【正文】 ................................................... 22 附 錄 ............................................................................................................................. 23 附錄 1：元器件細(xì)明表 ............................................................................................ 23 附錄 2：系統(tǒng)電路 ................................................................................................... 24 附錄 3：主要程序 ................................................................................................... 25 1 第一章 緒 論 基于 IGBT的 DCAC變換器設(shè)計(jì)的研究背景 隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，對(duì)正弦逆變器的性能要求越來(lái)越高，正弦逆變電源是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的一種功率轉(zhuǎn)換裝置，在工業(yè)和民用方面具有廣闊的市場(chǎng)。我們對(duì) ATMEGA16單片機(jī) PWM波發(fā)生器的使用和編程進(jìn)行了介紹，還對(duì) IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊 TLP250進(jìn)行了介紹，另外，我們還討論了 IGBT管的緩沖電路和系統(tǒng)的保護(hù)電路，同時(shí)分析了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 2020 屆 題 目 基于 IGBT 的 DCAC 變換器設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 論文字?jǐn)?shù) 12020 完成日期 2020 年 5 月 6 日 湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 I 基于 IGBT 的 DCAC 變換器設(shè)計(jì) 摘 要： 本文主要論述了基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的基本原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過(guò)程。在設(shè)計(jì)中，我們采用 PWM逆變控制技術(shù)，單片機(jī) ATMEGA16輸出 PWM波，經(jīng) TLP250驅(qū)動(dòng)模塊去驅(qū)動(dòng) IGBT為開(kāi)關(guān)單元的單相電壓逆變電路。 利用仿真工具軟件軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的 電力電子設(shè)備進(jìn)行仿真，有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。 目前我國(guó)有些地方由于電力供應(yīng)緊張 ,或電力設(shè)備嚴(yán)重老化 ,在用電高峰期 ,電網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行 ,電網(wǎng)電壓太低 ,而在用電低谷期 ,電網(wǎng)電壓太高 ,這種電壓大幅度波 動(dòng)的現(xiàn)象 ,很容易給一些用電設(shè)備帶來(lái)?yè)p害。 電源是電力電子技術(shù)的主要領(lǐng)域之一，隨著新的 電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新的控制技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，逆變電源技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用逆變技術(shù)，可使所設(shè)計(jì)的電源具有許多方面的優(yōu)越性： ，我們可以控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間的比例，從而使輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來(lái)靈活地變化。 ，節(jié)省材料在很多用電設(shè)備中，變壓器和電抗器在很大程度上決定了其體積和重量，如果我們將變壓器繞組中所加電壓的頻率大幅度提高，則變壓器繞組匝數(shù)與有效面積之積就會(huì)明顯減小，變壓器的體積和重量明顯地減小了。 、控制性能好、電氣性能指標(biāo)好由于逆變電路的工作頻率高，調(diào)節(jié)周期短，使得電源設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)或者說(shuō)動(dòng)態(tài)特性好，表現(xiàn)為：對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)、負(fù)載效應(yīng)好、啟動(dòng)沖擊電流小、超 調(diào)量小、恢復(fù)時(shí)間快、輸出穩(wěn)定、紋波小。 [1] 基于 IGBT的 DCAC變換器的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)在越來(lái)越復(fù)雜的電子設(shè)備對(duì)電源提出了各種各樣的負(fù)載要求，一個(gè)特定用途的電源，應(yīng)具有特定的負(fù)載性能要求和特性，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)具備安全可靠、高效、高功率因數(shù)、低噪音的特點(diǎn)，另外，無(wú)電磁干擾、無(wú)電網(wǎng)污染、省電節(jié)能也是我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮的設(shè)計(jì)要求。 [2] 基于 IGBT的 DCAC變換器的研究目的及意義 為了解決直流電能夠在任何時(shí)間及地點(diǎn)都可以轉(zhuǎn)換成交流電，能夠及時(shí)應(yīng)用于一些家電等使用交流電的儀器設(shè)備中，此變換器主要采用以 IGBT作為主要轉(zhuǎn)換元器件并采用 PWM技術(shù)提高變換器的效率，從而產(chǎn)生更加好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。采用 PWM技術(shù)使得變 換器的變換精確度高，而且幅值穩(wěn)定。 本課題的主要任務(wù)是了解并掌握電力電子器件 IGBT的原理和使用，并用電源的逆變技術(shù)設(shè)計(jì)出一臺(tái)基于 IGBT的 DCAC變換器。 3 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證 為了能夠設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的變換器，我們分別對(duì)用于產(chǎn)生 PWM波形的單片機(jī)選型、 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路、 IGBT的保護(hù)、輸出信號(hào)的過(guò)濾等進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)與論證。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。 [4] 方案二： 用 AVR來(lái)產(chǎn)生 PWM波形。 綜合上述兩種方案，方案二較為理想，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 方案一：采用三菱驅(qū)動(dòng)模塊 M57962L。 采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合20kHz左右的高頻開(kāi)關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻（約 185Ω），可將 5V 的電壓直接加到輸入側(cè)。 方案二：采用東芝公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)模塊 TLP [5] TLP250使用特點(diǎn)： 1） TLP250輸出電流較小，對(duì)較大功率 IGBT實(shí)施驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要外加功率放大電路。 3）要求控制電路和檢測(cè)電路對(duì)于電流信號(hào)的響應(yīng) 要快，一般由過(guò)電流發(fā)生到 IGBT可靠關(guān)斷應(yīng)在 10μ s以?xún)?nèi)完成。這種主電路的 dv/dt比正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)下大了許多，造成了施加于 IGBT兩端的電壓升高很多，有時(shí)就可能造成 IGBT的擊穿。 IGBT是一種電壓型控制器件 ，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。 IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用。 因此，對(duì) IGBT的保護(hù)我們也討論了兩種方案： 方案一：專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一電路用于保護(hù) IGBT。 方案二：采用發(fā)射極與集電極之間自帶保護(hù)二極管的 IGBT。因此可以在柵極加一負(fù)偏置電壓，這樣就不會(huì)使得IGBT由于浪涌電壓而造成誤導(dǎo)通了。 綜合整體考慮，我們采用簡(jiǎn)單可靠的方案二。最終構(gòu)成了完整的一個(gè)系統(tǒng)，如圖 21系統(tǒng)整體框圖所示。 5 第三章 工作原理 IGBT管的基本原理與其保護(hù) IGBT管的基本原理 絕緣 柵雙極型晶體管（ Insulated Gate Bipolar Transistor）簡(jiǎn)稱(chēng) IGBT，因?yàn)樗牡刃ЫY(jié)構(gòu)具有晶體管模式，所以稱(chēng)為絕緣柵雙極型晶體管。 IGBT 綜合了 MOS 和 GTR 的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOS的 1/10，開(kāi)關(guān)時(shí)間是同容量 GTR的 1/10。 [6] IGBT的工作原理： N溝道 IGBT通過(guò)在柵極－發(fā)射極間加閾值電壓 UTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的 P層上形成反型層（溝道），開(kāi)始從發(fā)射極電極下的 N－ 層注入電子。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出側(cè)停止供給電流。這種狀態(tài)稱(chēng)為閉鎖狀態(tài)。 IGBT的閉鎖電流 IL為額定電流（直流）的 3倍以上。 [7] 導(dǎo)通： UGE大于開(kāi)啟電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流， IGBT導(dǎo)通。 關(guān)斷：柵、射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)， MOSFET 內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷， IGBT關(guān)斷。 IGBT作為一種大功率電力電子器件常用于大電流、高電壓的場(chǎng)合，對(duì)其采取保護(hù)措施，以防器件損壞顯得非常重要。對(duì)于非正常的短路故障要實(shí)行過(guò)流保護(hù)。只要檢測(cè)出過(guò)流信號(hào)，就在 2us內(nèi)迅速撤除柵極信號(hào)。這種保護(hù)方案要求保護(hù)電路在 1－ 2us內(nèi)響應(yīng)。但由于 IGBT 6 的安全工作區(qū)寬，因此，改變柵極電阻的大小，可減弱 IGBT 對(duì)緩沖電路的要求。 [8][9] 逆變電路的基本工作原理 圖 31(a)為單相橋式逆變電路， S1S4是橋式電路的 4個(gè)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(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。 S1S2RS3S4IoUo+ Ud (a) (b) 圖 31 逆變電路及其波形舉例 當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流 i0和電壓 u0的波形形狀相同，相位也相同。設(shè) t1時(shí)刻以前 S S4導(dǎo)通， u0和 i0均為正。但是，因?yàn)樨?fù)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(kāi)， S S4閉合時(shí)的情況類(lèi)似。 [10] 電力器件的換流方式 圖 32 中， S S2 表示由兩個(gè)電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱(chēng) 為換流（或換相）。要使某一臂導(dǎo)通，只要給組成該導(dǎo)電臂的器件的控制極施加適當(dāng)?shù)男盘?hào)，但要使某一臂關(guān)斷，情況就復(fù)雜多了。晶閘管要在電流過(guò)零以后再施加一定時(shí)間的反向電壓，才能使其關(guān)斷。利用全控型電力電子器件自身具有的關(guān)斷能力進(jìn)行換流，稱(chēng)為器件換流。由電網(wǎng)提供換流電壓稱(chēng)為電網(wǎng)換流。 (3)負(fù)載換流。 7 (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。 [11] S1 S2i V1V2V3V4V D 1V D 2V D 3V D 4R LC+Ud 圖 32 換流 圖 33 單相全橋電壓型逆變電路 單相電壓型逆變電路 逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱(chēng)為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱(chēng)為電流型逆變電路。 電壓型逆變電路有以下一些特點(diǎn)： ，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。 ，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。 阻感負(fù)載是需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。 下面，我們討論一下單相全橋電壓型逆變電路。其輸出電壓u0的波形如同 31(b)所示，是矩形波，下面我們對(duì)其電壓波形作定量分析。正弦波的另外半波可以用相同得辦法來(lái)等效。 根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高， PWM波形便越接近正弦波。 PWM控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)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(lái)代替正弦波或者其他所需要的波形。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)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(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，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(chēng)為調(diào)制方法。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是 PWM波形。 9 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) TLP250驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 典型的 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖 41所示。適合于 IGBT或電 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路。 T r 1T r 2OOOOOO2+35678V c cVoVoG N DVFIFI c c 圖 42 TLP250 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 對(duì)驅(qū)動(dòng) IGBT電路的一般要求： 1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓 IGBT開(kāi)通時(shí)，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令 IGBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)， IGBT處于斷態(tài)。反向偏壓應(yīng)該在－ 5～－ 15V之間。 IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對(duì) IGBT的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng)了器件工作的耐固性（可避免 dv/dt帶來(lái)的誤導(dǎo)通），但與此同時(shí)， 10 它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極－發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。電源的最大峰值電流 IGPK為 ： )/( gGECPK RUI ??? 電源的平均功率 PW