【正文】 ，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災難性的后果。隔離驅(qū)動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)簡單等優(yōu)點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點。快速光耦的速度也僅幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強度高，共模干擾抑制能力強。但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50％。而且信號的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復雜。凡是隔離驅(qū)動方式，每路驅(qū)動都要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復雜性。隨著驅(qū)動技術(shù)的不斷成熟，已有多種集成厚膜驅(qū)動器推出例如EXB840/84EXB850/85M57959L/AL、M57962L/AL、HR065 等等，它們均采用的是光耦隔離，仍受上述缺點的限制。美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器。它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點如下圖所示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 24 頁 共 54 頁 圖52IR2110的內(nèi)部功能框圖IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14腳封裝。具有獨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500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns 和94ns；輸出峰值電流為2A。IR2110的內(nèi)部功能框圖如圖51所示。由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。圖53 驅(qū)動電路 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 25 頁 共 54 頁如圖53所示為本設(shè)計的驅(qū)動電路。IR2110的SD由單片機輸出控制，單片機根據(jù)采樣反饋的情況判斷芯片的導通與關(guān)斷。芯片7414的左端兩個1，3管腳對應單片機輸出的SPWM，電路右邊輸出接到逆變橋上。 本章小結(jié)本章簡單介紹了本系統(tǒng)所用PIC16F73單片機的性能和特點，重點介紹了該單片機所包含的脈寬調(diào)制器模塊，最終根據(jù)系統(tǒng)要求和該單片機特性設(shè)計了單片機外圍電路和驅(qū)動電路。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 26 頁 共 54 頁6 逆變電路設(shè)計 逆變電路拓撲確定常用的電壓型單相逆變電源主電路一般有推挽逆變電路、半橋逆變電路和全橋逆變電路三種基本主電路形式。圖61所示的推挽電路，將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩路相反的PWM驅(qū)動脈沖送至開關(guān)管TT2的基極，控制兩只功率管交替工作，得到方波交流電壓經(jīng)變壓器輸出。由于功率晶體管共地，驅(qū)動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是很難防止輸出變壓器的直流飽和，變壓器利用率低，帶電感性負載的能力較差，此外開關(guān)管的耐壓值要高于直流輸入電壓兩倍以上，和全橋逆變相比它對開關(guān)器件的耐壓值要高出一倍，只適合于原邊電壓比較低的功率變換器。圖61推挽逆變電路半橋逆變電路的原理圖如圖62所示。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個電容的聯(lián)接點A為直流電源的中點，當TT2都截止時，電容連接點電壓為直流輸入電壓的一半。開關(guān)器件T1和T2基極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。當T1閉合(T2斷開)時，中點電位將有所上升；當T2閉合(T1斷開)時，中點電位將有所下降。半橋逆變電路使用的器件很少，驅(qū)動簡單，抗電路不平衡能力強，但輸出交流電壓的幅值僅為Vd/2，同樣輸出功率條件下，功率管額定電流值要大于全橋逆變電路兩倍，且需要分壓電容器，所以一般用于中小功率等級逆變電路。本設(shè)計采用半橋逆變電路結(jié)構(gòu)。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 27 頁 共 54 頁圖62半橋逆變電路圖63所示的全橋逆變電路與半橋電路的區(qū)別是用兩只同樣的開關(guān)管代替了兩只電容，全橋逆變電路工作需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關(guān)管，功率晶體管TT4和TT3反相，T1和T2相位互差180度。調(diào)節(jié)T1和T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。該電路拓樸結(jié)構(gòu)及控制較為復雜，元件較多，成本較高。由于主電路可以輸出高壓和大電流，所以一般常用于高壓大功率逆變電源系統(tǒng)。圖63全橋逆變電路 逆變主電路的選擇逆變器是系統(tǒng)的核心部分，也是直接和負載相連接的部分。逆變器的性能直接影響了整個系統(tǒng)的輸出特性。經(jīng)過上訴比較，本設(shè)計最后選取全橋逆變電路。如圖64所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。逆變電路的功能是將上一節(jié)中升壓得到的高壓直流電經(jīng)SPWM全橋逆變，變成220V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為220V、50Hz正弦交流電壓輸出。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 28 頁 共 54 頁 圖64逆變環(huán)節(jié)主電路 逆變主電路元器件及其參數(shù)選擇鑒于本系統(tǒng)設(shè)計要求100W左右的額定容量和低頻SPWM調(diào)制方式，故逆變主功率器件選擇N溝道場效應管 (NMOS)。NMOS綜合了MOSFET的優(yōu)點，考慮半橋電路特點當上橋臂或下橋臂關(guān)斷時，其自身承受兩倍直流輸入電壓。并考慮一定的裕量。由于系統(tǒng)額定輸出電壓220V，其額定輸出電流約峰值電流約2．52A，考慮負載類型及允許的過載倍數(shù)，NMOS的額定電流值按3倍額定選擇，參考市面上的NMOS種類，取耐壓值Veer為55V系列的IRF3205功率管即可. IRF3205具有開關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動功率低，通流能力強的特點，目前IRF3205的電流電壓等級為110A/55V，關(guān)斷時間已縮短到64ns，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)域擴大。 本章小結(jié) 本章首先介紹了各種不同逆變主電路的結(jié)構(gòu)圖，隨后介紹了逆變主電路元器件的參數(shù)選擇；通過對不同形式逆變電路的比較，最后選擇全橋逆變電路作為本設(shè)計的主電路。用N溝道場效應管作為開關(guān)管。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 29 頁 共 54 頁7 采樣反饋／保護電路設(shè)計 采樣反饋電路設(shè)計評價開關(guān)電源的質(zhì)量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須得設(shè)計一個電路能及時把輸出的情況及時回饋給控制電路。再由控制電路來控制輸出，保持輸出的穩(wěn)定。采樣反饋電路如圖71所示。輸出220交流電源經(jīng)過變壓器降壓再經(jīng)過LC濾波輸出，采用電壓瞬時值反饋，對輸出電壓進行采樣隔離，反饋信號送給單片機變換保存，得到脈寬控制量，通過SPWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開關(guān)信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤基準正弦給定信號。圖 71 采樣反饋電路 保護電路設(shè)計 過 流保護的必要性前面在選擇NMOS的型號時，考慮了器件的工作電流及允許的過電流，然而在故障條件下，器件承受較大的故障電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護器件免受破壞。對于負載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當出現(xiàn)更為嚴重的過載，例如負載短接，逆變電路橋臂短接，變壓器原邊或副邊短接等等，故障電流將在NMOS管中急劇上升，這時就要給NMOS提供一個快速保護電路。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 30 頁 共 54 頁 設(shè)計短路保護電路要求設(shè)計短路保護電路的幾點要求：l、在器件失效之前完成NMOS的關(guān)斷，對于NMOS所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應是成立的。應有一定的抗干擾能力。應足以適用于電路中的各種短路情況。不應影響NMOS的開關(guān)特性。 保護電路設(shè)計本系統(tǒng)允許輸入直流電壓范圍是36V～48V，由于PIC16F73具有12位轉(zhuǎn)換精度的A/D口，電壓測量范圍O～3．3V。所以需要將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成O～3．3V之間變化的電壓信號，再送到控制芯片的A/D轉(zhuǎn)換口。編寫程序來實現(xiàn)過流保護。當輸入電壓過高時，3．3V穩(wěn)壓管將電壓值鉗位在3．3V，起到保護控制芯片的作用。整個裝置中，功率開關(guān)管是最容易損壞的元件，電路中出現(xiàn)的過電壓、過電流均會致其損壞。一般而占，功率MOS管承受道電壓的能力較差，開關(guān)管開關(guān)過程中管子漏極和源極之間會出現(xiàn)由于電路分布電感釋放能量而出現(xiàn)的過電壓。為了抑制開關(guān)過程中出現(xiàn)的過電壓，可以在開關(guān)管的漏極與源極之間并聯(lián)電阻、電容串聯(lián)吸收電路，但是這個阻容吸收網(wǎng)路只能限制加在開關(guān)管上的du/dt，而不能限制加在管子兩端的電壓的幅值。因此，單純的并聯(lián)阻容吸收回路并不能有效的防止過電壓擊穿。所以，還必須在管子兩端并聯(lián)壓敏電阻。當采用上述兩項措施后大大提高了管子的可靠性。如圖所示為保護電路圖。對于橋式逆變電路，如果發(fā)生橋臂直通短路或負載發(fā)生短路時，流過開關(guān)管上的電流迅速增大，若不采取措施在很短的時間內(nèi)，功率開關(guān)管被燒毀。短路與過裁是兩種不同的故障狀態(tài)，短路故障一經(jīng)出現(xiàn)，裝置就應該立即停止工作，因為短路電流在很短的時間內(nèi)就會升到很高的幅值，可在瞬間損壞電路元件。對于短路故障必須立刻停機，這功能可以由串接在主功率回路中的快速熔斷器實現(xiàn)。與短路故障不同，系統(tǒng)短時的過載屬于正常工作狀態(tài)，如果過載一發(fā)生就停機則不利于系統(tǒng)的正常運行。對于電路過載，設(shè)計中將取樣電阻(因負載電流較小，這個方案可行，如果負載電流很大的情況下，為了減小取樣電阻損耗的功率，應該采用電流互感器進行電流取樣)串接在輸出回路中，以檢測負載電流。電流取樣值經(jīng)接口電路直接輸入到單片機的A/D口，然后由程序?qū)⒉蓸又蹬c過載電流限制設(shè)定值比較。在正常情況下，采樣值小于設(shè)定值系統(tǒng)正常工作。一旦采樣值大于設(shè)定值，如果采樣值在繼電器動作之前恢復正常，則單片機不采取措施，仍認為系統(tǒng)屬正常工作，否則，單片機RC3腳輸 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 31 頁 共 54 頁出故障信號到驅(qū)動電路IR2110的SD端停止輸出SPWM控制脈沖，單片機進入系統(tǒng)重啟等待狀態(tài)。通過上述措施，可有效保護開關(guān)管在短路與過載情況下不損壞。 圖72過流保護電路圖 本章小結(jié)本章根據(jù)電路設(shè)計的要求，設(shè)計了反饋采樣/保護電路。并介紹了保護電路的必要性和重要性。其中反饋為電壓采集反饋，保護電路通過繼電器來實現(xiàn)。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計 （論文） 報告用紙 第 32 頁 共 54 頁8 軟件設(shè)計 正弦波脈寬的生成根據(jù)第二章正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)的產(chǎn)生原理，若把 U=Urmsintωt 正弦波在半周期內(nèi) N 等分，第 i 個等分段正弦波的面積為 Si，則有： （81）若再使矩形波的幅值等于輸入正弦波的幅值 Urm，并使每段矩形波的面積等于對應段的正弦波的面積，那么，便可以得到矩形波脈寬的值為： （82）由于脈沖寬度是按照正弦波的規(guī)律變化，故可把這些脈沖寬度 DK 的值編制成數(shù)值表（如表 1），再用單片機通過查表輸出脈沖序列。實驗時，可采用載波頻率 fc=25 kHz，交流頻率 fs=50Hz，載波比 N=fdfs 來確定正弦波離散點的個數(shù)，即一個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)(設(shè) N=500)。為了節(jié)省表的存儲空間，實際編程時，可保存半個周期內(nèi)的正弦波離散點，即保存 N/2 個點，然后用交替的方式輸出 SPWM 波來控制逆變橋的工作。在程序初始化完成之后，系統(tǒng)中的定時寄存器 TMR2 將啟動并開始工作，此時 PWM單元的引腳輸出為高電平；當 TMR2*Rxl 時，PWM 單元的引腳開始輸出低電平；當TMR2=PR2 時，TMR2 被歸 0，并重新開始下一個周期計數(shù)，同時 PWM 單元重新輸出高電平。當 TMR2 的中斷標志位 TMR2IF 被置高電平時，系統(tǒng)將執(zhí)行定時中斷服務程序，圖81 所示是其 SPWM 流程圖。中斷程序完成查找正弦表值和 A/D 取樣值后，再進行 PI 調(diào)節(jié)，即可得出修正值，并將該修正值寫入*RxL 寄存器中。 軟件設(shè)計 由于單片機PIC16F73具有強大的功能，困此用其作為逆變電源的主控芯片是很方便的。利用單片機自身提供的PWM功能，輸出SPWM驅(qū)動脈沖，利用A/D轉(zhuǎn)換接口，進行逆變器輸出過載、過電壓以及蓄電池欠壓采樣，然后通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護功能。PIC16F73單片機內(nèi)部含有兩個CCP