)計(jì)，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2V。可得C3是一個(gè)非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時(shí)作用