【正文】 越小。 圖 24IGBT的安全工作區(qū) (5)IGBT的輸入阻抗高，可達 109－ 1011 歐姆數(shù)量級，呈純電容性，驅動功率小，這些與 VDMOS相似。 (7)IGBT的最高允許結溫為 150℃ 。 9 IGBT的保護 IGBT與電力 MOSFET 管一樣具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時應采取防靜電措施。 (1)過電流保護 IGBT應用于電力系統(tǒng)中，對于正常過載（如電機起動、濾波電容的合閘沖擊以及負載的突變等）系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)和控制，不至于損壞 IGBT。通常的做法是： ①切斷柵極驅動信號。 ②當檢測到過流故障信號時，立即將柵壓降到某一電平，同時啟動定時器，在定時器到達設定值之前，若故障消失，則柵壓又恢復到正常工作值；若定時器到達設定值時故障仍未消除，則把柵壓降低到零。 (2)過電壓保護 利用緩沖電路能對 IGBT實行過電壓抑制并抑制過量的電壓變化率 dUdt 。然而，由于 IGBT控制峰值電流能力比 VDMOS強，因此在有些應用中可不用緩沖電路。 通常，把交流電變成直流電的過程叫做整流；完成整流功能的電路叫做整流電路。 現(xiàn)代逆變技術就是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應用設計方法的一門科學。 10 現(xiàn)代逆變技術的分類 現(xiàn)代逆變技術種類很多，其主要的分類方式如下： ，可分為工頻逆變（ 50∽ 60Hz）、中頻逆變 (400Hz到十幾 KHz)、高頻逆變 (十幾 KHz到 MHz)。 ，可分為有源逆變和無源逆變。 ，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應管逆變、 IGBT逆變等等。 ，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。 逆變電路的基本工作原理 圖 25(a)為單相橋式逆變電路， S1S4是橋式電路的 4個臂，它們由電力電子器 件及其輔助電路組成。 這樣，就把直流電變成交流電，改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。 圖 25逆變電路及其波形舉例 11 當負載為電阻時，負載電流 oi 和電壓 ou 的波形形狀相同，相位也相同。設 1t 時刻以前 S S4導通， ou 和 oi 均為正。但是，因為負載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。 S S3斷開， S S4閉合時的情況類似。 電力器件的換流方式 圖 26中， S S2 表示由兩個電力半導體器件組成的導電臂，電流從一個臂向另一個臂轉移的過程稱為換流（或換相）。要使某一臂導通，只要給組成該導電臂的器件的控制極施加適當?shù)男盘?，但要使某一臂關斷，情況就復雜多了。晶閘管要在電流過零以后再施加一定時間的反向電壓，才能使其關斷。利用全控型電力電子器件自身具有的關斷能力進行換流，稱為器件換流。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。 (3)負載換流。 (4)脈沖換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流兩種。 三相電壓 型逆變電路 逆變電路根據(jù)直流側電源的性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。 圖 27 三相電壓型逆變電路 電壓型逆變電路有以下一些特點： ，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。 ，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。 ，直流側電容起緩沖無功能量的作用。 下面，我們討論一下三相全橋電壓型逆變電路。和單相半橋、全橋逆變電路相同，13 三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是 180? 導電方式，即每個橋臂的導電角度為180? ，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差 120? 。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。 圖 28三相電壓型橋式逆變電路的工作波形 以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。因此， UNu? 的波形是幅值為 /2dU的矩形波。負載線電壓可由下式求出： ??????????? UN 39。WUW N 39。VWVN 39。UVuuuuuuuuu 設負載中點 N 與直流電源假想中點 N? 之間的電壓為 NNu? ，則負載各相的相電壓分別為： 14 ???????????39。WN N N39。VN N N39。UNuuuuuuuuu 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖 28 所示。把輸出線電壓 展開成傅里葉級數(shù)得： 23 1 1 1( s in s in 5 s in 7 s in 1 1 . . . . . . )5 7 1 1dUV Uu t t t t? ? ? ??? ? ? ? 23 1s in ( 1 ) s inkdnU t n tn??? ??? ? ?????? 式中， 61nk??， k 為自然數(shù)。把 UNu 展開成傅里葉級數(shù)得 2 1 1 1( s in s in 5 s in 7 s in 1 1 . . . . . . )5 7 1 1dUN Uu t t t t? ? ? ??? ? ? ? ? 2 1= s in s in ndnU ttn??? ? ?（ ） 式中， 61nk??， k 為自然數(shù)。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來等效。 圖 29SPWM 波形 根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高， SPWM 波形便越接近正弦波。 SPWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。然后按照計算的結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的波形。 等 腰三角波上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。當調(diào)制信號是正弦波時，所得到的便是 SPWM波形。 16 單極性和雙極性 SPWM 控制方式 單極性是指載波和調(diào)制波始終保持同極性的關系，在調(diào)制波信號的一個周期里，同一橋臂的上下兩個功率管工作狀態(tài)相互切換，分別工作在正弦調(diào)制波的半個周期。 雙極性 SPWM調(diào)制原理圖如圖 211所示 : 圖 211雙極性調(diào)至原理圖 17 第三章 系統(tǒng)硬件設計 本次設計的目的是研制一種輸入為市電三相 380V，輸出為 380V， 50Hz 的交流穩(wěn)定電壓，輸出功率較大的三相穩(wěn)壓電源。 該系統(tǒng)的工作原理是三相電源 380V經(jīng)整流濾波變成直流電壓，然后經(jīng) SPWM全橋逆變，變成 380V的 SPWM 電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為 380V、 50Hz正弦波交流電壓輸出，另外，系統(tǒng)中 CPU根據(jù)輸出采樣電壓值來控制 SPWM波發(fā)生器輸出的 SPWM波形參數(shù)，SPWM發(fā)生器產(chǎn)生的 SPWM 波經(jīng)四個驅動隔離電路去驅動逆變電路，從而把整流濾波后得到的直流電逆變成穩(wěn)定交流電。由于本系統(tǒng)的控制核心器件是 AT89C51，所以我們在此對該器件作一下介紹： AT89C51是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的，該單片機采用高密度，非易失存儲技術，將閃爍存儲器（即 flash memory 或 PEROM）和 MCS51系列單片機相結合。適用于 各種需要較高靈活性的嵌入式控制應用領域。圖 32為它的引腳圖，說明如下： Vcc 和 Vss Vcc：接＋ 5V電壓。 XTAL1：接外部晶振的一個引腳。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。外接晶振時， XTAL2和 XTAL1各接晶振的一端，借外接晶振與片內(nèi)反相放大器構成振蕩器。在訪問外部存儲器時，分別輸出低 8位地址線和 8位數(shù)據(jù)線。 ： 8位雙向 I/O口。 ： 8位雙向 I/O 口。在對內(nèi)部 EPROM 編程時，用于接受高 8位地址。每個引腳都有各自圖 32 AT89C51引腳的第二功 能： RXD（串行輸入口）； TXD（串行輸出口）； INT0（外部中斷請求輸入端 0）； INT1（外部中斷請求輸入端 1）； T0（定時器 /計數(shù)器 0計數(shù)脈沖輸入端）； T1（定時器 /計數(shù)器 1計數(shù)脈沖輸入端）； 、 WR 、RD（片外數(shù)據(jù)存儲器寫 /讀選通信號輸出端）。 PSEN：片外程序存儲器讀取選通信號輸出端。當 Vcc掉電 期間， Vpd 如接備用電源 V可用于保存片內(nèi) RAM中19 的數(shù)據(jù)。 圖 33是本系統(tǒng)主電路的電路圖，下面我們分別來介紹主電路的各個部分： 輸入 EMI濾波器的設計 一、高頻電源中的噪聲問題 電源中，噪聲是指直流基礎電源輸出電壓中的脈動成分以及其他的交流分量。有些噪聲來自設備自身，如在功率轉換電路中開關管從導通到截止或從截止到導通的瞬態(tài)過程中，高速脈沖波形的電流、電壓，尤 其是脈沖上升、下降沿，其中包含豐富的高次諧波分量易產(chǎn)生噪聲，另外，在開關管高速工作時，非線性元件、傳輸導線分布電感、電容容易發(fā)生寄生振蕩，加上器件本身高頻特性的差異均有可能產(chǎn)生噪聲。這里共模噪聲是指主回路與機殼間傳導的噪聲；差模噪聲是指回路中的常態(tài)噪聲；輻射噪聲既包括外界通過空間向電源輻射的噪聲，又包括電源對外輻射的噪聲。 EMI濾波器主要由工頻低通濾波器和共模抑制元件組成，在本系統(tǒng)設計中20 我們選用北京克普銳特電子技術有限公司生產(chǎn)的 KT3H420型三相三線濾波器，其原理圖如圖 3－ 4所示。 ②最大泄漏電流：相－地（ 250VAC、 50Hz） ③耐壓：相－中 2150VDC ④額定工作頻率： 50200Hz 圖 34 KT3H420 型內(nèi)部原理圖 ⑤額定工作電流： 20A ⑥額定工作電壓：相－相 380VAC相－中 220VAC ⑦溫度范圍： 25℃ +85℃ ⑧絕緣電阻： 200M? 500VDC EMI濾波器的安裝和布線對濾波器的性能發(fā)揮是極為重要的，在其安 中應注意以下幾點： ①濾波器應安裝在機柜底部離設備電源入口盡量近的地方，并加以板，不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在機柜內(nèi)迂回。 ②濾波器的外殼必須用截面積大的導線以最短的距離與機殼連為一盡量使濾波器的接地點與外殼接地點保持最短的距離，輸入、輸出應靠近部布線以減少耦合，并將輸入、輸出線嚴格分開，絕不允許將濾波器的輸輸出線捆在一起或靠得很近。 輸入整流濾波電路的設計 本課題設計的電源在額定狀態(tài)下的技術要求為：輸出電壓 380VAC，屬于大功率電源，為了保持三相交流電源的對稱性和減小電源濾波電容等原因，大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。 一、三相橋式整流電路的設計 整流橋的耐壓： 整流二極管的峰值反向電壓為 : d c . m a xU 38 0 2 59 1 V 1. 1?? 取 50％的裕量 d c . m a xUU ( 1 + 5 0 % ) = 5 9 1 1 . 5 = 8 8 6 . 5 V? 整流橋的額定電流 電源的輸出功率為 3KW，是確定值，所以電源的輸入功率就隨著電源的效率變化而變化，計算時取電源效率最差時的值，設 80%minη ? 此時電源的輸入功率 in . m a xP P / 8 0 % 3 7 5 0 W出?? 最大輸入線電流 i n . m a x i n . m a x3 7 5 0 3 7 5 0I 6 . 3 3 AU 3 8 0 3 0 . 9 3? ? ? 根據(jù)以上計算我們選用取富士公司生產(chǎn)的 2RI60G120（ 60A/1200V/2 單元串聯(lián)）型號整流模塊三個連接而成橋式整流回路。 三相電源經(jīng)過整流后，輸出直流電壓，此時通過直流回路的平均電流最大值 為 in . m a xd c . m a x d c . m inP 3750I 8 . 1 2 AU 4 6 2? ? ? Udc為三相電源電壓最低時整流輸出的直流電壓的平均值 22 d c . m inU 1 .3 5 3 8 0 ( 1 1 0 % ) = 4 6 2 V? 計算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗公式是 d . m ax600 IC = 400～ c 因為三相全波整流電路的基波頻率為單相整流電路的 3倍，所以計算三相整流電路的濾波電容公式為： d . m ax00 IC = 133～ 2 c 所以 C=200 =1626uFC 200 1626 F? ? ? ? 因為三相整流的紋波較單相整流要小許多，所以本系統(tǒng)中輸入濾波電容取 1600uF，在實際電路中，我們選用 2個 2200uF/450VDC電容和 2個 1000uF/450VDC 容兩兩串聯(lián)再并聯(lián)組成，經(jīng)仿真和實驗證明，所選電容能滿足設計要求。 逆變器和輸出濾波電路的設計 一、 IGBT的選擇 耐壓 當輸入電網(wǎng)電壓為最高輸入電壓時，經(jīng)整流濾波后輸出的最高直流電壓為 d c . m a xU 38 0 2 59 1 V 1. 1?? 考慮各種因素的影響取 50％的裕量，則 IGBT 的最低耐壓為 d c . m a xUU ( 1 + 5 0 % ) = 5 9 1 1 . 5 = 8 8 6 . 5 V? IGBT的電流 在一些參數(shù)未知的情況下，我們需要估算 IGBT的電流，以便選擇 IGBT管。 綜上所述，在本系統(tǒng)設計中，我們可選擇日本富士公司生產(chǎn)的 2MBI25L120（ 2單元 25A/1200V）型 IGBT