【文章內(nèi)容簡介】 直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。ECGID+RNVJ1++。IDRon。C。GE圖36所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)，稱為亞溝道區(qū)。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 圖36 N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N－溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N－層的空穴（少子），對N－層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N－層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。 主電路吸收電路的研究圖3—7 主電路吸收電路 吸收電路又稱為緩沖電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓，或者過電流和，減少器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可以分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。在無緩沖電路的情況下，IGBT開通時(shí)電流迅速上升，很大，關(guān)斷時(shí)很大，并出現(xiàn)很大的過電壓。在有緩沖電路的情況下，IGBT開通時(shí)緩沖電容C先通過R向IGBT放電，使電流先上一個(gè)臺階，以后因?yàn)橛幸种齐娐返腞，的上升速度減慢。在IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過VD向C分流，減輕了IGBT的負(fù)擔(dān)，抑制了和過電壓。本系統(tǒng)的主電路吸收電路如圖3—7所示。系統(tǒng)中電容值為33，電阻值為。IGBT在應(yīng)用時(shí)，其電壓上升不能太慢，但也不宜太快，電壓上升速率太高，需要較重的吸收電路才能使IGBT正常工作，但同時(shí)也增大了開關(guān)應(yīng)力，使器件壽命縮短。所以選擇適宜的電壓上升速率、較輕的吸收電路參數(shù)，能使器件長期可靠工作，圖38是逆變主電路有無吸收電路的波形比較。圖38 有吸收和無吸收電路的比較4．控制電路設(shè)計(jì) 控制電路硬件設(shè)計(jì)該逆變器的控制電路主要由AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)和SA8282 三相PWM 發(fā)生器構(gòu)成。單片機(jī)用于完成對SA8282 的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制, 同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號與數(shù)字信號的檢測以及保護(hù)功能的邏輯判斷等。由于SA8282和單片機(jī)共用一個(gè)石英晶體振蕩器， 故同步性能穩(wěn)定,漂移小。SA8282隔離驅(qū)動(dòng)EXB840AD0—AD7 ALE —ALEAT89C51圖41 控制電路原理圖采樣信號送入A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～5 V，故系統(tǒng)中選用霍爾電流傳感器CS600B系列，經(jīng)過變換得到相應(yīng)的直流電壓。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)單片機(jī)處理后，可完成對SA8282的初始化、輸出脈沖控制、頻率控制，同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等功能。AT89C51單片機(jī)在系統(tǒng)中用P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。P0口主要用于與ADC0809之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和給SA8282傳輸初始化數(shù)據(jù)并根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果調(diào)整SA8282的輸出。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，先進(jìn)行SA8282初始化寄存器編程，確定載波頻率、工作頻率范圍等參數(shù)，再進(jìn)行控制寄存器編程，確定調(diào)制工作頻率和調(diào)制比。這樣，就可以控制輸出PWM 信號，并通過EXB840驅(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)IGBT管。如圖41所示, SA8282 的地址數(shù)據(jù)總線與AT89C51的P0 口直接相連, 3 條控制線、WR、RD、ALE 分別與AT89C51相應(yīng)引腳相連, 片選信號CS 相接。 控制SA8281 的復(fù)位引腳RST。設(shè)計(jì)時(shí)將故障信號后直接送SA8282 的SET TRIP 引腳, 以實(shí)現(xiàn)有故障時(shí)的快速閉鎖, 并利用TRIP 產(chǎn)生中斷, 在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行故障的處理及恢復(fù)等工作?！妷航o定＋單片機(jī)PI算法SA8282SPWM驅(qū)動(dòng)器逆變器A/D圖42 單片機(jī)通過SA8282實(shí)現(xiàn)逆變電源閉環(huán)控制本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51是一種帶4字節(jié)閃爍可編程可擦除的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，有40個(gè)引腳，共分為電源線，接口線和控制線三類，其中接口線分為P0、PPP3,系統(tǒng)中僅用P0口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其管腳功能如下： ～ ： P08位雙向口線； ～ ：P18位雙向口線； ～ ：P28位雙向口線； ～ ：P38位雙向口線。ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時(shí)，有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問程序存儲控制信號。當(dāng)信號為低電平時(shí)，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當(dāng)信號為高電平時(shí)，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。RST：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號。VSS：地線。VCC：+5 V電源。表41 P3口各引腳與第二功能表引腳第二功能信號名稱RXD串行數(shù)據(jù)接收TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送外部中斷0申請外部中斷1申請T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入外部RAM寫選通外部RAM讀選通圖43 單片機(jī)AT89C51引腳圖 單片機(jī)是脈沖發(fā)生電路的控制中心，主要用于完成對SA8282 的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制, 同時(shí)完成閉環(huán)控制算法的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號與數(shù)字信號的檢測以及保護(hù)功能的邏輯判斷等[8]。 采樣及A/D轉(zhuǎn)化電路(1) 采樣電路① 采樣電路的作用 采樣輸出電路中電壓和電流的值，完成閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。② 使用元件及工作原理 本系統(tǒng)采用霍爾傳感器，在電力電子技術(shù)中，霍爾傳感器是比較理想的的快速檢測元件，霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，它在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。a．霍爾效應(yīng)　　如圖44所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為；式中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國物理學(xué)家霍爾于1879年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。圖44 霍爾效應(yīng)示意圖b．霍爾電流傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。圖45 霍爾電流傳感器示意圖本系統(tǒng)采用霍爾系列電流傳感器CS600B系列，具體應(yīng)用參數(shù)見下：表42 電參數(shù)型號CS050B單位IPN原邊額定輸入電流50AIP原邊電流測量范圍 0~177。100AVSN副邊額定輸出電壓4177。1%VVC電源電壓177。12～177。15（177。5%）VIC電流消耗 VC =177。15V 20mAVd絕緣電壓表43 動(dòng)態(tài)參數(shù)εL 線性度 1%FSV0零點(diǎn)失調(diào)電壓TA =25℃ 177。25mVVOM磁失調(diào)電壓 IPN→0 177。20mVVOT失調(diào)電壓溫漂 IP=0 TA =25～+85℃ 177。1M/℃Tr響應(yīng)時(shí)間 ≤3μsf頻帶寬度（3dB） DC～20kHz表44 一般參數(shù)TA工作環(huán)境溫度 –25～+85℃TS貯存環(huán)境溫度 –40～+100℃RL負(fù)載電阻 TA =25℃ ≥10KΩ標(biāo)準(zhǔn)Q/3201CHGL022002優(yōu)點(diǎn)：1．原邊與副邊之間高度絕緣； 2．最具競爭力的性能/價(jià)格； 3．穿孔結(jié)構(gòu)，無插入損耗； 4．安裝簡便，母排安裝； 5．體積小，重量輕。(2) A/D轉(zhuǎn)化電路 由于采樣得到信號是模擬信號，必須進(jìn)過A/D轉(zhuǎn)化后才能送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)化器ADC0809，ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 。圖46 ADC0809引腳圖ADC0809將采樣得到的電壓和電流值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，以確保輸出電壓的精確性。ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列見圖4—6。對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：IN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道。ALE——地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START——轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。A、B、C——地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK——時(shí)鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號由外界提供，因此有時(shí)鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高位。 OE——輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。REF——參考電源參考電壓。用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為(REF（+）=+5V, REF（）=5V)。，構(gòu)成ADC0809的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(START)和鎖存信號(ALE)，鎖存信號首先將地址ADDC，ADDB，ADDA鎖存，選中8路模擬輸入通道中的某一路，然后啟動(dòng)信號將A/D轉(zhuǎn)換器的逐次逼近寄存器復(fù)位并開始轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)ADC0809的EOC腳為低電平。大概10Ous以后，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC信號變?yōu)楦唠娖?。EOC信號經(jīng)過反向器后送入AT89C51的INTO腳，當(dāng)檢測至INTO腳的高電平以后，AT89C51發(fā)出讀信號RD，使輸出允許信號有效，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就通過數(shù)據(jù)總線送入AT89C51。ADC0809的時(shí)鐘輸入頻率為500KHz，由AT89C51的ALE信號經(jīng)74LS73二分頻后得到。ALE信號頻率: ADC時(shí)鐘頻率:，，又譯碼作為8路模擬通道的選通地址，需要分時(shí)復(fù)用。電路中一般要加地址鎖存器74LS373鎖存低位地址，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)通道的正確選擇和數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換。 圖47 AT89C51與ADC809接口電路圖 SPWM波形生成電路SPWM波形主要由SA8282芯片生成，它采用28 腳DIP 封裝。圖48所示是其引腳排列圖,其各引腳的功能說明如下：AD0～AD7 : 八位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線, 用于從微處理器接受地址與數(shù)據(jù)信息。WR(R/ W) 、RD(DS) 、ALE(AS) ： 此三個(gè)引腳為Intel (MOTOROLA) 控制模式；SA8282 在工作時(shí)可自動(dòng)適應(yīng)Intel 或MOTOROLA 控制模式，當(dāng)ALE(AS) 管腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)， SA8282 內(nèi)部檢測電路將自動(dòng)鎖存RD(DS) 線上的狀態(tài)，如果檢測結(jié)果為低電平，則采用MOTOROLA 控制模式；如果檢測結(jié)果為高電平，則采用Intel 控制模式。RST：復(fù)位端，低電平有效。CS：片選輸入，該控制線可使SA8282 與其它外圍接口芯片共享同一組總線。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB：標(biāo)準(zhǔn)TTL 電平輸出端口(即PWM驅(qū)動(dòng)信號) ，可分別驅(qū)動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件。TRIP：輸出封鎖狀態(tài)指示，用于表明輸出是否被鎖存，低電平有效