【正文】 圖 34 集成驅(qū)動(dòng)芯片 M57962L 原理圖 第 3 章 逆變電路的設(shè)計(jì) 12 O C 1O C 2O C 3O C 4D5Q1C L K3Q2R4S6V C C14GND7+ 5V+ 5VS TOP4 0 13保護(hù)電路： 圖 35 保護(hù)電路 4013芯片原理 ： 如圖 36 所示，設(shè)電路初始狀態(tài)均在復(fù)位狀態(tài)， Q Q2 端均為低電平。 （ 4）輸出端為 TTL 門電平，對(duì) 單 片機(jī)控制 較為適用 。 （ 3）內(nèi)部設(shè)置了短路以及 過流保護(hù) 的 電路。若選用雙電源驅(qū)動(dòng)方法，它輸出的負(fù)柵壓相對(duì)較 高。光電耦合器的原邊已串聯(lián)限流電阻（約 185? ），可 以把 5V 電壓直接與 輸入側(cè) 直接相連，擁有相對(duì) 高的 輸入和 輸出 的 隔離度（ U=2500V,有效值）。 M57962L 擁 有以下幾個(gè)特性。其內(nèi)部 的 結(jié)構(gòu) 示意圖 如圖 34 所示，其是通過光電耦合器、接口電路、檢測(cè)電路、定時(shí)復(fù)位電路和 門關(guān)斷電路組成 的 。 圖 33 集成驅(qū)動(dòng)芯片 M57962L 引腳圖 第 3 章 逆變電路的設(shè)計(jì) 11 芯片 M57962L內(nèi)部原理及特性 ： M57962L 為日本三菱公司生產(chǎn)的主 用于 IGBT 模塊的驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部集成了退飽和、檢測(cè)以及 保護(hù)單元 等功能，如果 發(fā)生過流時(shí)能夠迅 速 地 響應(yīng)，但慢速 地 關(guān)斷 IGBT，同時(shí)也 向外部 的電路發(fā) 出 了 故障 的信號(hào)。 3）具有過流保護(hù)功能，通過檢測(cè) IGBT 管的飽和壓降來判斷 IGBT 是否過流。特點(diǎn)如下： 1）采用快速型的光藕實(shí)現(xiàn)電氣隔離。此外 ,控制電路 中 電壓 的 等級(jí) 較 低 ,而 在 主電路 中的 電壓等級(jí) 較 高 ,為了避免 相互間的 干擾 ,也有必要采用 電氣隔離。主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的控制器件通斷的信號(hào)轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IGBT管 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET基本相同，只需 要 控制輸入極 N溝道 MOSFET，因此其擁 有高輸入阻抗特性 [4][5]。當(dāng) 在柵極上 加 以負(fù)電壓 的 時(shí) 候， MOSFET 中 的溝道 就 消失 了 ，PNP 晶體管 基極 的 電流 就會(huì) 被切斷， IGBT 管 也就是 被關(guān)斷 了 。當(dāng)柵極施 加 以正電壓 的 時(shí) 候 ， 在 MOSFET 中出現(xiàn)溝道，而且還給 PNP 晶體管創(chuàng)造了基極電流，促使 IGBT 產(chǎn)生導(dǎo)通。 主電路 主電路如圖 31 所示， 采用單相橋式逆變電路 ,共用到 4 個(gè)開關(guān)器件 ,采用了目前應(yīng)用最多的全控型電力電子器件之一的 IGBT。交直流變換部分（ AC/DC）為不可控整流電路；逆變部分（ DC/AC）由四只 IGBT 管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式。 圖 26 單極性 PWM 控制方法波形 圖 27 雙極性 PWM 控制方法 波第 3 章 逆變電路的設(shè)計(jì) 9 第 3 章 逆變部分的 電路 組成 課題采用 SPWM 正弦波脈寬調(diào)制，通過改變調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)交直交變頻的目的。相反 ，則 V V3或 VD VD3保持 開通， 而 u0=Ud。 信號(hào)波 用 ur代表 ， 載波用 uc 來 表示 。選 用雙極性 的 PWM 調(diào)制技術(shù)的 時(shí) 候，是為了獲 到的 正弦 交流輸出波形作為信號(hào)波，把三角波當(dāng)作載波，使信號(hào)波和 載波進(jìn)行 相互的比較，當(dāng)信號(hào)波和載波相 交 的 時(shí)刻控制各 個(gè)開關(guān)的通斷。 當(dāng) 在 ur負(fù)半周 時(shí) ， 保持 V1斷態(tài)， 保持 V2 通態(tài)，當(dāng) uc＞ ur時(shí) ，將 V4關(guān)斷 ， V3導(dǎo)通 ， u0=Ud；當(dāng) uc＜ ur時(shí) ，將 V4導(dǎo)通 ， V3關(guān)斷 ,u0=0。選 用單極性 PWM 調(diào)制技術(shù)時(shí)，在uc 和 ur 交點(diǎn) 的 時(shí)刻控制 IGBT 的通斷。同樣， 當(dāng) 在 u0的負(fù)半周 時(shí) ， V2保持通態(tài)狀態(tài) ， V1保持?jǐn)鄳B(tài)， V3和 V4交替通斷，負(fù)載電壓 u0能夠獲 到 Ud 和零兩種電平 。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍然為 V1和 V4 導(dǎo)通時(shí)，因 i0為負(fù)，故 i0實(shí)際上從 VD1和 VD4流過，仍有 u0= Ud； V4關(guān)斷， V3開通后， i0從 V3和 VD1續(xù)流， u0=0。 其控制規(guī)律 為 ： 當(dāng) 輸出電壓 u0正半周 時(shí) ， 保持 V1為 通 態(tài) ， V2保持 斷 態(tài) ，V3和 V4交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓 正半 周 時(shí) ，電流有一段 的 區(qū)間為正，一段區(qū)間 的電流為負(fù)。 若調(diào)制信號(hào)波為正弦波 ，所獲得 的 即為 SPWM 波；調(diào)制波 不為 正弦波，而 是 其他所需 要的波形時(shí)，也可以 獲得 等效 果 的 PWM 波。以下是雙極性 PWM 調(diào)制的原理。 本設(shè)計(jì) 采用的單相橋式逆變電路既可以選 用單極性調(diào)制 的方法，第 2 章 單相交 直 交變頻電路的總體 設(shè)計(jì) 7 也可以選 用雙極性調(diào)制 的方法。 PWM 控制的方式 可分為三類 ， 即調(diào)制法、計(jì)算法與跟蹤控制法。 本設(shè)計(jì) 中的逆變部分， 選 用單相橋式逆變電路， PWM 控制 技術(shù) ， 輸出電壓的大小及頻率都 可 以 通過 PWM 控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。逆變電路 也 是常用 變頻器 件的重要部件之一，起到十分關(guān)鍵的作用。 逆變電路 逆變電路以及 整流電路 剛好相反，逆變電路即把直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽仡l率的交流電壓。 因此 只有在 RL? L 的時(shí)候才能得 到較優(yōu) 的濾波效果。當(dāng)流過 電感 的電流 變大 的時(shí) 候 ，電感線圈 所產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì) 的方向 跟 電流 相反，妨礙了電流 增加， 于此同時(shí)把 一部分 的電能轉(zhuǎn)換 成 了磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在電感中；而當(dāng)經(jīng) 過 電感的電流變 小 的 時(shí) 候，自感 電動(dòng)勢(shì)跟 電流 的方向相同，妨 礙了電流地減小，相反則 放出儲(chǔ)存的能量，來補(bǔ)償電流 的損失 。 經(jīng)過 交流 電源轉(zhuǎn)換成直流電源后，電路會(huì)有電壓的波動(dòng)，為了抑制電壓的波動(dòng)，選用簡(jiǎn)單的電容濾波。 圖 24 整流濾波電路和輔助電源 第 2 章 單相交 直 交變頻電路的總體 設(shè)計(jì) 6 濾波電路 濾波電路的原理以及 作用：濾波電路 通常用以濾掉 整流輸出電壓中的 一些紋波，通常情況下是由阻抗元件組成，比方在 電阻 的 兩端 可以 并聯(lián)電容器 C，或和 電阻 串聯(lián)電感 L，以及把電容和電感組合成的 復(fù)式 的 濾波電路。 圖 23 橋式整流電路 除此之 外 ， 整個(gè)電路 還 需要 用 輔助 正負(fù) 5V 的電源，所以 通過降壓，整流和濾波，穩(wěn)壓獲得了 穩(wěn)定的正負(fù) 5V 電壓 ， 經(jīng)過交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)?直流電源后，電路 都 會(huì)有電壓 的 波動(dòng)， 為 了 抑制 其中的電壓波動(dòng)，選用簡(jiǎn)單的電容濾波。 因此 就 可以 在負(fù)載 RL上得到一個(gè)跟全波整流相同的電壓波形，其電流的計(jì)算和 全波整流 計(jì)算 相同，即 UL= U2 IR= U2/RL。 G1G2G3G4+1234V1V2V3V4LOADACAC第 2 章 單相交 直 交變頻電路的總體 設(shè)計(jì) 5 橋式整流電路的 基本 工作原理： 當(dāng) 在 u2的正半周 時(shí) ， D1和 D3導(dǎo)通， D2和D4截止，電流 的方向?yàn)?D1 RLD3，在負(fù)載 RL上獲得了 一半 的 波整流電壓。橋式整流電路如圖 23 所示， 主要是由電源變壓器、四只電力 二極管 D1~4以及 負(fù)載電阻 RL組合而成 。其 主要的作用是將固定電壓和頻率的交流電能整流成 直流電能。變壓器的作用是 為了滿足 交流輸入 電壓與直流 輸出 電壓之 間的 相互 匹配 以及交流電網(wǎng)和 整流 電路 間的電隔 [3]。整流電路一般情況下都是獨(dú)立 的一 個(gè)整流模塊。 交直流變換 部分電路采用 不可控整流電路，輸入的交流 電源 通過變壓器和橋式整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，濾波電路 部分采 用電感和電容 的 濾波，逆變部分則選 用四只 IGBT 管構(gòu) 成 的單相橋式逆變電路， 輸出 電流 經(jīng) LC 低通 濾波器，濾去高次諧波，獲得 頻率 和電壓都 可調(diào)的交流電輸出。 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路是 控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的 SPWM 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它可以完成電氣隔離的功能。 逆變電路： 逆變電路的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。其中一部分為電路提供電源。總體方案框圖如圖 21 所示。整流部分采用不可控制整流電路，濾波部分 則 采 選 用 LC 低通濾波電路 ，濾除整流中的高次諧波，獲得 高頻率的正弦波交流輸出。而 本設(shè)計(jì) 是單相橋式逆變既可以選 用 單極性調(diào)制也可以選 用雙極性調(diào)制。其中調(diào)制法是 也是最為常見的一類 方法，也是 最 基本的一類方法。 PWM 逆變是最 為 常見的一種 控制 方法， 本設(shè)計(jì) 采用 PWM 的正弦波脈寬調(diào)制，可以 改變調(diào)制頻率 來實(shí)現(xiàn)交 直 交變頻的目的。最 后用 MATLAB 軟件仿真出設(shè)計(jì)的電路， 其中對(duì)純電阻負(fù)載以及 電阻電感負(fù)載分別進(jìn)行 數(shù)據(jù)和波形 的 分析，并采取 相關(guān)措施使最后輸出的波形 接近正弦波。課題的整流部分選 用不可控的橋式整流；濾波部分 選 用 LC 低通濾波， 并得到高頻率的正弦波交流輸出；逆變部分選 用四個(gè) IGBT 管構(gòu) 成的單相橋式逆變電路。 甚至 有人 提出，電子學(xué)的下一項(xiàng) 重要 改革將 會(huì)發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備以及電網(wǎng)為目標(biāo) 的電子技術(shù) 的 應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將 把人們領(lǐng)到 第二次電子革命的邊緣 [2]。近 幾年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù) 的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)及 控制技術(shù) 也 成為如今發(fā)展最快速 的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng) 技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史 性的 革命， 其發(fā)展 的 趨勢(shì) 即交流調(diào)速 將代替 直流調(diào)速以及 計(jì)算機(jī) 控制技術(shù) 將代替 模擬控制技術(shù)。 能夠 實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將 會(huì) 使機(jī)電儀器 的體第 1 章 緒論 2 積 可以減小幾倍甚至 幾十倍，響應(yīng)速度 也達(dá)到 高速化，并可以 適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無噪音 而且具有全新的功能及 用途。 根 據(jù)發(fā)達(dá)國家 的預(yù)計(jì) ，往 后會(huì) 有 95%[2]的電能需 經(jīng) 過 電力電子 的加工 后再 使用，即工業(yè)和全國的各類 的機(jī)電儀器 中， 會(huì) 有 95%[2]和 電力電子 的產(chǎn)業(yè)相關(guān) ，主要 是，電力電子是弱電操控 強(qiáng)電的媒體， 也成為 機(jī)電設(shè)備跟 計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵 接口，它為傳統(tǒng) 的 產(chǎn)業(yè)及 新興 的 產(chǎn)業(yè)選用微電子技術(shù)提供 了 有利 條件，成為 了發(fā)展 計(jì)算機(jī)作用的保障 和基礎(chǔ) [2]。比 如，在節(jié)能的方面，對(duì)于風(fēng)機(jī) 水泵、電 力 的 牽引、軋機(jī) 冶煉、輕工 造紙、工業(yè) 窯爐、 加熱、電焊、化工、點(diǎn)解等 14 個(gè)方面的 調(diào)查，潛在 的 節(jié)電量大約是 1990 年 的 全國發(fā)電 總 量的16%[2]，因此發(fā)揚(yáng) 應(yīng)用 型的電力電子技術(shù)成為 節(jié)能的一項(xiàng) 重要的 戰(zhàn)略舉措 ，一般的 節(jié)能效率能夠 達(dá) 到 10%14%[2]，我國已 經(jīng)把很 多裝置并 入節(jié)能的 應(yīng)用項(xiàng)目 中 。 其顯著作用： （ 1）優(yōu)化電能使用。因此 電能變換的基本類型可以分為 四種，即 AC/DC 變換、 DC/AC 變換、 DC/DC 變換、 AC/AC變換。電力電子技術(shù)所變換的電力功率可大到數(shù)百 MW 甚至 GW，也可以小到數(shù) W 甚至 1W 以下，以及 以信息 處理為主 導(dǎo) 的信息電子技術(shù)不同 于 電力電子技術(shù) 其 主要用于電力變換 [1]。 drive circuit is the use of integrated driver chip M57962L with electrical isolation。 filtering section using LC lowpass filter to obtain a highfrequency sine wave AC output。 用 MATLAB 軟件仿真出設(shè)計(jì)的電路，其中對(duì)純電阻負(fù)載以及電阻電感負(fù)載分別進(jìn)行數(shù)據(jù)和波形的分析，并采取相關(guān)措施使最后輸出的波形接近正弦波。課題的整流部分選 用不可控的橋式整流 電 路 ；濾波部分 則選 用 LC 低通濾波，獲得 高頻率的 交流正弦波輸出；逆變部分選 用四個(gè) IGBT 管組成的單相橋式逆變電路。 摘要 摘要 隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，單相交 直 交變頻系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，它顯著的變頻