【正文】 研制、生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。逆變電源的應(yīng)用，特別是特種逆變電源的應(yīng)用將越來越重要。具有世界三大能源之稱的石油、天然氣和煤等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將逐漸取代化石燃料而成為人類使用的主題能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式，將成為主體發(fā)電方式。 主要技術(shù)要求(1) 裝置的輸入電壓為：DC 550V；(2) 裝置的輸出為：AC 380V 50HZ； 功率：5KW。其主電路采用IGBT的組合電路，提高了整個系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)對過壓、過流等故障具有功能強大的診斷系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時也增強了系統(tǒng)的可維護性。2．逆變原理逆變，是電力電子學(xué)變換技術(shù)中最主要的一種。電力電子技術(shù)誕生于20世紀50年代，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，現(xiàn)在已成為理論和科學(xué)體系比較完整，而且又相對獨立的一門科學(xué)藝術(shù)。在這種推動作用中，逆變將扮演重要角色[3]。由于它是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來實現(xiàn)電能的，因此變換效率比較高，但變換輸出的波形則很差，是含有相當諧波成份的波形，因而還需要交流低通濾波器的濾波。根據(jù)不同的分類角度，逆變的方式多種多樣，從而逆變電路的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜多變，下面介紹一種簡單的典型的單相橋式逆變電路以說明逆變的基本原理，單相半橋式逆變電路如圖21所示。當開關(guān)、閉合，、斷開時，負載電壓為正；當開關(guān)、斷開，、閉合時，負載電壓為負。這就是逆變電路最基本的工作原理。隨著石油、煤和天然氣等主要能源的日益緊張，新能源的開發(fā)和利用越來越得到人們的重視。 逆變技術(shù)所謂逆變技術(shù)，就是將直流電能變換成交流電能的技術(shù)。在當今的PWM逆變器中，輸出變壓器和交流濾波器的體積重量占主要部分。但逆變器的高頻化也存在一些問題，如使開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。解決這些問題最有效地辦法有兩個：一個是提高開關(guān)器件的速度，二是用諧振或準諧振的方式使逆變器開關(guān)工作在軟開關(guān)狀態(tài)。20世紀80年代初，美國弗吉尼亞電力電子技術(shù)中心（VPEC）對諧振技術(shù)進行了改進，提出了準諧振變換技術(shù)，即把LC回路在一個開關(guān)周期中的全諧振改為半諧振或部分諧振，這才使得軟開關(guān)技術(shù)與PWM技術(shù)的結(jié)合成為可能。PWM軟開關(guān)逆變技術(shù)是當今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究內(nèi)容之一，是實現(xiàn)電力電子技術(shù)高頻化的最佳途徑。逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在交流電機的變頻調(diào)速、不間斷電源、開關(guān)電源、變頻電源、風(fēng)力發(fā)電等方面取得了很大的成就。而PWM脈寬調(diào)制式逆變器，既有簡單的的電路，又可使輸出電壓波形的諧波含量大大減少，亦即具有較低的THD輸出電壓波形，因而得到廣泛應(yīng)用。由于載波三角波的上下寬度都是線性變化的，故這種調(diào)制方式也是線性的。 正弦脈寬調(diào)制技術(shù) 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，就是產(chǎn)生與正弦波等效的一系列等幅不等寬矩形脈沖波形。如圖2—2所示，設(shè)矩形脈沖高度為，寬度為， 中點角度為 ， 為調(diào)制正弦波的振幅，以為載波比，則等效面積原理可以表示為： (21) 當較大時，并令則可得： (22)圖22 等效回路算法原理圖 由圖22式可以明顯看出，在載頻固定，且給定輸出角頻率 (n=常量)情況下，等效脈沖寬度和調(diào)制度M成正比，和脈沖所在位置的正弦值成正比。(1) 等效面積算法等效面積算法具有計算量小、精度高、輸出電壓波形接近正弦波、諧波損耗小等優(yōu)點。同樣正弦波的負半周也可用該方法來等效。 在載頻固定，且輸出頻率已知的情況下，= ，從而可以求得第 i個脈沖的寬度 。圖中Tc表示載波周期，表示脈沖寬度。圖23 自然采樣法(3) 規(guī)則采樣算法 規(guī)則采樣算法是對自然采樣法的近似，根據(jù)近似的方法不同有不同的計算方法。其原理是，在三角載波的負峰值時刻求得 之值E，并以此值在三角載波上截得A，B兩點，從而確定了脈寬值 。圖24 規(guī)則采樣法(4) 單片機產(chǎn)生SPWM 波XC164驅(qū)動單元IPM功率模塊P直流輸入NUVW故障輸入 單片機(包括DSP)在近年來發(fā)展很快，其強大的功能使其當然成為正弦脈寬調(diào)制控制器的主角。其結(jié)構(gòu)原理是在原來通用單片機的基礎(chǔ)上，增加了PWM 產(chǎn)生電路，同時還增加了相關(guān)的輔助電路，如A／D電路、專用通訊口等。用XC164產(chǎn)生三相SPWM 的應(yīng)用如圖25可以看出，利用專用單片機，可省去大量外部輔助器件，降低硬件成本，軟件開銷也明顯下降。輸入電路逆變電路輸出電路驅(qū)動電路輔助電路控制電路采樣電路圖31 逆變系統(tǒng)原理框圖(1) 輸入電路 逆變電路的主回路輸入可以是直流電或交流電。(2) 輸出電路 輸出回路將逆變器變換的交流電作進一步處理，以得到諧波含量較少的交流輸出。(3) 控制電路 控制電路的功能是按要求調(diào)節(jié)并產(chǎn)生一系列控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。圖32給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。逆變電路逆變變壓器輸出整流濾波電路調(diào)節(jié)器脈沖形成電路輸出反饋電路ACACDC圖32 逆變器的數(shù)字控制電路基本框圖模擬信號數(shù)字信號單片機D/A波形生成電路比較器隔離驅(qū)動電路高頻開關(guān)變換電路變壓器A/D圖33 逆變器的數(shù)字控制電路具體框架(4) 逆變電路 這部分電路是逆變電源的主體部分，主要由各種開關(guān)器件組成，用來實現(xiàn)主要的DC—AC變換。保護電路的主要保護功能包括：過電壓、過電流保護，完善的保護能確保逆變系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和可靠工作地保障。 圖34 系統(tǒng)主電路圖圖34是逆變主電路，直流輸入經(jīng)開關(guān)器件組成的橋式逆變輸出三相交流電a、b、c，經(jīng)變壓器隔離變換后得到所需的三相交流A、B、C。主回路通電后，逆變電源開始工作，同時輔助電源也通電。而此時IGBT的門極將有脈沖出現(xiàn)，使IGBT開通，在門極脈沖連續(xù)變化時，六只IGBT將按一定的規(guī)律導(dǎo)通。輸出信號的電壓和頻率都是由IGBT的門極控制脈沖決定的，因此，利用調(diào)節(jié)SA8282的輸出SPWM脈沖的占空比就可以得到所需要的輸出電壓。圖35 三相橋式逆變主電路的預(yù)期工作波形 在逆變主電路中，功率半導(dǎo)體器件是電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，IGBT是功率器件中目前發(fā)展最快且很有發(fā)展前途的一種混合器件，由于其具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、電流容量大、電壓等級高且價格低等優(yōu)點，使其應(yīng)用范圍越來越廣泛，特別在開關(guān)電源、逆變焊機、UPS、變頻調(diào)遣器等領(lǐng)域中更是大量應(yīng)用。吸收電路的參數(shù)設(shè)計合理，可以大大延長腳的使用壽命，提高設(shè)備的可靠性。 IGBT的基本特點絕緣柵雙極型晶體管IGBT，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。ECGID+RNVJ1++。C。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。 圖36 N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。IGBT 的驅(qū)動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N－溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。 主電路吸收電路的研究圖3—7 主電路吸收電路 吸收電路又稱為緩沖電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓，或者過電流和，減少器件的開關(guān)損耗。在無緩沖電路的情況下，IGBT開通時電流迅速上升，很大，關(guān)斷時很大，并出現(xiàn)很大的過電壓。在IGBT關(guān)斷時，負載電流通過VD向C分流，減輕了IGBT的負擔(dān)，抑制了和過電壓。系統(tǒng)中電容值為33，電阻值為。所以選擇適宜的電壓上升速率、較輕的吸收電路參數(shù)，能使器件長期可靠工作，圖38是逆變主電路有無吸收電路的波形比較。單片機用于完成對SA8282 的初始化和輸出脈寬控制、頻率控制, 同時完成閉環(huán)控制算法的運算及數(shù)據(jù)處理、模擬信號與數(shù)字信號的檢測以及保護功能的邏輯判斷等。SA8282隔離驅(qū)動EXB840AD0—AD7 ALE —ALEAT89C51圖41 控制電路原理圖采樣信號送入A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809中進行轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～5 V，故系統(tǒng)中選用霍爾電流傳感器CS600B系列，經(jīng)過變換得到相應(yīng)的直流電壓。AT89C51單片機在系統(tǒng)中用P0口進行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)系統(tǒng)指標要求，先進行SA8282初始化寄存器編程，確定載波頻率、工作頻率范圍等參數(shù)，再進行控制寄存器編程，確定調(diào)制工作頻率和調(diào)制比。如圖41所示, SA8282 的地址數(shù)據(jù)總線與AT89C51的P0 口直接相連, 3 條控制線、WR、RD、ALE 分別與AT89C51相應(yīng)引腳相連, 片選信號CS 相接。設(shè)計時將故障信號后直接送SA8282 的SET TRIP 引腳, 以實現(xiàn)有故障時的快速閉鎖, 并利用TRIP 產(chǎn)生中斷, 在中斷服務(wù)程序中進行故障的處理及恢復(fù)等工作。ALE：地址鎖存控制信號。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。在讀外部ROM時，有效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。當輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VCC：+5 V電源。 采樣及A/D轉(zhuǎn)化電路(1) 采樣電路① 采樣電路的作用 采樣輸出電路中電壓和電流的值，完成閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。a．霍爾效應(yīng)　　如圖44所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為；式中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。圖44 霍爾效應(yīng)示意圖b．霍爾電流傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。100AVSN副邊額定輸出電壓4177。12～177。5%）VIC電流消耗 VC =177。25mVVOM磁失調(diào)電壓 IPN→0 177。1M/℃Tr響應(yīng)時間 ≤3μsf頻帶寬度（3dB） DC～20kHz表44 一般參數(shù)TA工作環(huán)境溫度 –25～+85℃TS貯存環(huán)境溫度 –40～+100℃RL負載電阻 TA =25℃ ≥10KΩ標準Q/3201CHGL022002優(yōu)點：1．原邊與副邊之間高度絕緣； 2．最具競爭力的性能/價格； 3．穿孔結(jié)構(gòu)，無插入損耗； 4．安裝簡便，母排安裝； 5．體積小，重量輕。本系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)化器ADC0809，ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 。ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，其引腳排列見圖4—6。ALE——地址鎖存允許信號。START——轉(zhuǎn)換啟動信號。A、B、C——地址線。CLK——時鐘信號。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。EOC=0，正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。D0為最低位，D7為最高位。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。REF——參考電源參考電壓。其典型值為(REF（+）=+5V, REF（）=5V)。在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)ADC0809的EOC腳為低電平。EOC信號經(jīng)過反向器后送入AT89C51的INTO腳，當檢測至INTO腳的高電平以后，AT89C51發(fā)出讀信號RD，使輸出允許信號有效，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就通過數(shù)據(jù)總線送入AT89C51。ALE信號頻率: ADC時鐘頻率:，又譯碼作為8路模擬通道的選通地址，需要分時