【文章內(nèi)容簡介】 路中，我們選用2個2200uF/450VDC電容和2個1000uF/450VDC容兩兩串聯(lián)再并聯(lián)組成，經(jīng)仿真和實驗證明，所選電容能滿足設(shè)計要求。基于單片機控制新型高效率正弦波逆變電路的設(shè)計與仿真三、輸入濾波電感的設(shè)計我們可以根據(jù)保持負(fù)載電流連續(xù)的要求來選擇濾波電感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，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。對幾KHz至十幾KHz的脈沖電壓進(jìn)行濾波時，一般對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，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就會上升，明顯地增加輸入電壓的紋波。所以計算LC參數(shù)，要分別情況根據(jù)工作頻率范圍設(shè)計。允許電抗器的電流波動峰－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)計濾波LC參數(shù)時，我們可以考慮如下情況：當(dāng)濾波輸出的平均電壓=311V，此時、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)斷時防止在開關(guān)管上產(chǎn)生過電壓，另外它也能改變開關(guān)管開關(guān)過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，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，我們在SPWM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橋臂如圖35所示。為了分析緩沖電路的工作原理，把圖35簡化后示于圖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，電源正極經(jīng)TDs2對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上引起的反電動勢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不變的趨勢經(jīng)Ls向Cs充電，在Ls上產(chǎn)生－LsdIc/dt反電動勢（左正右負(fù)）。由于VDs在導(dǎo)通過程中具有正向過渡特性，開始時有較大的正向瞬時電壓（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，即隨著充電過程進(jìn)行，VDs正向過渡特性很快結(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上反電動勢改變方向（左負(fù)右正），Uce產(chǎn)生一個負(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，就開始減小，Ls上反電動勢又改變方向（左正右負(fù)），Uce又出現(xiàn)一個上跳，二極管VDs進(jìn)入關(guān)斷過程，VDs上承受反向電壓Uds如式(32)所示，（Lm+Ls）上反電動勢為左正右負(fù)。VDs關(guān)斷后，ids＝0，(Lm+Ls)上反電動勢消失，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充電時產(chǎn)生的高出直流電壓Ed的部分，此時成為反偏壓全加在VDs的兩端。2．緩沖電路參數(shù)的計算產(chǎn)生過電壓的根本原因是主回路的布線電感Lm，其間存儲的電能為 (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)計中，取2uH，。則，取30。緩沖電阻的要求是，IGBT關(guān)斷時，Cs上積累電荷的90％能及時釋放掉，可由式35確定。阻值過小，緩沖電路可能振蕩，IGBT導(dǎo)通時電流增加。 (35)緩沖電阻產(chǎn)生的損耗P(RS)與阻值無關(guān)，可由下式確定：式中系數(shù)10是電阻互特數(shù)的裕度系數(shù)，以防溫升過高，f為開關(guān)頻率。所以可計算如下：在實際應(yīng)用中，應(yīng)用多個電阻串并聯(lián)來滿足電阻的阻值和功率要求。實用緩沖電路可參照圖33所示，我們可以使每個雙單元IGBT模塊使用一個緩沖電路。值得一提的是,在選擇緩沖電路元件時應(yīng)該注意，緩沖電容盡量用無感電容，緩沖二極管必須是正向過渡電壓低，反向恢復(fù)時間短、反向恢復(fù)特性軟的二極管。恢復(fù)時間長，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，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A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送往單片機，單片機通過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，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路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，圖39是它與單片機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。其引腳功能說明如下：為8個輸入通道的模擬輸入端。為8位數(shù)字量輸出端。START為啟動信號，加上正脈沖后，A/D轉(zhuǎn)換開始進(jìn)行。ALE為地址鎖存信號，高電平時把三個地址信號送入地址鎖存器，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，是芯片的輸出信號。轉(zhuǎn)換開始后，EOC信號變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC返回高電平。這個信號可以作為A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號來查詢，也可以直接用做中斷請求信號。OE為輸出允許控制端。CLK為時鐘信號，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作為一個外部擴展并行I/O口，由于只采樣一個通道值，所以在此我們采用固定尋址法，只尋址IN0通道，另外， 聯(lián)合控制啟動轉(zhuǎn)換信號端START。啟動ADC0809的工作過程是：先由ALE信號鎖存通道地址000，后由START有效啟動A/D轉(zhuǎn)換，即執(zhí)行一條MOVX@DPTR,A指令產(chǎn)生WR信號，使ALE、START有效，鎖存通道號并啟動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查詢，最后執(zhí)行MOVX A,@DPTR產(chǎn)生信號使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的時鐘取自AT89C51的ALE經(jīng)二分頻雙D觸發(fā)器之一后的信號（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，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指令時一個周期內(nèi)丟失一個ALE脈沖，但這不影響A/D轉(zhuǎn)換的時間。 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信號發(fā)生和控制的集成芯片。它既可以單獨使用，也可以與大多數(shù)型號的單片機接口。該芯片的主要特點為：全數(shù)字控制；兼容Intel系列和Motorala系列單片機；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間（死區(qū)）；可單獨調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載；看門狗定時器。 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輸入類引腳說明:地址或數(shù)據(jù)輸入通道。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。：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：時鐘輸入端，SA4828既可以單獨外接時鐘，也可以與單片機共用時鐘。MUX：用于總線選擇，當(dāng)MUX高電平時，使用地址與數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址/數(shù)據(jù)引腳RS不用，當(dāng)MUX低電平時，使用地址/數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存引腳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。它們都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一個輸出都有12mA的驅(qū)動能力，本例中，由于RPHB和RPHT各要驅(qū)動兩塊驅(qū)動電路EXB841，所以采用如圖319所示的接法。：該引腳輸出一個封鎖狀態(tài)，當(dāng)SETTRIP有效時，為低電平，表示已被封鎖，它有12mA的驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動一個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，來自單片機的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器，它們對相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時鐘輸入經(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，自動生成SPWM輸出脈沖，通過脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖，因為這樣的脈沖不起任何作用，只會增加開關(guān)管的損耗，通過脈沖延遲電路生成死區(qū)時間，保證任何橋臂上的兩個開關(guān)管不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路，看門狗定時器用來防止程序跑飛，當(dāng)時間條件滿足時快速封鎖輸出。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，增強型波形和高效型波形，如圖312所示，每一種波形各1536個采樣值，增強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，防止電動機發(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存儲的三種波形寄存器列陣包含8個8位寄存器R0R5和R1R15。其中R0R5用來暫存來自單片機的數(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是兩個虛擬的寄存器，物理上不存在。當(dāng)向R14寫操作時，實際是將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，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與單片機的連接SA4828與單片機接口的原理圖如圖313所示，本系統(tǒng)中，我們選用的是ATMEL公司的AT89C51單片機。AT89C51屬于地址與數(shù)據(jù)總線復(fù)用類的單片機，因此，SA4828芯片的MUX引腳接高電平或者懸空不接。通過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信號控制。同時，連接的控制信號還有讀、寫信號 和。SA4828的片選信號接地，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R1R15的地址：000EH、000FHS