【正文】 ，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，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％。而且信號(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(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內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)如下圖所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 24 頁(yè) 共 54 頁(yè) 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(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；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(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 25 頁(yè) 共 54 頁(yè)如圖53所示為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。IR2110的SD由單片機(jī)輸出控制，單片機(jī)根據(jù)采樣反饋的情況判斷芯片的導(dǎo)通與關(guān)斷。芯片7414的左端兩個(gè)1，3管腳對(duì)應(yīng)單片機(jī)輸出的SPWM，電路右邊輸出接到逆變橋上。 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了本系統(tǒng)所用PIC16F73單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了該單片機(jī)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(jī)特性設(shè)計(jì)了單片機(jī)外圍電路和驅(qū)動(dòng)電路。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 26 頁(yè) 共 54 頁(yè)6 逆變電路設(shè)計(jì) 逆變電路拓?fù)浯_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(dòng)脈沖送至開(kāi)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(dòng)及控制電路簡(jiǎn)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(diǎn)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(fù)載的能力較差，此外開(kāi)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(duì)開(kāi)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(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，使得兩個(gè)電容的聯(lián)接點(diǎn)A為直流電源的中點(diǎn)，當(dāng)TT2都截止時(shí)，電容連接點(diǎn)電壓為直流輸入電壓的一半。開(kāi)關(guān)器件T1和T2基極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)T1閉合(T2斷開(kāi))時(shí)，中點(diǎn)電位將有所上升；當(dāng)T2閉合(T1斷開(kāi))時(shí)，中點(diǎn)電位將有所下降。半橋逆變電路使用的器件很少，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，抗電路不平衡能力強(qiáng)，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(jí)逆變電路。本設(shè)計(jì)采用半橋逆變電路結(jié)構(gòu)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 27 頁(yè) 共 54 頁(yè)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(kāi)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(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開(kāi)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(fù)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(fù)載相連接的部分。逆變器的性能直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的輸出特性。經(jīng)過(guò)上訴比較，本設(shè)計(jì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 28 頁(yè) 共 54 頁(yè) 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(jì)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(chǎng)效應(yīng)管 (NMOS)。NMOS綜合了MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，考慮半橋電路特點(diǎn)當(dāng)上橋臂或下橋臂關(guān)斷時(shí)，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(fù)載類(lèi)型及允許的過(guò)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(lèi)，取耐壓值Veer為55V系列的IRF3205功率管即可. IRF3205具有開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率低，通流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前IRF3205的電流電壓等級(jí)為110A/55V，關(guān)斷時(shí)間已縮短到64ns，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)域擴(kuò)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(guò)對(duì)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(jì)的主電路。用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)管。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 29 頁(yè) 共 54 頁(yè)7 采樣反饋／保護(hù)電路設(shè)計(jì) 采樣反饋電路設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)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(jì)一個(gè)電路能及時(shí)把輸出的情況及時(shí)回饋給控制電路。再由控制電路來(lái)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(guò)變壓器降壓再經(jīng)過(guò)LC濾波輸出，采用電壓瞬時(shí)值反饋，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣隔離，反饋信號(hào)送給單片機(jī)變換保存，得到脈寬控制量，通過(guò)SPWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤基準(zhǔn)正弦給定信號(hào)。圖 71 采樣反饋電路 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 過(guò) 流保護(hù)的必要性前面在選擇NMOS的型號(hào)時(shí)，考慮了器件的工作電流及允許的過(guò)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(hù)器件免受破壞。對(duì)于負(fù)載變化引起的過(guò)載，通過(guò)閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當(dāng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的過(guò)載，例如負(fù)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(shí)就要給NMOS提供一個(gè)快速保護(hù)電路。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 30 頁(yè) 共 54 頁(yè) 設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路要求設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求：l、在器件失效之前完成NMOS的關(guān)斷，對(duì)于NMOS所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應(yīng)是成立的。應(yīng)有一定的抗干擾能力。應(yīng)足以適用于電路中的各種短路情況。不應(yīng)影響NMOS的開(kāi)關(guān)特性。 保護(hù)電路設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)，再送到控制芯片的A/D轉(zhuǎn)換口。編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。當(dāng)輸入電壓過(guò)高時(shí)，3．3V穩(wěn)壓管將電壓值鉗位在3．3V，起到保護(hù)控制芯片的作用。整個(gè)裝置中，功率開(kāi)關(guān)管是最容易損壞的元件，電路中出現(xiàn)的過(guò)電壓、過(guò)電流均會(huì)致其損壞。一般而占，功率MOS管承受道電壓的能力較差，開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中管子漏極和源極之間會(huì)出現(xiàn)由于電路分布電感釋放能量而出現(xiàn)的過(guò)電壓。為了抑制開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)電壓，可以在開(kāi)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(gè)阻容吸收網(wǎng)路只能限制加在開(kāi)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(guò)電壓擊穿。所以，還必須在管子兩端并聯(lián)壓敏電阻。當(dāng)采用上述兩項(xiàng)措施后大大提高了管子的可靠性。如圖所示為保護(hù)電路圖。對(duì)于橋式逆變電路，如果發(fā)生橋臂直通短路或負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管上的電流迅速增大，若不采取措施在很短的時(shí)間內(nèi)，功率開(kāi)關(guān)管被燒毀。短路與過(guò)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(yīng)該立即停止工作，因?yàn)槎搪冯娏髟诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)就會(huì)升到很高的幅值，可在瞬間損壞電路元件。對(duì)于短路故障必須立刻停機(jī)，這功能可以由串接在主功率回路中的快速熔斷器實(shí)現(xiàn)。與短路故障不同，系統(tǒng)短時(shí)的過(guò)載屬于正常工作狀態(tài)，如果過(guò)載一發(fā)生就停機(jī)則不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)于電路過(guò)載，設(shè)計(jì)中將取樣電阻(因負(fù)載電流較小，這個(gè)方案可行，如果負(fù)載電流很大的情況下，為了減小取樣電阻損耗的功率，應(yīng)該采用電流互感器進(jìn)行電流取樣)串接在輸出回路中，以檢測(cè)負(fù)載電流。電流取樣值經(jīng)接口電路直接輸入到單片機(jī)的A/D口，然后由程序?qū)⒉蓸又蹬c過(guò)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(dòng)作之前恢復(fù)正常，則單片機(jī)不采取措施，仍認(rèn)為系統(tǒng)屬正常工作，否則，單片機(jī)RC3腳輸 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 31 頁(yè) 共 54 頁(yè)出故障信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路IR2110的SD端停止輸出SPWM控制脈沖，單片機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)重啟等待狀態(tài)。通過(guò)上述措施，可有效保護(hù)開(kāi)關(guān)管在短路與過(guò)載情況下不損壞。 圖72過(guò)流保護(hù)電路圖 本章小結(jié)本章根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)了反饋采樣/保護(hù)電路。并介紹了保護(hù)電路的必要性和重要性。其中反饋為電壓采集反饋，保護(hù)電路通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 32 頁(yè) 共 54 頁(yè)8 軟件設(shè)計(jì) 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(gè)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(duì)應(yīng)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(jī)通過(guò)查表輸出脈沖序列。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用載波頻率 fc=25 kHz，交流頻率 fs=50Hz，載波比 N=fdfs 來(lái)確定正弦波離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)(設(shè) N=500)。為了節(jié)省表的存儲(chǔ)空間，實(shí)際編程時(shí)，可保存半個(gè)周期內(nèi)的正弦波離散點(diǎn)，即保存 N/2 個(gè)點(diǎn)，然后用交替的方式輸出 SPWM 波來(lái)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(shí)寄存器 TMR2 將啟動(dòng)并開(kāi)始工作，此時(shí) PWM單元的引腳輸出為高電平；當(dāng) TMR2*Rxl 時(shí)，PWM 單元的引腳開(kāi)始輸出低電平；當(dāng)TMR2=PR2 時(shí)，TMR2 被歸 0，并重新開(kāi)始下一個(gè)周期計(jì)數(shù)，同時(shí) PWM 單元重新輸出高電平。當(dāng) TMR2 的中斷標(biāo)志位 TMR2IF 被置高電平時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行定時(shí)中斷服務(wù)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(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)，即可得出修正值，并將該修正值寫(xiě)入*RxL 寄存器中。 軟件設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)PIC16F73具有強(qiáng)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(jī)自身提供的PWM功能，輸出SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖，利用A/D轉(zhuǎn)換接口，進(jìn)行逆變器輸出過(guò)載、過(guò)電壓以及蓄電池欠壓采樣，然后通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。PIC16F73單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè)CCP