【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路中，我們選用2個(gè)2200uF/450VDC電容和2個(gè)1000uF/450VDC容兩兩串聯(lián)再并聯(lián)組成，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，所選電容能滿足設(shè)計(jì)要求?；趩纹瑱C(jī)控制新型高效率正弦波逆變電路的設(shè)計(jì)與仿真三、輸入濾波電感的設(shè)計(jì)我們可以根據(jù)保持負(fù)載電流連續(xù)的要求來(lái)選擇濾波電感L設(shè)最小負(fù)載功率 則 所以 取4mH。一、IGBT的選擇耐壓當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓為最高輸入電壓時(shí)，經(jīng)整流濾波后輸出的最高直流電壓為 考慮各種因素的影響取50％的裕量，則IGBT的最低耐壓為 IGBT的電流在一些參數(shù)未知的情況下，我們需要估算IGBT的電流，以便選擇IGBT管。輸入電網(wǎng)電壓經(jīng)輸入整流濾波后，=.其中所以可選擇IGBT的額定電流為25A。綜上所述，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們可選擇日本富士公司生產(chǎn)的2MBI25L120（2單元25A/1200V）型IGBT管，該管耐壓1200V，電流容許值為25A。二、輸出LC濾波電路經(jīng)全橋逆變器輸出的電壓中，逆變開關(guān)頻率一般都比較高，從幾KHz到幾MHz的都有。對(duì)幾KHz至十幾KHz的脈沖電壓進(jìn)行濾波時(shí)，一般對(duì)紋波電壓要求不是太高，所以可以忽略濾波電解電容等效串聯(lián)電阻(ESR)，并且頻率不高時(shí)，其等效串聯(lián)阻抗ESZ也不大，影響也不嚴(yán)重。但是，隨著頻率的升高，電解電容引線電感L造成的等效串聯(lián)阻抗ESZ就會(huì)上升，明顯地增加輸入電壓的紋波。所以計(jì)算LC參數(shù)，要分別情況根據(jù)工作頻率范圍設(shè)計(jì)。允許電抗器的電流波動(dòng)峰－峰值逆變器輸出脈沖電壓峰值由于逆變器輸出的是SPWM電壓，所以在設(shè)計(jì)濾波LC參數(shù)時(shí)，我們可以考慮如下情況：當(dāng)濾波輸出的平均電壓=311V，此時(shí)、所以由式L=LmoniVVT?(2?0)[13]，得L=(513?311)=，由式，得，所以L取15mH。設(shè)電容上電壓紋波為3V，由式，得，取10uF。所以L為工頻電感，電感量可選為15mH，為減小噪聲，選閉合鐵芯，如OD型硅鋼鐵芯（400Hz）或鐵粉芯鐵芯。C為工頻電容，可以選CBB6110uF250VAC。 RCD緩沖電路的設(shè)計(jì)緩沖電路也稱作吸收電路，它是一種保護(hù)電路，其目的是在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)防止在開關(guān)管上產(chǎn)生過(guò)電壓，另外它也能改變開關(guān)管開關(guān)過(guò)程中電壓和電流的波形軌跡，使開關(guān)“軟化”，以減少開關(guān)損耗。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選用IGBT作為開關(guān)器件，由于IGBT開關(guān)速度快，當(dāng)IGBT由通態(tài)迅速關(guān)斷時(shí)，有很大的－di/dt產(chǎn)生。該－di/dt在主回路的布線電感上引起較大的尖峰電壓－Ldi/dt，這個(gè)尖峰電壓與直流電源電壓疊加后加在關(guān)斷的IGBT的集射兩極之間。如果尖峰電壓很大，可能使疊加后的電壓超過(guò)反向安全工作區(qū)，或者由于dU/dt太大引起誤導(dǎo)通，兩者都有損于IGBT。因此為保護(hù)IGBT，我們?cè)赟PWM逆變電路中設(shè)置了RCD緩沖電路。具有緩沖電路的逆變器的一個(gè)橋臂如圖35所示。為了分析緩沖電路的工作原理，把圖35簡(jiǎn)化后示于圖36。圖37是其工作波形。如圖35所示，假定當(dāng)前工作狀態(tài)為T1導(dǎo)通，T2截止，此時(shí)，電源正極經(jīng)TDs2對(duì)Cs2充電，Cs2上電壓為Ed，且T1中電流的另一部分流入負(fù)載（見圖36），Cs1處于放電狀態(tài)，其電壓漸漸低于Ed。當(dāng)T1的觸發(fā)信號(hào)取消后，T1即開始關(guān)斷，為了保持負(fù)載電流連續(xù)，T2上的續(xù)流二極管FWD導(dǎo)通，如圖36所圖中：Lm－直流母線分布總電感，Lm=L1+L2 I0－關(guān)斷前集電極輸出電流Ls－緩沖電路布線電感Ucesp－Ls上引起的反電動(dòng)勢(shì)Cs－緩沖電路電容Ucep－Cs上充電尖峰電壓Ds－緩沖電路二極管Ed－直流電源電壓Rs－緩沖電路電阻Ufp(ds)－Ds上正向恢復(fù)電壓示。緩沖二極管VDs陰極基本上被鉗制在Ed負(fù)極電位上（忽略續(xù)流管壓降），由于Cs兩端電壓不會(huì)突變，VDs處于正向偏置而導(dǎo)通。另外，分布電感Lm仍以維持Ic不變的趨勢(shì)經(jīng)Ls向Cs充電，在Ls上產(chǎn)生－LsdIc/dt反電動(dòng)勢(shì)（左正右負(fù)）。由于VDs在導(dǎo)通過(guò)程中具有正向過(guò)渡特性，開始時(shí)有較大的正向瞬時(shí)電壓（40－60V），見圖37(a)。因此，加在T1集射兩端的電壓是Ls、Cs、VDs支路電壓的總和，即隨著充電過(guò)程進(jìn)行，VDs正向過(guò)渡特性很快結(jié)束，其正向壓降逐步減到零，見圖37(a)，Uce從Ucesp逐漸減小。但隨著Cs的充電，其兩端電壓又逐步升高，因此，Uce又逐步回升達(dá)到Ucep，如式(31)。Cs充電過(guò)程停止，接著Cs經(jīng)（Ls+Lm）、Ed、FWD、VDs構(gòu)成的LC電路開始放電。由于Ls上反電動(dòng)勢(shì)改變方向（左負(fù)右正），Uce產(chǎn)生一個(gè)負(fù)下跳－Lsdids/dt，VDs上開始出現(xiàn)反向恢復(fù)電流。當(dāng)反向電流ids達(dá)到最大時(shí)，就開始減小，Ls上反電動(dòng)勢(shì)又改變方向（左正右負(fù)），Uce又出現(xiàn)一個(gè)上跳，二極管VDs進(jìn)入關(guān)斷過(guò)程，VDs上承受反向電壓Uds如式(32)所示，（Lm+Ls）上反電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)。VDs關(guān)斷后，ids＝0，(Lm+Ls)上反電動(dòng)勢(shì)消失，VDs上承受的反向電壓Uds=UcepEd=ΔUce。 (31) (32)式中，idsr為VDs的反向恢復(fù)電流。ΔUce是前面Lm經(jīng)Ls向Cs充電時(shí)產(chǎn)生的高出直流電壓Ed的部分，此時(shí)成為反偏壓全加在VDs的兩端。2．緩沖電路參數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生過(guò)電壓的根本原因是主回路的布線電感Lm，其間存儲(chǔ)的電能為 (33)緩沖電路能吸收的能量為 (34)令式(3－3)等于式(3－4)，有為確保Lm中能量全部被Cs吸收，應(yīng)取式中，；(額定值)；；。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，取2uH，。則，取30。緩沖電阻的要求是，IGBT關(guān)斷時(shí)，Cs上積累電荷的90％能及時(shí)釋放掉，可由式35確定。阻值過(guò)小，緩沖電路可能振蕩，IGBT導(dǎo)通時(shí)電流增加。 (35)緩沖電阻產(chǎn)生的損耗P(RS)與阻值無(wú)關(guān)，可由下式確定：式中系數(shù)10是電阻互特?cái)?shù)的裕度系數(shù)，以防溫升過(guò)高，f為開關(guān)頻率。所以可計(jì)算如下：在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用多個(gè)電阻串并聯(lián)來(lái)滿足電阻的阻值和功率要求。實(shí)用緩沖電路可參照?qǐng)D33所示，我們可以使每個(gè)雙單元IGBT模塊使用一個(gè)緩沖電路。值得一提的是,在選擇緩沖電路元件時(shí)應(yīng)該注意，緩沖電容盡量用無(wú)感電容，緩沖二極管必須是正向過(guò)渡電壓低，反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)特性軟的二極管?；謴?fù)時(shí)間長(zhǎng)，二極管功耗大，恢復(fù)特性硬，容易引起IGBT集射間電壓振蕩。接線時(shí)，應(yīng)盡量使Cs、VDs緊靠IGBT，以減小分布電感。因系統(tǒng)輸入市電電壓是波動(dòng)的，而輸出要求是穩(wěn)定的220V電壓，所以需經(jīng)采樣電路采樣輸出電壓，得到的模擬量再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送往單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)一定的算法使輸出電壓穩(wěn)定在220V。本系統(tǒng)的采樣電路如圖38所示，輸出電壓經(jīng)變壓器變壓后再經(jīng)整流堆整流，輸出的是脈動(dòng)的電壓，此電壓再經(jīng)電阻R6和電容C5組成的濾波器濾波后，成為穩(wěn)定的直流電壓 ，經(jīng)可變電阻R7調(diào)節(jié)后送往A/D轉(zhuǎn)換電路。我們可以調(diào)節(jié)電路，使得當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓有效值是220VAC時(shí)，該電路可在系統(tǒng)輸出電壓的一定變化范圍內(nèi)具有線性關(guān)系。 采樣電路得到的模擬信號(hào)必須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能送往單片機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中，我們采用ADC0809，它是CMOS工藝、采用逐次逼近法的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，28腳雙列直插式封裝，片內(nèi)除A/D轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開關(guān)部分。ADC0809最多允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，圖39是它與單片機(jī)AT89C51的接口電路。ADC0809由8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存譯碼器等組成。其引腳功能說(shuō)明如下：為8個(gè)輸入通道的模擬輸入端。為8位數(shù)字量輸出端。START為啟動(dòng)信號(hào)，加上正脈沖后，A/D轉(zhuǎn)換開始進(jìn)行。ALE為地址鎖存信號(hào)，高電平時(shí)把三個(gè)地址信號(hào)送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，是芯片的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換開始后，EOC信號(hào)變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC返回高電平。這個(gè)信號(hào)可以作為A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)來(lái)查詢，也可以直接用做中斷請(qǐng)求信號(hào)。OE為輸出允許控制端。CLK為時(shí)鐘信號(hào)，最高允許值為640KHz。VREF(+)和VREF()為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。圖39為ADC0809與AT89C51的接口，在此，我們采用查詢方式。這里將ADC0809作為一個(gè)外部擴(kuò)展并行I/O口，由于只采樣一個(gè)通道值，所以在此我們采用固定尋址法，只尋址IN0通道，另外， 聯(lián)合控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)端START。啟動(dòng)ADC0809的工作過(guò)程是：先由ALE信號(hào)鎖存通道地址000，后由START有效啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，即執(zhí)行一條MOVX@DPTR,A指令產(chǎn)生WR信號(hào)，使ALE、START有效，鎖存通道號(hào)并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完畢，EOC端發(fā)出一正脈沖供單片機(jī)查詢，最后執(zhí)行MOVX A,@DPTR產(chǎn)生信號(hào)使OE端有效，打開輸出鎖存器三態(tài)門，8位數(shù)據(jù)就讀入到CPU中。ADC0809的時(shí)鐘取自AT89C51的ALE經(jīng)二分頻雙D觸發(fā)器之一后的信號(hào)（接CLK端）。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢，AT89C51讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量時(shí)，需使用MOVX A,@DPTR指令，在如圖39所示的接口電路中，ADC0809與片外RAM統(tǒng)一編址，在使用MOVX指令時(shí)一個(gè)周期內(nèi)丟失一個(gè)ALE脈沖，但這不影響A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間。 SPWM波產(chǎn)生芯片SA4828及其應(yīng)用 SA4828工作原理SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成芯片。它既可以單獨(dú)使用，也可以與大多數(shù)型號(hào)的單片機(jī)接口。該芯片的主要特點(diǎn)為：全數(shù)字控制；兼容Intel系列和Motorala系列單片機(jī)；輸出調(diào)制波頻率范圍0－4KHz；16位調(diào)速分辨率；載波頻率最高可達(dá)24KHz；內(nèi)部ROM固化3種可選波形；可選最小脈寬和延遲時(shí)間（死區(qū)）；可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載；看門狗定時(shí)器。 SA4828采用28腳的DIP和SOIC封裝，其引腳如圖310所示，各引腳功能如下：①輸入類引腳說(shuō)明:地址或數(shù)據(jù)輸入通道。SET TRIP:通過(guò)該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號(hào)輸出，高電平有效。：硬件復(fù)位引腳，低電平有效，復(fù)位后，寄存器的、WTE和RST各位為0。CLK：時(shí)鐘輸入端，SA4828既可以單獨(dú)外接時(shí)鐘，也可以與單片機(jī)共用時(shí)鐘。MUX：用于總線選擇，當(dāng)MUX高電平時(shí)，使用地址與數(shù)據(jù)共用的總線，這時(shí)，地址/數(shù)據(jù)引腳RS不用，當(dāng)MUX低電平時(shí)，使用地址/數(shù)據(jù)分開的總線，這時(shí)，地址鎖存引腳ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來(lái)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)。：片選引腳、 、ALE：用于“ ”模式，分別接收寫、讀、地址鎖存指令。、AS、DS：用于 模式，分別接收讀/寫、地址、數(shù)據(jù)指令。②輸出類引腳說(shuō)明RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。它們都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個(gè)輸出都有12mA的驅(qū)動(dòng)能力，本例中，由于RPHB和RPHT各要驅(qū)動(dòng)兩塊驅(qū)動(dòng)電路EXB841，所以采用如圖319所示的接法。：該引腳輸出一個(gè)封鎖狀態(tài)，當(dāng)SETTRIP有效時(shí)，為低電平，表示已被封鎖，它有12mA的驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED指示燈。ZPPR：該引腳輸出調(diào)制波頻率。WSS：該引腳輸出采樣波形。SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖311所示，來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器，它們對(duì)相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所設(shè)定的片內(nèi)ROM中的調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成SPWM輸出脈沖，通過(guò)脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖，因?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開關(guān)管的損耗，通過(guò)脈沖延遲電路生成死區(qū)時(shí)間，保證任何橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路，看門狗定時(shí)器用來(lái)防止程序跑飛，當(dāng)時(shí)間條件滿足時(shí)快速封鎖輸出。圖311SA4828內(nèi)部原理圖片內(nèi)ROM存有三種可供選擇的波形，它們是純正弦波形，增強(qiáng)型波形和高效型波形，如圖312所示，每一種波形各1536個(gè)采樣值，增強(qiáng)型波形又稱三次諧波，它可以使輸出功率提高20％，三相諧波互相抵消，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進(jìn)一步優(yōu)化的三次諧波，可以減小逆變開關(guān)管的損耗，提高功率利用率。圖312片內(nèi)ROM存儲(chǔ)的三種波形寄存器列陣包含8個(gè)8位寄存器R0R5和R1R15。其中R0R5用來(lái)暫存來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能是初始化數(shù)據(jù)，或者是控制數(shù)據(jù)；而R1R15是兩個(gè)虛擬的寄存器，物理上不存在。當(dāng)向R14寫操作時(shí)，實(shí)際是將R0R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器，當(dāng)向R15寫操作時(shí)，是將R0R5中存放的48位數(shù)據(jù)送入控制寄存器。各寄存器地址如表1所列。表1各寄存器地址 SA4828與單片機(jī)的連接SA4828與單片機(jī)接口的原理圖如圖313所示，本系統(tǒng)中，我們選用的是ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)。AT89C51屬于地址與數(shù)據(jù)總線復(fù)用類的單片機(jī)，因此，SA4828芯片的MUX引腳接高電平或者懸空不接。通過(guò)AT89C51的P0口與SA4828的AD口相連，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(lái)自AT89C51的低8位地址，從而將AD口輸入的地址與數(shù)據(jù)分開。SA4828的地址鎖存器由AT89C51的ALE信號(hào)控制。同時(shí)，連接的控制信號(hào)還有讀、寫信號(hào) 和。SA4828的片選信號(hào)接地，這樣SA4828的8個(gè)寄存器的地址為：寄存器R0∽R(shí)5的地址：0000H∽0005H虛擬寄存器R1R15的地址：000EH、000FHS