【文章內(nèi)容簡介】 峰電壓。柵極電阻對IGBT的開關(guān)時間有直接的影響。柵極電阻過小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運(yùn)行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關(guān)損耗的限制。對600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：=(I～10)625/式中，為IGBT的額定電流值. 柵極電阻的下限取系數(shù)為1，限取系數(shù)為10。對于1200V的IGBT器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的600V器件阻值的一半。 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于以上的驅(qū)動要求，在設(shè)計中采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動集成電路,最高使用頻率為40KHz驅(qū)動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,采用單電源20V供電。它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動放大電路,過流檢測急保護(hù)電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護(hù)電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關(guān)系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護(hù)電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過快的關(guān)斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢升高,使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開柵電壓和5V的關(guān)柵電壓。EXB840引腳定義如下:引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容,引腳2和9分別是電源和地,引腳3為驅(qū)動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護(hù)誤動作(一般場合不需要這個電容),引腳5為過流保護(hù)輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅(qū)動信號輸入端,其余引腳不用。 EXB840的引腳圖 采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路[8]。其中ERA3410是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應(yīng)該用雙絞線,長度應(yīng)該小于1m,以防止干擾,如果IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖,可增加IGBT的柵極電阻。 EXB840組成的驅(qū)動電路4 控制回路設(shè)計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制。控制方式有模擬控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點(diǎn)是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點(diǎn)來完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。設(shè)計控制電路如下： 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設(shè)計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 SPWM調(diào)制技術(shù)簡介脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。近幾年來。由于場控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應(yīng)高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能及時、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制技術(shù)，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機(jī)的工作效率，擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實(shí)際工程中目前主要采用的PWM技術(shù)是正弦PWM(SPWM)，這是因?yàn)樽冾l器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行控制，則機(jī)械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴(yán)重的高次諧波，會危害電動機(jī)的正常運(yùn)行。為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最??；當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制[9]。產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調(diào)制波)進(jìn)行比較，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達(dá)30KHz，用IGBT作為逆變開關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調(diào)制波。 SPWM波生成方法采用模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。缺點(diǎn)是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機(jī)直接產(chǎn)生SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)都較慢。對于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動機(jī)，可以采用各項性能指標(biāo)都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號專用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對交流電動機(jī)的變頻調(diào)速。 SPWM波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能全數(shù)字控制，兼容Intel等多系列單片機(jī)，輸入調(diào)制波頻率范圍0～4kHz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá)24kHz，內(nèi)部ROM 固化3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時器功能等。SA4828采用28腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖[11]。 SA4828引腳排列示意圖各引腳的功能說明如下：（1）輸入類管腳說明AD0～AD7：8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。SET TRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。：復(fù)位端，低電平有效。CLK：時鐘信號輸入端。MUX ：總線選擇端。當(dāng)MUX為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)管腳RS不用；當(dāng)MUX為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存器ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。：片選輸入，該控制線可使SA8282與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。、：Intel(Motorola)總線控制write、read信號。ALE：地址鎖存允許。VDD：供電電源正端(+5V)。Vss：供電電源負(fù)端(0V)。（2）輸出類管腳說明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅(qū)動能力，可以直接驅(qū)動光耦。：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。ZPPR：零相位脈沖輸出端。Wss：波形采樣同步端口。RS：寄存器選擇端。 保護(hù)電路保護(hù)電路的主要功能是對檢測電路得到的各種信號進(jìn)行運(yùn)算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測到異常時，進(jìn)行各種必要的處理[12]。 過、欠壓保護(hù)電路設(shè)計過壓、欠壓保護(hù)是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動的范圍一般是額定輸入電壓的士10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過高，將使直流側(cè)電壓過高。過高的直流電壓對IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過低時，雖不會對主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致SA4828輸出錯誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對系統(tǒng)的電壓進(jìn)行保護(hù)。圖 。 過電壓保護(hù)電路它直接對直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測。其中電壓信號的取樣是通過電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。過壓設(shè)定值從電位器上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號在給定點(diǎn)附近波動時比較器抖動，這里將過壓保護(hù)的動作值整定為額定輸入電壓的110%。 欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長時間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時停電或瞬時電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件驅(qū)動功率不足而燒壞開關(guān)器件。一般欠壓信號從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過電壓時檢測出信號進(jìn)行保護(hù)，又不會因?yàn)槎虝r間因?yàn)樵谇冯妷?，過電壓并未構(gòu)成危險時而保護(hù)誤動作。欠壓保護(hù)電路的原理與過壓保護(hù)電路類似。其電壓取樣與過壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓低于設(shè)定值時(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號。其電路下圖所示。動作值整定為輸入電壓的85%。本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運(yùn)行前，變頻器本身可以對過載、過壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測其保護(hù)電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機(jī)控制發(fā)出各種等效故障信號，檢測對應(yīng)的保護(hù)電路是否動作，若動作則說明保護(hù)電路正常，反之說明保護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機(jī)對保護(hù)電路進(jìn)行檢查，直到顯示器顯示正常為止。故障自診斷電路工作過程如下：，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號分別送至過壓、欠壓保護(hù)電路。因SA4828的SET TRIP端為高電平有效,所以應(yīng)加上一個反相器,使其反相后輸出高電平。[13]： 故障自診斷電路 過流保護(hù)設(shè)計變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，造成管子失控?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動模塊EXB840中已經(jīng)有過流保護(hù)，但考慮到過大時IGBT還未來得及關(guān)斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM 公司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)磁場補(bǔ)償式電流傳感器來進(jìn)行電流的檢測。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應(yīng)了被測的電流。過流發(fā)生時，R上的壓降大于過流保護(hù)動作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動電路的輸入信號，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的功能。： 過流保護(hù)電路 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在整個控制系統(tǒng)中起著核心作用，從電流電壓的檢測到參數(shù)的計算、存儲和傳送，再到人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)，都是單片機(jī)在其中穿針引線，控制、協(xié)調(diào)各部分的工作。它的性能的好壞及工作的正常與否對整個控制系統(tǒng)有著重要的影響。在本設(shè)計中選用單片機(jī)課程學(xué)習(xí)到的Intel公司的8051單片機(jī)。8051是高性能的單片機(jī)，因受到引腳數(shù)目的限制，它屬于地址與數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)，可以與SA4828直接接口。其內(nèi)部有4KB的ROM， 因8051已經(jīng)比較常見和熟悉，這里不再詳細(xì)介紹。[15]。 模擬量的頻率給定通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入8051，轉(zhuǎn)化為SA4828的，啟動允許輸出。 單片機(jī)系統(tǒng)圖因8051的復(fù)用總線結(jié)構(gòu)，SA4828的MUX引腳應(yīng)該接高電平或懸空不接。8051的P0口與SA4828的AD口連接，提供8位數(shù)據(jù)和低8位地址，SA4828芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自8051的低八位地址，從而將AD口輸入的地址和數(shù)據(jù)分開，SA4828的地址鎖存器由8051的ALE引腳控制，同時連接的控制信號還有讀，寫信號,.，這樣SA4828的8個寄存器的地址為：寄存器R0～R5的地址：0000H～0005H。虛擬寄存器R14,R15的地址：000EH，000FH，使單片機(jī)能在異常情況下封鎖SA4828的輸出，（ ）,測量調(diào)試波的頻率，用于顯示。因8051的復(fù)位端為高電平有效，而SA4828為低電平有效，所以在兩者中間需要加上反相器。SA4828的引腳接一個發(fā)光二極管，當(dāng)SA4828的輸出被封鎖時，發(fā)光二極管亮，用于指示封鎖狀態(tài)。SA4828的六個輸出引腳分別通過各自的驅(qū)動電路來驅(qū)動逆變橋的六只開關(guān)管。5 變頻器軟件設(shè)計 流程圖。 程序設(shè)計流程