【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 逆變電路主電路結(jié)構(gòu)圖 基于人的聽(tīng)力范圍為20Hz到20kHz，開(kāi)關(guān)電路工作頻率應(yīng)大于20kHz。開(kāi)關(guān)頻率的提高能夠減小濾波電感電容的大小，以及高頻變壓器的體積，從而使高頻率的開(kāi)關(guān)電源能夠做的很小?；陬l率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大的考慮，這里初定芯片工作頻率為20kHz。：計(jì)算系統(tǒng)等效負(fù)載電阻，即 () ()。： ()（二）控制電路設(shè)計(jì)控制電路采用SPWM方式，由正弦波與三角波比較得到SPWM控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路則可以驅(qū)動(dòng)IGBT。在驅(qū)動(dòng)電路之前需要加上死區(qū)電路。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將SPWM信號(hào)進(jìn)行整形和功率放大，更好地控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。在采樣控制理論中有這樣一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)劈刺相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等。這就是SPWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。同樣對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 PWM波代替正弦半波PWM逆變電路可以分成電壓型和電流型兩種，但目前的實(shí)際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路，下面我們主要分析電壓型PWM逆變電路的控制方法。計(jì)算法：根據(jù)PWM控制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度間隔就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。這種方法稱之為計(jì)算法。調(diào)制法：即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波和鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。在實(shí)際中應(yīng)用的主要是調(diào)制法,因此本設(shè)計(jì)中使用調(diào)制法。由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。 自然采樣法是以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。 因此在實(shí)際工程中，自然采樣法應(yīng)用比較少。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的，這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱，這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。 規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。除上述兩種方法外，還有一種方法叫做等面積法。該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。而且隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生正弦信號(hào)和三角波信號(hào)，使得電路的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，而且功能更加齊全。本次設(shè)計(jì)采用硬件調(diào)制法，通過(guò)SPWM芯片產(chǎn)生所需要的正弦脈沖調(diào)寬波。3．IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)根據(jù)IGBT的特性,其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求如下:(1)提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷?使IGBT能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降,但若UGE過(guò)大,則負(fù)載短路時(shí)其IC隨UGE增大而增大,對(duì)其安全不利,使用中選UGE=15V為好。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導(dǎo)通,一般選UGE=5V為宜。(2)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮。快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率,減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下,IGBT的開(kāi)頻率不宜過(guò)大,因?yàn)楦咚匍_(kāi)斷和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓,及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。(3)IGBT開(kāi)通后,驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值,使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞。(4)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響,RG較大,有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率,但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。RG較小,會(huì)引起電流上升率增大,使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān),一般在幾歐～幾十歐,小容量的IGBT其RG值較大，可以減少電路的震蕩。(5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的保護(hù)功能。IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配,另外,在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下,G—E兩端不能開(kāi)路。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開(kāi)關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。采用隔離驅(qū)動(dòng)方式時(shí)需要將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。 光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點(diǎn)?？焖俟怦畹乃俣纫矁H幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強(qiáng)度高，dv/dt共模干擾抑制能力強(qiáng)。但信號(hào)的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號(hào)的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50％,信號(hào)的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復(fù)雜。 凡是隔離驅(qū)動(dòng)方式，每路驅(qū)動(dòng)都要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，已有多種集成厚膜驅(qū)動(dòng)器推出。如EXB840/84EXB850/85M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等，它們均采用的是光耦隔離，仍受上述缺點(diǎn)的限制。美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器,它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。 IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14腳封裝。具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=177。50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5～15V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有177。5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500kHz；開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。 IR2110工作原理：當(dāng)HIN為高電平時(shí),VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的柵極和源極之間，C1通過(guò)VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時(shí)C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí)LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg2迅速對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使S2在S1開(kāi)通之前迅速關(guān)斷。 當(dāng)HIN為低電平時(shí)：VM1關(guān)斷，VM2導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg1迅速放電使S1關(guān)斷。經(jīng)過(guò)短暫的死區(qū)時(shí)間LIN為高電平，VM3導(dǎo)通，VM4關(guān)斷使VCC經(jīng)過(guò)Rg2和S2的柵極和源極形成回路，使S2開(kāi)通。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C1和S2形成回路，對(duì)C1進(jìn)行充電，迅速為C1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。 其11引腳（SD）為芯片關(guān)斷控制端，當(dāng)SD為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)斷輸出。場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)輸入信號(hào)，逆變電源停止輸出。IR2110工作特點(diǎn)： (1) 具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。 (2) 懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。 (3) 輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10—20V。 (4) 邏輯電源的輸入范圍（腳9）5—15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有5V的偏移量。 (5) 工作頻率高，可達(dá)500kHz。 (6) 開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。 (7) 圖騰柱輸出峰值電流2A。（1）自舉電容設(shè)計(jì)IGBT 和 PM（POWERMOSFET）具有相似的門極特性。開(kāi)通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開(kāi)通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓（10V，高壓側(cè)鎖定電壓為 ）要高；再假定在自舉電容充電路徑上有 的壓降（包括 VD1 的正向壓降）；最后假定有 1/2 的柵電壓（柵極門檻電壓 VTH 通常 3～5V）因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件， 工程應(yīng)用取 ()由特性曲線知,東芝GT15J30型IGBT 充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷 Qg=40nC,VCC=15V，那么 ()可取 C1=50nF,且耐壓大于 35V 的電容。(2)自舉二極管的選擇自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件，它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開(kāi)關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。此處二極管受到400V的反向直流電壓，承受的電流大約為4020=800μA。選取東芝CMF03快恢復(fù)二極管。 IR2110的驅(qū)動(dòng)電路（3）其他器件的選取為了提供反向偏壓，,分壓電容取100μF，柵極電阻取20Ω。高壓側(cè)限流電阻為100kΩ,低壓側(cè)限流電阻取為2kΩ,電壓取20V。仿真條件為：占空比為50%的標(biāo)準(zhǔn)脈沖波；開(kāi)關(guān)都為理想開(kāi)關(guān)器件；芯片電源直接添加，且為理想的電源；主電路為半橋式逆變電路，其直流電源為兩個(gè)相同的理想電壓源；圖中的自舉電容和自舉二極管的選取由上文（1），（2）得到。其余的電容都為管腳的去耦電容，其作用為低通濾波，濾除電壓尖峰和脈動(dòng)。 IR2110的仿真電路圖高壓側(cè)輸入輸出波形如下圖所示 高壓側(cè)輸入輸出波形低壓側(cè)輸入輸出波形如下圖所示 低壓側(cè)輸入輸出波形從仿真結(jié)果可以看出，輸入電壓為占空比為50%的矩形脈沖波，輸出波形跟蹤輸入波形，也為占空比為50%的矩形脈沖波，但是輸入沒(méi)有負(fù)壓，而輸出有大約為5V的負(fù)電壓，可以保證IGBT可靠關(guān)斷，減小拖尾電流。高低壓端的響應(yīng)相似，都能跟蹤輸入波形，從仿真結(jié)果還可以看出經(jīng)過(guò)IR2110后，輸出波形出現(xiàn)毛刺。4．死區(qū)電路的設(shè)計(jì)由于IGBT存在一定的結(jié)電容，所以會(huì)造成器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象。一般在設(shè)計(jì)電路時(shí)已盡量降低該影響，比如盡量提高控制極驅(qū)動(dòng)電壓電流，設(shè)置結(jié)電容釋放回路等。為了使IGBT工作可靠，避免由于關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，有必要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，也就是上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間。死區(qū)時(shí)間可有效地避免延遲效應(yīng)所造成的一個(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，避免直通炸掉模塊。死區(qū)時(shí)間大，模塊工作更加可靠，但會(huì)帶來(lái)輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時(shí)間小，輸出波形要好一些，只是會(huì)降低可靠性，一般為us級(jí)。,IR2110只能提供10ns的死區(qū)時(shí)間，需要額外提供2us的死區(qū)時(shí)間。Uc 死區(qū)電路如圖所示，死區(qū)電路由一個(gè)與門和一個(gè)施密特整形電路組成。只有與門兩個(gè)的輸入都為高電平時(shí)，輸出才為高電平。當(dāng)輸出脈沖為高電平時(shí)，對(duì)阻容電路進(jìn)行充電，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，電容充電到與門的閾值電壓（），與門才輸出高電平。電容電壓： ()帶入得： ()計(jì)算得到τ=,取電容為1nF,。 仿真條件：輸入脈沖為互補(bǔ)的占空比為50%的矩形脈沖，兩個(gè)脈沖之間沒(méi)有死區(qū)，如下圖所示： 輸入脈沖波形圖 輸出脈沖跟蹤輸入脈沖，也為互補(bǔ)的占空比接近50%的矩形脈沖，但由于死區(qū)電路，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，形成了大約為2μs的死區(qū)。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于二極管正導(dǎo)通，電容迅速放電，不會(huì)有死區(qū)，輸出波形如下圖所示： 輸出脈沖波形圖由仿真結(jié)果可以看出