【導(dǎo)讀】開UPS不間斷電源，這已成為信息業(yè)界乃至各行各業(yè)的共識(shí)。和形式來(lái)考慮其設(shè)計(jì)方案。整個(gè)UPS主電源裝置由整流/充電器、逆變器、靜態(tài)旁路、維修旁路等部分組成。旁路為UPS定期檢修或故障維修時(shí)提供旁路電源。基于電源技術(shù)的高頻化、以上)在線式智能UPS不間斷電源。直流濾波電抗器和濾波電解電容的設(shè)計(jì)??????PWM逆變器的基本原理及PWM波的生成方法????33UPS逆變器控制電路

　　

【正文】 ， PWM控制技術(shù)得到了很快的發(fā)展， PWM型逆變電路獲得了廣泛的應(yīng)用。如今， PWM控制技術(shù)己成為電力電子 技術(shù)中一個(gè)非常重要的組成部分，它對(duì)提高電力電子裝置的性能，推動(dòng)電 力電子技術(shù)的發(fā)展起著巨大作用。 PWM逆變器的基本 原理及 PWM波的生成方法 正因?yàn)?PWM控制技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逆變電路越來(lái)越多地采 用 PWM控制方式。 下面詳述 PWM逆變器的基本原理。 在采樣控制理論中，有一個(gè)重要結(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，其效果基本相同即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相 同。這個(gè)結(jié)論是 PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。下面以正弦脈寬調(diào)制 SPWM為 例說(shuō)明 PWM控制的基本原理。 (a） (b) 圖 42 PWM控制的基本原理示意圖 如圖 42所示，在圖 42a中，將正弦半波分成 N等份，把正弦半波 看成由 N 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 n/N，但幅值不等，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。如果此脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序 列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，并且使矩形脈沖 和相應(yīng)正弦部分面積即沖量相等，就得到了如圖 42b所示的脈沖序列。 這就是 PWM波形。從中可看出 PWM各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根 據(jù)沖量相等效果相同的原理，此 PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦 負(fù)半周，可用同樣的方法得到相應(yīng)的 PWM波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī) 律變化而和正弦波等效的 PWM波形，成為 SPWM波形。 在 PWM波形中，要改變等效輸出正弦波的幅值只要按同一比例改變各 脈沖的寬度即可。 80C196MC單片機(jī)產(chǎn)生 SPWM波形 根據(jù)上面分析的原理 ，我們選用 80C196MC來(lái)產(chǎn)生 SPWM波形。下面分 析80C196MC單片機(jī)內(nèi)部 PWM波形發(fā)生器 WFG ( Wave Form Generator ) 的原理及如何產(chǎn)生 SPWM波形。圖 43給出了 WFG的原理框圖。 正弦調(diào)制波 相位比 較器 三角載波 死區(qū)信號(hào)時(shí) 緩沖器 間發(fā)生器 輸 出 圖 43 80C196MC產(chǎn)生 SPWM波形原理框圖 WFG有三個(gè)同步的 PWM模塊，可輸出三相互補(bǔ) PWM波形。三對(duì)輸出為 WG1和 /WGI, WG2和 /WG2, WG3和 /WG3,輸出受 WG＿ OUT專用寄存器的控制。 WG＿ OUT寄存器確定 WFG時(shí)基計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方式 (向上或向下 )、工作 方式 (方式 0、 3)。 下面以中心對(duì)準(zhǔn)工作方式 0為例 說(shuō)明 WFG產(chǎn)生 PWM波的原理。 當(dāng) WFG的時(shí)基發(fā)生器開始工作時(shí)，時(shí)基計(jì)數(shù)器開始向上計(jì)數(shù)，原始輸 出有效。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值和相位比較寄存器的值相等時(shí)即 WG＿ COUNT=WG＿ COMP時(shí)，輸出變?yōu)闊o(wú)效。然后計(jì)數(shù)器繼續(xù)向上計(jì)數(shù)，直至 WG＿ COUNT=WG ＿RELOAD，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到峰頂時(shí)，產(chǎn)生一次 WG中斷，發(fā)生一次相位比 較寄存器修改值的重裝載。隨后計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)，這期間一對(duì)互補(bǔ)輸出均 無(wú)效，直至 WG＿ COUNT再次等于相位寄存器 WG＿ COMP的值，輸出又變?yōu)? 有效，直至 WG＿ COUNT又一次等于 WG＿ COMP輸出再次變?yōu)闊o(wú)效。如此反 復(fù)，在 WGx和 /WGx產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ) PWM輸出波形，如圖 44所示。圖中： Tc=4*WG_RELOAD/Fxta(us) （ 41） ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 WG＿ RELOAD WGCOUNT WGCOMP WG Tc /WG1 WG1 WFG DT Tdead /WG1 WG1 圖 44 波形發(fā)生器產(chǎn)生中心對(duì)準(zhǔn) PWM 其中 Tc為三角載波周期， Fxtal為單片機(jī)的晶振頻率。 為防止一對(duì)同時(shí)有效的互 補(bǔ) PWM 波作用于逆變器的上下臂產(chǎn)生直通 問題，保證 WFG的輸出產(chǎn)生不交疊的波形， WFG中設(shè)置了無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生 器或稱為死區(qū)時(shí)間發(fā)生器，它是當(dāng) WG＿ COUNT=WG＿ COMP時(shí)，相位比較器 產(chǎn)生一跳變信號(hào)，跳變檢測(cè)器檢測(cè)到此跳變后，啟動(dòng)一個(gè) 10位無(wú)信號(hào)時(shí) 間計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)值由 WG＿ CON專用寄存器的低 10位 D9～ DO裝入，并驅(qū) 使計(jì)數(shù)器的輸出 DT為低電平，然后每個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)減 1，直至到 0。這 時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)， DT變?yōu)楦唠娖健? DT_valuc=Tdend*Txvat/2 （ 42） 其中 DT_vafvt為死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器的值，為要求設(shè)置的死區(qū)時(shí)間 〔 us)。 值得注意的是死區(qū)時(shí)間的設(shè)置不能影響 PWM的正常輸出。因?yàn)樘蟮? 死區(qū)時(shí)間可能導(dǎo)致 WFG無(wú) PWM輸出。理論上要保證脈沖寬度不小于 3Tdrad 。 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 在圖 44中可看出設(shè)置了死區(qū)時(shí)間后的 PWM波形輸出。 WFG內(nèi)專門設(shè)置了保護(hù)電路，由 WG＿ PROTECT專用寄存器控制，并作 用于 EXTINT腳。 由上述 80C196MC單片機(jī)的波形發(fā)生器 WFG產(chǎn)生 PWM波的基本原理可 知，要產(chǎn) 生正弦脈寬調(diào)制 SPWM波形，必須按正弦規(guī)律控制 WFG產(chǎn)生的 PWM 波形的占空比。因此在 WFG產(chǎn)生中斷重裝載相位寄存器的值時(shí)必須計(jì)算正 弦函數(shù)值或者查正弦函數(shù)表 (預(yù)先計(jì)算好制成表格 )以獲得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的正 弦值。本論文中采用了正弦函數(shù)表法。 UPS逆變器主回路設(shè)計(jì) 逆變器的主回路即功率電路的結(jié)構(gòu)形式很多。從相數(shù)來(lái)說(shuō)，有單相逆 變器和三相逆變器兩種；從容量來(lái)看，有大容量逆變器、中容量逆變器和 小容量逆變器。根據(jù)主回路采用的不同種類的功率器件和采用不同的電路 結(jié)構(gòu)形式，逆變器又可分為晶閘管單相橋式逆變器、 晶體管逆變器、三相 橋式逆變器、多重逆變器；根據(jù)控制方式的不同可分為相控逆變器、 PWM 型逆變器以及最新提出的移相式 SPWM控制逆變器。在實(shí)際應(yīng)用中，電路結(jié) 構(gòu)較多采用單相或三相橋式逆變電路。 本 UPS逆變器的設(shè)計(jì)中，主回路采用三相橋式逆變電路，控制方式采 用SPWM調(diào)制方式，逆變功率器件選用 IGBT。 PWM型三相橋式 IGBT逆變電路 PWM控制型逆變電路多采用橋式電路。根據(jù)大容量的要求，本次設(shè)計(jì) 采用三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)。 根據(jù) UPS輸出波形的需要，可 采用多種控制方式。比如輸出波形為方 波時(shí)可采用相控方式， SPWM型調(diào)制輸出正弦 PWM波。本設(shè)計(jì)中為得到正弦 波采用 SPWM控制。 逆變器件種類很多，從最早的晶閘管到功率晶體管，從單極型器件到 29 雙極型器件以及復(fù)合型器件，從單個(gè)器件到 n (n為 2, 4, 6, 12)單元模塊。 本逆變電路中逆變器件采用了復(fù)合型器件絕緣柵雙極晶體管 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，這是基于以下原因考慮的 : (1)器件本身的特點(diǎn)。 (2)逆變電路 功率和控制的需要。 4. IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 電力電子功率器件作為開關(guān)器件使用時(shí) ，要使其安全、可靠的工作， 設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。不同的功率開關(guān)器件都有自身的特 點(diǎn)，其導(dǎo)通和關(guān)斷的具體細(xì)節(jié)是不同的，因此必須結(jié)合所采用的功率開關(guān) 器件來(lái)設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路。 下面介紹本逆變電路中采用的功率開關(guān)器件 IGBT所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。 基于IGBT在本 PWM控制的逆變器電路中工作在高速大功率開關(guān)狀態(tài)， 工作頻率高，并結(jié)合器件本身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路必須考慮以下因素 : (1)柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓要正確選擇。 (2)IGBT的關(guān)斷電壓選取要合適。 (3)柵極串聯(lián)電阻 Rg的取值要適當(dāng)。 (4)合適的柵源電阻 Rge和穩(wěn)壓管 。 (5)保證驅(qū)動(dòng)電路與整個(gè)控制電路的嚴(yán)格電位隔離。 (6)門極驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單適用，并對(duì) IGBT有自保護(hù)功能和較強(qiáng)的抗干擾 能力。 根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)如下 IGBT驅(qū)動(dòng)電路：以日本富士公司生成的 IGBT 專門驅(qū)動(dòng)芯片 EXB841為核心器件，同時(shí)配以其他必要的器件，如圖 45所 示。 EXB841可驅(qū)動(dòng) 300A/1200V的 IGBT；信號(hào)延遲時(shí)間小于 1us；工作頻率 可達(dá) 4050KHZ；內(nèi)部有高速 光耦隔離輸入信號(hào)；有短路保護(hù)功能。 下面結(jié)合圖 45對(duì)其外圍電路進(jìn)行說(shuō)明。 30 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 圖 45 利用 EXB841組成 IGBT驅(qū)動(dòng)電路 PWM脈寬調(diào)制波從 EXB841的 14, 15腳輸入，經(jīng)過(guò) EXB841的內(nèi)部高速光 耦隔離后放大，再?gòu)?3腳輸出 IGBT的 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 2腳是 EXB841的工作電 源+20V的接入腳； 1腳提供 IGBT的 5V反向關(guān)斷電壓，電容 C1, C2是為了吸 收由于電源接線阻抗而引起的供電電壓的變化。 R3并聯(lián)在 2腳和 1腳之間， 提高共?？垢蓴_能力。 R4為柵源電阻。 為柵極電阻。 6腳是 EXB841過(guò)流 檢測(cè)輸出腳，一旦過(guò)流發(fā)生，它通過(guò)快恢復(fù)二極管 D1快速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 實(shí)現(xiàn) IGBT的保護(hù)。同時(shí)， EXB841內(nèi)部過(guò)流封鎖電路在 5腳輸出過(guò)流信號(hào)， 可通過(guò)高速光電隔離器件送出過(guò)流報(bào)警信號(hào)。 EXB841的 1腳輸出的 5V是內(nèi)部 ，應(yīng)用中常因功率 不足易被外界干擾所產(chǎn) 生的尖峰信號(hào)擊穿損壞，以致不能很好地抑制 IGBT 的柵極的電壓波動(dòng)，從而造成 IGBT的損壞。因此在 EXB841電路外部并接一 個(gè)功率為 1W的 Z1。這樣可有效地防止驅(qū)動(dòng)塊的損壞，同時(shí)也能 更可靠地驅(qū)動(dòng)和關(guān)斷 IGBT。 Z2是由兩個(gè) 10V的穩(wěn)壓管正負(fù)對(duì)接而成，是為 了防止高壓尖峰造成 IGBT的柵源擊穿。 EXB841的工作電源為 +20V，不是常見電源輸出值?？紤]到各 EXB841 模塊的隔離驅(qū)動(dòng)，因此每個(gè) EX841的工作電源必須獨(dú)立，不能共用一個(gè)電 源。在本設(shè)計(jì)中，采用了專門定做的 DC/DC模 塊電源。直流輸入來(lái)自系統(tǒng) 工作開關(guān)電源的 +24V/(對(duì) GND)。 圖 45給出了由 EXB841產(chǎn)生的 IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖波形 ，其正向電壓 幅值為 10V，負(fù)電壓幅值為 5V。 IGBT是 UPS逆變器中非常重要的功率開關(guān)器件，它的工作正常與否直 接關(guān)系到逆變器的正常工作，因?yàn)樗膿p壞對(duì)逆變器是致命的，所以必須 保護(hù)好 IGBT。設(shè)計(jì)好其保護(hù)電路是唯一有效的保護(hù)方法。 一般 IGBT的保護(hù)從過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱三方面入手，設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電 路和采取相應(yīng)的保護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn) IGBT的保護(hù)。 (1)關(guān)于過(guò)流保護(hù)。在上述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中， EXB841具有過(guò)流檢測(cè)功 能。保護(hù)的原理是檢測(cè)過(guò)電流信號(hào)，切斷門控信號(hào)并報(bào)警。這其中存在一 個(gè)識(shí)別時(shí)間即切斷門控信號(hào)時(shí)間要小于允許的短路過(guò)電流時(shí)間。 IGBT的短 路電流承受能力于 IGBT的飽和管壓降及 有很大關(guān)系： 越小，飽和管 壓降越大，短路承受能力強(qiáng)。保護(hù)電路只有在 2us內(nèi)動(dòng)作 (小于短路承受能 力時(shí)間 )，才能實(shí)現(xiàn) IGBT的保護(hù)。這么短的反應(yīng)時(shí)間，往往是保護(hù)電路難 以區(qū)分真、“假”短路 (比如反向續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)程時(shí)間為 12us)， 從而產(chǎn)生 誤動(dòng)，影響系統(tǒng)的可靠性。為此可從兩方面入手，一方面，采用 高速光耦器件及快傳送電路以加快信號(hào)的傳輸時(shí)間；另一方面，降低門極 電壓，比如從 15V降至 10V，使得 IGBT的短路承受能力由 5us增至 10us，即 在小于 10us的短路時(shí)間內(nèi)連續(xù)檢測(cè)出過(guò)電流則屬于“真”短路。 在控制軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)檢側(cè)逆變器的輸出電流來(lái)判斷 IGBT是否過(guò) 流，從而采取相應(yīng)保護(hù)措施。 (2)過(guò)流保護(hù)時(shí) IGBT的關(guān)斷速度。由于過(guò)電流時(shí)電流幅值很大，如果 快速關(guān)斷易造成 di/dt過(guò)大，而形成很高的尖峰電壓，易損壞 IGBT和其他 器件。 因此過(guò)流時(shí) IGBT的關(guān)斷須采取慢速關(guān)斷。 (3)過(guò)壓保護(hù)。一般采取阻容緩沖、吸收電路來(lái)抑制過(guò)電壓及抑制過(guò) 大的du/dt。對(duì)于 200A以下的 IGBT可采用如圖 46所示的緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò) 壓保護(hù)。 圖 46 IGBT緩沖電路設(shè)計(jì) 逆變器輸出變壓器和靜態(tài)開關(guān)