特种逆变电源的设计毕业设计论文

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1、特种逆变电源的设计摘要 隧道、煤矿等场所上使用的窄轨机车上经常会用到车载空压机等辅助设备，但是机车上没有能直接供车载空压机等使用的交流电，所以就需要一个逆变电源系统把接触网的直流电逆变成交流电供给空压机等设备使用。 本文针对当前我国窄轨机车上车载空压机等辅助设备的使用现状，提出特种逆变电源的设计这个题目。该电源系统直接利用SPWM变频控制技术，将机车接触网的直流电550V转化成频率为50HZ电压为380V的稳定三相交流电，供车载空压机等辅助设备使用。设计的主电路采用IGBT作为主控器件，其驱动电路采用高速型EXB840驱动模块，并由AT89C51单片机和集成电路SA8282 配合生成SPWM三

2、相正弦波，作为系统的控制电路。此电源的设计，极大地方便了生产和应用，具有极其良好的经济效益和社会效益。结果表明，由SA8282 为控制芯片的逆变电源结构简单、性能稳定可靠, 适合于中、小功率的应用场合。关键词：SPWM，SA8282，逆变电源，单片机THE DESIGN OF SPECIAL INVERTER POWER SUPPLYABSTRACT The narrow-gauge trains often be used on-board air compressor and other auxiliary equipment in tunnel and mine, but the tra

3、in dont supply AC for the on-board air compressor directly , so it is need for a power inverter that could put the DC into AC for the air compressor using. In this paper, according the using of air compressor on-board and other auxiliary equipment on our countrys narrow-gauge train , the subject of

4、the design of special inverter power supply is put. The inverter power system use SPWM inverter control technology directly, it could put the DC which the volvage is 550V of OCS into a stability of three-phase AC which the frequency of 50HZ and the volvage of 380V for using of air compressor and oth

5、er auxiliary equipment.The main design of circuit use IGBT as a master device, the drive circuit use high-speed-based drive module of EXB840 and it use AT89C51 single-chip and large-scale integrated circuits of SA8282 to generate the SPWM three-phase symmetrical sine wave,as the control circuit in t

6、he system. The design of the power, which is greatly facilitates the production and application, and it has good economic and social benefits extremely. The results show that the inverter power supply structure which is controlled by the SA8282 is simple and good output waveform , the performance is

7、 stable and reliable, and it is suitable for medium and low-power applications.Key words: SPWM, SA8282, inverter power supply, MCU毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均

8、已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成

9、果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录1 绪论- 1 -1.1 课题背景介绍- 1 -1.2 特种逆变电源的现状及发展前

10、景- 1 -1.3 主要技术要求- 3 -1.4 逆变电源的设计思路- 4 -2 逆变原理- 5 -2.1 逆变的基本原理- 5 -2.2 逆变技术- 6 -2.3 正弦脉宽调制技术- 8 -3 主电路设计- 11 -3.1 特种逆变电源的原理- 11 -3.2 主电路原理图及工作原理- 13 -3.3.1 IGBT的基本特点- 15 -3.3.2 主电路吸收电路的研究- 16 -4 控制电路设计- 18 -4.1 控制电路硬件设计- 18 -4.1.1 采样及A/D转化电路- 21 -4.1.2 SPWM波形生成电路- 25 -4.2 控制电路软件设计- 28 -4.2.1 PI调节器- 3

11、6 -5 驱动电路和辅助保护电路设计- 38 -5.1 驱动电路的设计- 38 -5.2 保护电路的设计- 41 -5.2.1 硬件保护- 41 -5.2.2 软件保护- 41 -5.3 辅助电源部分- 41 -结论- 43 -致谢- 44 -参考文献- 45 -附录A 系统控制原理图- 46 -附录B 系统主主电路及辅助电源电路图- 47 -附录C 系统主程序及子程序- 48 - 61 -1绪论1.1 课题背景介绍随着科学技术和电气化铁路的高速发展，如何使电力能源的利用更加合理化，高效化，已成为急待解决的重要课题。目前，我国窄轨机车上经常会用到车载空压机等辅助设备，但是车载空压机等设备需要工

12、频50HZ电压380V的交流电，机车本身并没有提供，就需要把窄轨机车接触网的高压直流电转化为空压机等使用的交流电。因此，开始在机车上采用DC 550V供电系统来逐步取代原有的车轴发电机供电系统和发电车供电统，即将窄轨机车接触网的DC 550V转化为三相交流电，供给车载空压机等辅助设备使用。图1-1 接触网1.2 特种逆变电源的现状及发展前景特种逆变电源是专为窄轨机车设计的一种直流变压装置，它将窄轨接触网直流高压电通过逆变电路变成适合于机车低压系统的电压，为机车的车载空压机等设备提供电源。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件

13、的发展带动着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用品闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断SCR，SCR的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的

14、适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的PWM 控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的1。一般认为，逆变技术的发展可分为如下三个阶段。19561980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率较低，正弦逆变技术开始出现。19812000年高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率较高，正弦波逆变技术的发展日趋完善。2000年至今

15、为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与PWM法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。逆变电源之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能： (1) 逆变电源能将直流电转换为交流电； (2) 变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电； (3) 变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电。正弦波PWM波PWM波直流工频交流整流电路逆变电路输出变压器LC滤波电路控制电路驱动电路图1-2 逆变电源结构图 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高，逆变

16、电源也得到了深入的发展，目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几个方面：(1) 高频化；提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。(2) 高性能化；高性能主要指输出电压特性的高性能。(3) 并联及模块化；(4) 小型化；(5) 输入功率因数化；(6) 数字化；(7) 智能化。逆变电源是电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统运行的安全性和可靠性。逆变电源问世以来引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有影响力和发展前景的一项高科技产品，并广泛应用于通讯、工业设备、卫星通信设备、太阳能及风能发电领域。近

17、年来随着电子信息产业的高速发展，人们对逆变电源的需求与日俱增，逆变电源的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前随着逆变电源的广泛应用，逆变电源显示了十分强大的生命力，并具有高集成度，高性能比，最简的外围电路，最佳的性能指标等特点。逆变电源的应用，特别是特种逆变电源的应用将越来越重要。21世纪是能源开发、资源利用与环境保护互相协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与环境可持续发展战略的重要组成部分。具有世界三大能源之称的石油、天然气和煤等化石燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将逐渐取代化石燃料而成为人类使用的主题能源，这种能源的变迁将迫使发电方式产生一次大变革

18、，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发电方式，将成为主体发电方式。因此，逆变电源在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位2。1.3 主要技术要求(1) 装置的输入电压为：DC 550V；(2) 装置的输出为：AC 380V 50HZ； 功率：5KW。1.4 逆变电源的设计思路本设计中电源系统就适用于窄轨列车接触网DC 550V供电制式的窄轨机车。其主电路采用IGBT的组合电路，提高了整个系统的效率。该系统具有实时控制、自保护。系统对过压、过流等故障具有功能强大的诊断系统，从而提高了系统的安全性和可靠性，同时也增强了系统的可维护性。论文在详细分析了机车DC550V供电系统对逆变电源的功能

19、需求和参数要求的基础上，根据大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化的电源系统设计原则，提出以AT89C51及部分外围扩展芯片和三相波形发生器SA8282为控制器的三相逆变电源结构方案，完成三相逆变主电路及其开关器件的驱动、保护、吸收电路设计。2逆变原理逆变，是电力电子学变换技术中最主要的一种。电力电子学，亦称为电力电子技术，是应用半导体功率开关器件的开通和关断，实现电能的变换和控制的技术，它包括电压、电流、频率、相数和波形等方面的变化，电力电子技术是电力技术（发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络）、电子技术（各种电子器件和处理信息的电子电路）和控制技术（模拟控制理论和数字控制理

20、论）三者相结合的一种新型交叉学科。电力电子技术诞生于20世纪50年代，经过半个多世纪的发展，现在已成为理论和科学体系比较完整，而且又相对独立的一门科学艺术。特别是从20世纪80年代以来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，及其对工业发展所产生的作用，它已被各国专家学者称为是人类社会继计算机之后的第二次电子革命，它在世界各国工业文明的发展过程中所起的关键作用，可能仅次于计算机，预计在本世纪，电力电子技术对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染控制等方面的发展，将会产生更大的推动作用。在这种推动作用中，逆变将扮演重要角色3。2.1 逆变的基本原理 逆变器是整流器的逆向变换器，其作用是通过半导体

21、开关器件（如SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET等）的开通和关断作用，把直流电能变换为交流电能的一种电力电力变化器。由于它是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能的，因此变换效率比较高，但变换输出的波形则很差，是含有相当谐波成份的波形，因而还需要交流低通滤波器的滤波。逆变的基本思想是利用电力电子器件的开关特性，通过控制其导通与关断来获得交流电。根据不同的分类角度，逆变的方式多种多样，从而逆变电路的结构也复杂多变，下面介绍一种简单的典型的单相桥式逆变电路以说明逆变的基本原理，单相半桥式逆变电路如图2-1所示。图2-1 单相半桥式逆变原理图图中是桥式电路的4个臂，它们由电力电子

22、器件及其辅助电路组成。当开关、闭合，、断开时，负载电压为正；当开关、断开，、闭合时，负载电压为负。这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。逆变器广泛应用于以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的逆变场合。随着石油、煤和天然气等主要能源的日益紧张，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。逆变器在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位4。2.2 逆变技术所谓逆变技术，就是将直流电能变换成交流电能的技术。逆变技术作为现代电力电子技术的重要组成部分，正成为电力电子技术中发展最为活跃的领域之一，其应用已渗透到国民经

23、济的各个领域和人们生活的方方面面。在当今的PWM逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。为了减少输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，高频化仍然是主要的发展方向之一，如提高SPWM逆变器的开关频率，采用交流传动用变频器的内高频环等。但逆变器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加，电磁干扰增大。此外，导体的集肤效应和邻近效应，电容的ESR及磁元件的寄生参数等问题都需要解决，其中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。解决这些问题最有效地办法有两个：一个是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开关状态。1970年，NOSokal提出了电压谐振

24、技术，这两项技术都是用LC于开关器件共同组成一个串联或并联谐振回路，利用回路在一个开关周期中全谐振使器件工作在零电流转换（并联谐振）或零电压转换（串联谐振）的软开关状态，从而把开关损耗减小到零，这就是最早的软开关技术。20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心（VPEC）对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改为半谐振或部分谐振，这才使得软开关技术与PWM技术的结合成为可能。此后，掀起了全球性研究软开关逆变技术的热潮。PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径。 逆变技术的种类很多，可以按不同

25、的标准进行分类： (1) 按输入电量的形式：电压型逆变、电流型逆变； (2) 按交流输出的相数：单相和三相逆变、多相逆变； (3) 按主电路使用的开关器件：MOSFET逆变、IGBT逆变、GTO逆变、IGCT逆变； (4) 按主电路的拓扑结构：推挽式逆变、半桥式逆变、全桥式逆变； (5) 按输出交流电量的波形：正弦波逆变、非正弦波逆变； (6) 按功率半导体开关的工作模式：硬开关逆变、软开关逆变。逆变技术的应用领域广泛，在交流电机的变频调速、不间断电源、开关电源、变频电源、风力发电等方面取得了很大的成就。基本型的方波逆变器电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦即THD过大，移相多重叠加逆变

26、器输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。而PWM脉宽调制式逆变器，既有简单的的电路，又可使输出电压波形的谐波含量大大减少，亦即具有较低的THD输出电压波形，因而得到广泛应用。所谓PWM脉宽调制技术（Puls Width Modulation，PWM），是一种参考波（通常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序谐波的正弦波或方波等）为调制波（Modulating Wave），而以N倍于调制波频率的三角波为载波（Carrier Wave），进行波形比较，而调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，并用开关量取代模拟量，并通过对逆变器的开关的通

27、/断控制，把直流电变成交流电，这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波的上下宽度都是线性变化的，故这种调制方式也是线性的。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常叫做正弦脉宽调制(Sinusoida，SPWM)技术5。2.3 正弦脉宽调制技术 正弦脉宽调制(SPWM)技术，就是产生与正弦波等效的一系列等幅不等宽矩形脉冲波形。等效原理是，每个矩形脉冲面积与对应位置正弦波面积相等。如图22所示，设矩形脉冲高度为，宽度为， 中点角度为 ， 为调制正弦波的振幅，以为载波比，则等效面积原理可以表示为： (2-1) 当较大时，并令则可得： (2-2)图2-2 等

28、效回路算法原理图 由图2-2式可以明显看出，在载频固定，且给定输出角频率 (n=常量)情况下，等效脉冲宽度和调制度M成正比，和脉冲所在位置的正弦值成正比。也就是说，只要按正弦规律变化，SPWM 就可以输出正弦电压；越宽，输出的电压值越高，根据这一规律，出现了多种形成SPWM 的具体技术6。(1) 等效面积算法等效面积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点。其方法是把半个周期的正弦波分成N等份，然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积都用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替，即相对应的同一时间段内矩形脉冲波面积的代数和与正弦波和横轴所包围的面积相等。同样正弦波的负半周也可

29、用该方法来等效。N的多少就意味着SPWM 信号的调制频率高低，调制频率越高正弦波的波形越好，但频率的选择又受元件频率特性的限制。 在载频固定，且输出频率已知的情况下，= ，从而可以求得第 i个脉冲的宽度 。(2) 自然采样法自然采样法源于模拟控制方法，计算正弦调制波与三角波的交点，从而求出相应的脉冲宽度和脉冲间歇时间，生成SPWM 波形，其原理如图2-3所示。图中Tc表示载波周期，表示脉冲宽度。这种方法所求得等效面积精确，但要求解复杂的数学方程，计算量大，难以用单片机实时计算，工程实现难度较大。图2-3 自然采样法(3) 规则采样算法 规则采样算法是对自然采样法的近似，根据近似的方法不同有不同

30、的计算方法。图24示出了一种常用的规则采样算法。其原理是，在三角载波的负峰值时刻求得 之值E，并以此值在三角载波上截得A，B两点，从而确定了脉宽值 。这种方法实际上是用阶梯波代替正弦波，只要 n足够大，精度是可以保证的，但计算量要比自然采样小得多。图2-4 规则采样法(4) 单片机产生SPWM 波XC164驱动单元IPM功率模块P直流输入NUVW故障输入 单片机(包括DSP)在近年来发展很快，其强大的功能使其当然成为正弦脉宽调制控制器的主角。为了进一步简化结构、提高运算效率、降低成本、减少外围硬件电路，近年来，出现了多种专门产生PWM 的单片机。其结构原理是在原来通用单片机的基础上，增加了PW

31、M 产生电路，同时还增加了相关的辅助电路，如AD电路、专用通讯口等。譬如：AVR单片机AT90PWM2，DS87C550以及In-finenon公司的C504，XC164等单片机。用XC164产生三相SPWM 的应用如图2-5可以看出，利用专用单片机，可省去大量外部辅助器件，降低硬件成本，软件开销也明显下降。图2-5 XC164构成的驱动电路3主电路设计3.1 特种逆变电源的原理本逆变电源的设计，由输入电路、逆变主电路、输出电路、采样电路、控制电路、驱动电路、辅助电路和保护电路组成，基本的结构框架和关系如图3-1所示。输入电路逆变电路输出电路驱动电路辅助电路控制电路采样电路图3-1 逆变系统原

32、理框图(1) 输入电路 逆变电路的主回路输入可以是直流电或交流电。本系统采用直流电，因为直流电波动比较大，所以要增加电容滤波电路来稳压。(2) 输出电路 输出回路将逆变器变换的交流电作进一步处理，以得到谐波含量较少的交流输出。该部分电路一般有低通滤波电路组成，当输出侧接有变压器时，也可以利用变压器的电感进行滤波。(3) 控制电路 控制电路的功能是按要求调节并产生一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。逆变控制电路的形式多种多样，从大的方面讲，有模拟电路和数字电路（包括基于单片机的控制系统）。图3-2给出了控制系统的结构框图。图3-3给出了逆变器的数字控制电路

33、基本框图；数字信号输入和模拟信号输入指各种反馈量，以及保护、检测量等信号，单片机检测到各种信号后，根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模转化输出控制信号，经放大后控制高频电力电子电路来实现DC-AC变换，交流输出经变压器变换后即可得到所需交流电。逆变电路逆变变压器输出整流滤波电路调节器脉冲形成电路输出反馈电路ACACDC图3-2 逆变器的数字控制电路基本框图模拟信号数字信号单片机D/A波形生成电路比较器隔离驱动电路高频开关变换电路变压器A/D图3-3 逆变器的数字控制电路具体框架(4) 逆变电路 这部分电路是逆变电源的主体部分，主要由各种开关器件组成，用来实现主要的DCAC变换。(

34、5) 辅助和保护电路辅助电路包括控制系统所需的各种电源等电路。保护电路的主要保护功能包括：过电压、过电流保护，完善的保护能确保逆变系统稳定、安全和可靠工作地保障。3.2 主电路原理图及工作原理本系统的主电路为 DC - AC 逆变电路，输入直流电压供给逆变器，主电路开关器件采用六个 IGB T 模块和吸收电路来构成三相逆变器主电路。 图3-4 系统主电路图图3-4是逆变主电路，直流输入经开关器件组成的桥式逆变输出三相交流电a、b、c，经变压器隔离变换后得到所需的三相交流A、B、C。该逆变电路较适用于三相对称负荷场所；但三相不对称而出现中心点漂移后，可以通过增加一个桥臂来进行调整，从而组成了三相

35、四桥臂逆变电路；也可以采用三个独立的单相逆变器经过一定的连接方式组成三相逆变系统，该系统可以三相对称运行，也可以单相独立运行。主回路通电后，逆变电源开始工作，同时辅助电源也通电。输入直流电压首先经LC电路滤波，使输入电压平滑地加在开关管的源极和漏极。而此时IGBT的门极将有脉冲出现，使IGBT开通，在门极脉冲连续变化时，六只IGBT将按一定的规律导通。而每一个门极的控制脉冲的占空比都是随着正弦波变化的，并且6个IGBT的导通顺序是l-2-3-4-5-6，所以，输出三相对称的交流电，系统要求此交流电的幅值是380V，频率是50Hz。输出信号的电压和频率都是由IGBT的门极控制脉冲决定的，因此，利

36、用调节SA8282的输出SPWM脉冲的占空比就可以得到所需要的输出电压。其逆变电路的预期工作波形如图3-5所示。图3-5 三相桥式逆变主电路的预期工作波形 在逆变主电路中，功率半导体器件是电能转换的关键器件，IGBT是功率器件中目前发展最快且很有发展前途的一种混合器件，由于其具有开关速度快、驱动功率小、电流容量大、电压等级高且价格低等优点，使其应用范围越来越广泛，特别在开关电源、逆变焊机、UPS、变频调遣器等领域中更是大量应用。而在挢式电路中，IGBT的吸收电路对其能否正常可靠使用起着至关重要的作用。吸收电路的参数设计合理，可以大大延长脚的使用寿命，提高设备的可靠性。否则，将会使IGBT 常失

37、效，甚至无法工作7。3.3.1 IGBT的基本特点绝缘栅双极型晶体管IGBT，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。ECGID+RNVJ1+。-IDRon-。C。GE图3-6所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双

38、极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区，称为亚沟道区。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区，它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 图3-6 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGB

39、T 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N层的空穴（少子），对N层进行电导调制，减小N层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。3.3.2 主电路吸收电路的研究图37 主电路吸收电路 吸收电路又称为缓冲电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压，或者过电流和，减少器件的开关损耗。缓冲电路可以分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。在无缓冲电路的情况下，IGBT开通时电流迅速上升，很大，关断时很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下，IGBT开通时缓冲电容C先通过R向IGBT放电

40、，使电流先上一个台阶，以后因为有抑制电路的R，的上升速度减慢。在IGBT关断时，负载电流通过VD向C分流，减轻了IGBT的负担，抑制了和过电压。本系统的主电路吸收电路如图37所示。系统中电容值为33，电阻值为。IGBT在应用时，其电压上升不能太慢，但也不宜太快，电压上升速率太高，需要较重的吸收电路才能使IGBT正常工作，但同时也增大了开关应力，使器件寿命缩短。所以选择适宜的电压上升速率、较轻的吸收电路参数，能使器件长期可靠工作，图3-8是逆变主电路有无吸收电路的波形比较。图3-8 有吸收和无吸收电路的比较4控制电路设计4.1 控制电路硬件设计该逆变器的控制电路主要由AT89C51单片机最小系统

41、和SA8282 三相PWM 发生器构成。单片机用于完成对SA8282 的初始化和输出脉宽控制、频率控制, 同时完成闭环控制算法的运算及数据处理、模拟信号与数字信号的检测以及保护功能的逻辑判断等。由于SA8282和单片机共用一个石英晶体振荡器， 故同步性能稳定,漂移小。SA8282隔离驱动EXB840AD0AD7 ALE P1.0 P1.1 P0.0P0.7ALEAT89C51图4-1 控制电路原理图采样信号送入AD转换器ADC0809中进行转换，AD转换器的输入电压为05 V，故系统中选用霍尔电流传感器CS600B系列，经过变换得到相应的直流电压。AD转换结果经单片机处理后，可完成对SA828

42、2的初始化、输出脉冲控制、频率控制，同时完成闭环控制算法的运算及数据处理等功能。AT89C51单片机在系统中用P0口进行数据交换。P0口主要用于与ADC0809之间进行数据交换和给SA8282传输初始化数据并根据运算的结果调整SA8282的输出。根据系统指标要求，先进行SA8282初始化寄存器编程，确定载波频率、工作频率范围等参数，再进行控制寄存器编程，确定调制工作频率和调制比。这样，就可以控制输出PWM 信号，并通过EXB840驱动模块直接驱动IGBT管。如图4-1所示, SA8282 的地址数据总线与AT89C51的P0 口直接相连, 3 条控制线、WR、RD、ALE 分别与AT89C51

43、相应引脚相连, 片选信号CS 与P1.1 相接。微处理器的P1.0 控制SA8281 的复位引脚RST。设计时将故障信号后直接送SA8282 的SET TRIP 引脚, 以实现有故障时的快速闭锁, 并利用TRIP 产生中断, 在中断服务程序中进行故障的处理及恢复等工作。电压给定单片机PI算法SA8282SPWM驱动器逆变器A/D图4-2 单片机通过SA8282实现逆变电源闭环控制本设计采用单片机AT89C51是一种带4字节闪烁可编程可擦除的低电压，高性能CMOS8位微处理器，有40个引脚，共分为电源线，接口线和控制线三类，其中接口线分为P0、P1、P2、P3,系统中仅用P0口进行数据交换，其管

44、脚功能如下：P0.0 P0.7： P0-8位双向口线；P1.0 P1.7 ：P1-8位双向口线；P2.0 P2.7 ：P2-8位双向口线；P3.0 P3.7 ：P3-8位双向口线。ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从

45、内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。VCC：+5 V电源。表4-1 P3口各引脚与第二功能表引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器0的外部输入P3.5T1定时/计数器1的外部输入P3.6外部RAM写选通P3.7外部RAM读选通图

46、4-3 单片机AT89C51引脚图 单片机是脉冲发生电路的控制中心，主要用于完成对SA8282 的初始化和输出脉宽控制、频率控制, 同时完成闭环控制算法的运算及数据处理、模拟信号与数字信号的检测以及保护功能的逻辑判断等8。4.1.1 采样及A/D转化电路(1) 采样电路 采样电路的作用 采样输出电路中电压和电流的值，完成闭环控制，使系统更加稳定可靠。 使用元件及工作原理 本系统采用霍尔传感器，在电力电子技术中，霍尔传感器是比较理想的的快速检测元件，霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，它在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。a霍尔效应如图4-4所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并

47、在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为；式中d为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。图4-4 霍尔效应示意图b霍尔电流传感器由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。图4-5 霍尔电流传感器示意图本系

48、统采用霍尔系列电流传感器CS600B系列，具体应用参数见下：表4-2 电参数型号CS050B单位IPN原边额定输入电流50AIP原边电流测量范围 0100AVSN副边额定输出电压41%VVC电源电压1215（5%）VIC电流消耗 VC =15V 20mAVd绝缘电压在原边与副边电路之间2.5KV有效值/50Hz/1分钟表4-3 动态参数L 线性度 1%FSV0零点失调电压TA =25 25mVVOM磁失调电压 IPN0 20mVVOT失调电压温漂 IP=0 TA =25+85 1M/Tr响应时间 3sf频带宽度（-3dB） DC20kHz表4-4 一般参数TA工作环境温度 25+85TS贮存环

49、境温度 40+100RL负载电阻 TA =25 10K标准Q/3201CHGL02-2002优点：1原边与副边之间高度绝缘； 2最具竞争力的性能/价格； 3穿孔结构，无插入损耗； 4安装简便，母排安装； 5体积小，重量轻。(2) A/D转化电路 由于采样得到信号是模拟信号，必须进过A/D转化后才能送入单片机中进行处理。本系统采用A/D转化器ADC0809，ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近 。图4-6 ADC0809引脚图ADC0809将采样得到的电压和电流值进行模数转化后，送入单片机进行处理，以确保

50、输出电压的精确性。ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图46。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道。ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500

51、KHz的时钟信号。EOC转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高位。 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。REF参考电源参考电压。用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为(REF（+）=+5V, REF（-）=-5V)。P2.1与写信号WR相或非，构成ADC0809的启动转换信号(START)和锁存信号(A

52、LE)，锁存信号首先将地址ADD-C，ADD-B，ADD-A锁存，选中8路模拟输入通道中的某一路，然后启动信号将A/D转换器的逐次逼近寄存器复位并开始转换。在转换时间内ADC0809的EOC脚为低电平。大概10Ous以后，转换结束，EOC信号变为高电平。EOC信号经过反向器后送入AT89C51的INTO脚，当检测至INTO脚的高电平以后，AT89C51发出读信号RD，与P2.1相或非，使输出允许信号有效，转换后的数据就通过数据总线送入AT89C51。ADC0809的时钟输入频率为500KHz，由AT89C51的ALE信号经74LS73二分频后得到。ALE信号频率: ADC时钟频率:电路中P0口

53、的P0.0，P0.1，P0.2三根引脚既作为数据总线的低三位，又译码作为8路模拟通道的选通地址，需要分时复用。电路中一般要加地址锁存器74LS373锁存低位地址，实现模/数通道的正确选择和数据的正确转换。 图4-7 AT89C51与ADC809接口电路图4.1.2 SPWM波形生成电路SPWM波形主要由SA8282芯片生成，它采用28 脚DIP 封装。图4-8所示是其引脚排列图,其各引脚的功能说明如下：AD0AD7 : 八位地址与数据复用总线, 用于从微处理器接受地址与数据信息。WR(R/ W) 、RD(DS) 、ALE(AS) ： 此三个引脚为Intel (MOTOROLA) 控制模式；SA

54、8282 在工作时可自动适应Intel 或MOTOROLA 控制模式，当ALE(AS) 管脚变为高电平时， SA8282 内部检测电路将自动锁存RD(DS) 线上的状态，如果检测结果为低电平，则采用MOTOROLA 控制模式；如果检测结果为高电平，则采用Intel 控制模式。RST：复位端，低电平有效。CS：片选输入，该控制线可使SA8282 与其它外围接口芯片共享同一组总线。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB：标准TTL 电平输出端口(即PWM驱动信号) ，可分别驱动三相逆变器的六个功率开关器件。TRIP：输出封锁状态指示，用于表明输出是否被锁存，低电平有效。SET

55、TRIP：关断触发信号输入端，当输入为高时，TRIP 及六个PWM输出端将被迅速锁存在低电平状态，且只有在RST复位时才能解除。WSS：波形采样同步端口；ZPPB、ZPPY、ZPPR：分别是三相信号的零相位脉冲输出端。CLK：时钟信号输入端。VDD：+ 5V 偏置电源。图4-8 SA8282引脚图(1) SA8282的特点 全数字化SA8282 与微处理器相连时，可自动适应Intel 和MOTOROLA 两种总线接口，而且编程简捷方便。其全数字化的脉冲输出具有很高的精度和稳定性。 工作方式灵活 SA8282 具有六个标准的TTL 电平输出端，可以驱动逆变器的六个功率开关器件。电路的载波频率、调

56、制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数均可直接通过软件设定，而不需要任何外接电路，从而降低了硬件成本。 工作频率范围宽、精度高SA8282 的三角载波频率可调，当时钟频率为12. 5MHz 时，载波频率最高可达24kHz，输出调制频率最高可达4kHz ，输出频率的分辨率为12 位。(2) SA8282 工作原理 SA8282的工作原理如图4-9所示，它主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、从ROM中读取及产生PWM调制波形部分以及三相输出控制电路等三个功能部分。图4-9 SA8282内部原理结构框图 命令寄存部分 该部分由总线控制、地址/ 数据总线、暂存器R0R2、虚拟寄存器R3R4 及

57、24 位初始化寄存器和24 位控制寄存器构成。该部分在工作时，应首先进行初始化(从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字，进行系统参数设置) ， 然后由微处理器向两个24 位寄存器输入命令字，这两个寄存器分别被称为初始化寄存器和控制寄存器。由于总线的数据宽度被限制在8 位字长，因此要想把数据送到一个24 位寄存器，应先分三次分别送到三个暂存寄存器R0、R1、R2 中。而数据由暂存寄存器R0、R1、R2 送到初始化寄存器或控制寄存器是通过虚拟寄存器R3、R4 的送数写指令来实现的， R3、R4 实际上不存在，它们只在指令中出现。往R3 送数的写指令用于将数据从R0、R1、R2 传送到控制寄

58、存器，而往R4 送数的写指令则可将数据从R0、R1、R2 传送到初始化寄存器。 读取及产生PWM调制波形部分 该部分由地址发生器、波形ROM及相位和控制逻辑构成。由于调制波形关于90、180、270对称，所以波形ROM中仅保存了090的波形瞬时值。工作时，SA8282 可根据地址发生器的信号直接从波形ROM中读取波形数据，然后通过相位控制逻辑将其组成0360的完整波形和三相波形，而不需要处理器进行处理。 三相输出控制电路SA8282 中的每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。脉冲取消电路用于去掉脉冲宽度小于取消时间的脉冲，以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。延时电路可保证死区间

59、隔，其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提供一个较短的延迟时间，以使这段时间里的两个开关都处于关状态，从而防止在转换瞬间桥臂开关元件出现共通(两个开关在状态转换期间造成直通短路) 现象9。4.2 控制电路软件设计 软件程序设计是整个逆变器控制的核心，它决定着逆变器的输出特性,如电压、频率范围、稳定度、谐波含量、保护功能和可靠性等。图4-10为本系统的主程序流程框图。是是否否主程序开始单片机初始化SA8282初始化参数SA8282控制参数采 样U380？过压、过流？结 束中断保护PI调节图4-10 主程序流程图 在软件的主程序中，SA8282 初始化命令和控制命令的参数计算及设置主要用来确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值和中心频率等。 主程序的主要作用是初始化单片机的工作方式，并读入逆变电源