《《电力电子技术》课程设计报告书1.5KVA逆变器设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电力电子技术》课程设计报告书1.5KVA逆变器设计.doc（29页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘要本次设计的容量1.5kVA，频率为50Hz的逆变电源，在分析以IGBT为主要器件的逆变器基础上，给出了直流升压斩波电路和单相全桥逆变电路的工作原理。在电路的设计中，运用了电流保护，电压保护。使电路中最终能够得到稳定的单相220V交流电供电，电路中主要是运用单片机的控制，电压过高或过低时逆变电源将停止工作，保护逆变电源；电压在正常范围内波动时，输出电压不变；当输出电流过大时，单片机将停止SPWM输出，保护电源的器件使负载正常运行。关键词：IGBT；逆变器；斩波电路；SPWM目录1 概述12 方案的论证22.1 功率器件的选择22.1.1 IGBT的结构特点和工作原理22.1.2 IGBT的基
2、本特性32.1.3 IGBT的主要参数62.1.4 IGBT驱动电路的基本要求72.2 逆变电路的选择72.2.1 逆变电路的介绍72.2.2 单相电压型逆变电路83 系统主电路设计113.1 系统组成113.2 系统的主电路图123.3 系统的工作原理123.4 主电路的设计123.4.1 斩波器的设计123.4.2电压型逆变电路134 控制电路设计154.1 控制电路的设计154.1.1正弦脉宽调制波（SPWM）的产生原理154.1.2 PWM控制芯片SG3525164.1.3 STC12系列单片机的介绍184.2 驱动电路的设计214.2.1 EXB840功能介绍214.2.2 驱动电路
3、的设计225 保护电路设计235.1 过流保护回路设计235.1.1 产生原因及危害235.1.2 过流保护电路235.1.3 短路保护电路235.2 过压保护回路的设计245.2.1 产生原因及危害245.2.2 过压保护回路245.2.3 工作原理256 总结26参考文献271.5KVA逆变器设计1 概述逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、
4、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的4060，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、
5、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器。2 方案的论证2.1 功率器件的选择通过对各种功率器件的分析，对于本次1.5kVA逆变电源设计将选用IGBT场效应晶体管作为逆变器用功率开关器件。下面就对绝缘栅双极晶体管（IGBT）做详细的介绍。绝缘栅双极性晶
6、体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是功率MOSFET和双极型功率晶体管组合在一起的复合功率器件。它既具有MOSFET管的通/断速度快、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性好和驱动电路简单等优点，又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优点。从IGBT问世以来得到了广泛的应用，发展很快。特别是在开关和逆变电路中，它是被广泛应用的、理想的开关器件。2.1.1 IGBT的结构特点和工作原理图2-1 IGBT的内部结构、等效电路和电气符号IGBT的内部结构、等效电路和电气符号如图2-1所示。图2-1（a）为IGBT的内部结构，与MOSFET比较，IG
7、BT是在MOSFET的漏极下又增加了一个注入区，因而形成了一个大面积的PN结（）。这样使得IGBT导通时由注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的流通能力。IGBT的等效电路如图2-1（b）所示。它是由MOSFET和双极型功率晶体管组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。因此IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于电导调制效应，使得调制电阻减小，这
8、样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。IGBT的电气符号如图2-1（c）所示。IGBT具有正反向阻断电压高、通态电压大及通过电压来控制其导通或关断等特点。同时，由于采用MOS栅，其控制电路的功耗小，导通和关断时的静态功耗也很小，只是在状态转换过程中存在一定的动态损耗。这种动态损耗也可以通过软开关即使使其达到最小。由于IGBT具有这些特点，才使其被广泛地作为功率开关期间用于开关和逆变电路中。2.1.2 IGBT的基本特性IGBT的基本特性分为静态特性、动态特性和高温特性三个部分。2.1
9、.2.1 静态特性IGBT的静态特性主要包括输出（伏-安）特性、转移特性和静态开关特性。1）输出（伏-安）特性IGBT的输出（伏-安）特性曲线如图2-2所示。它是表示以栅极-发射极间电压为变量的集电极电流和集电极-发射极间电压的关系曲线。图2-2 IGBT的输出（伏-安）特性曲线 IBGT的输出伏-安特性曲线分为四个区域：（1）I区为截止区。在此区域内，由于很小，随着的增加很小，且变化不大。此时，基本上是C、E间的漏电流。（2）II区为线性放大区。在此区域内，随着的增加，当（IGBT的开启电压）时，开始增加，并且随着的变化呈线性关系：式中，为IGBT的跨导。当IGBT用于逆变电路的开关状态时，
10、要求尽快越过这个区域，以便减小通态损耗。因此，这个参数在实际应用中显得不是很重要了。（3）III区为饱和区。在此区域内，当为某一定值时，随着的增加，基本不变，达到饱和。达到饱和后的集电极-发射极电压成为IGBT饱和电压，记为。一般情况下=24V。（4）IV区为击穿区。当为某个确定值时，增加并达到后，会突然增大，发生过电压击穿。此时的称为IGBT的击穿电压。IGBT绝对不能用在此区域内。2）转移特性IGBT的转移特性曲线如图2-3所示。它表示在不变的情况下，与的关系曲线。在很小时，=。随着的增加，在=且继续增加时，呈线性增加而进入放大区。我们把从截止区转移到线性放大区的转移点称为的栅极开启电压。
11、一般情况下，=35V。图2-3 IGBT的转移特性曲线3)静态开关特性IGBT的静态开关特性曲线如图2-4所示。IGBT的静态开关特性实际上时表示IGBT瞬间从导通（关断）状态转换成关断（导通）的情况，即瞬间越过线性放大区的特性曲线。图2-4 IGBT的静态开关特性曲线2.1.2.2 动态特性前面讲述的静态特性，只表明了IGBT从一个稳态变换到另一个稳态的特性，从而没有涉及状态变换的过程。IGBT状态变换过程的特性为其动态特性。IGBT的动态特性与其负载有关。因为IGBT用于逆变电路时的负载多半时感性负载。IGBT的负载为感性时的动态特性曲线如图2-5所示。1）导通特性一般情况下，IGBT的栅
12、极加有一个负偏压以保证IGBT可靠地处于关断状态。当栅极电压由这个负偏压开始往正方向变化时，由于栅极电容有个充电过程，在经过一段时间后，达到栅极开启电压，IGBT的集电极电流才有漏电流开始增加。这段时间称为导通延迟时间。再经过一段时间后，达到=(为流经感性负载的电流)。称为电流上升时间。此时，开始下降，在时间内下降到饱和电压。称为电压下降时间。IGBT的导通时间为、之和，即=+2)关断特性在IGBT处于导通状态时，栅极电容上充有正电压，当向负方向变化时，由于栅极电容有个放电过程，在经过一段时间后，减小到栅极开启电压，集电极电流开始下降。这段时间称为存储时间。过后开始从=下降，由于感性负载的的作
13、用，在上升过程中会产生电压过冲，这段时间称为电压上升时间。在过后，继续下降，最后达到，这段时间称为电流下降时间。IGBT的关断时间为、之和，即=+第二代IGBT的导通时间=0.30.8，关断时间=0.61.5；第三代IGBT的和则更小。图2-5 IGBT的负载为感性时的动态特性曲线2.1.2.3 高温特性IGBT具有优良的高温通态特性，在环境温度（散热片温度）达到200左右时，仍能正常工作。特别值得一提的是，随着温度的增高，IGBT的正向压降反而略有下降，并且还可以在某个特定的通态电流下，随着温度的变化，其通态正向压降保持基本不变。当通态电流高于此值时，随着温度的增高，其正向压降略有增加。但实
14、际应用中，还是应该注意器件的散热问题，以避免器件工作在高温环境中。2.1.3 IGBT的主要参数IGBT的主要参数包括：（1） 击穿电压、通态压降和关断时间toff。（2） 最大集射极间电压UCES 这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。（3） 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。（4） 最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。IGBT的特性和参数特点可以总结如下：（1） IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压1KV以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。（2） 在相同电压和电流额定的
15、情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3） IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4） IGBT的输入阻抗高，起输入特性与电力MOSFET类似。（5） 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。2.1.4 IGBT驱动电路的基本要求1）加在IGBT栅极G和射极E之间，用来开通和关断IGBT的栅极驱动电压的正、负脉冲，应以足够陡的上升沿和下降沿，使IGBT开关时间短，开关损耗小。2）由驱动电路提供的驱动电压和驱动电流要有足够的幅值，使IGBT总处于饱和导通状态。的幅值要综合考
16、虑减小IGBT通态损耗和提高其短路电流耐受能力这两方面的要求来选取。本系统中为+15V。3）在关断过程中，为尽快抽出IGBT内部PNP管中的存储电荷，应施加负偏压-，其值受G，E极间最大反向耐压的限制，在本系统中为-5V。4）IGBT内部存在寄生晶闸管，当集电极电流IC过大或IGBT关断过程中 太高时，都可能使寄生晶闸管误导通，形成静态和动态擎住效应，使IGBT失控。故应注意限制IGBT集电极电流的最大值，本系统栅极外加串联电阻，以延长其关断时间，减小的值。5）由于IGBT在电力电子设备中多用于高电压，所以驱动电路应与控制电路在电位上严格隔离本系统中，采用了TLP521光藕进行隔离。6）IGB
17、T的栅极驱动电路应尽量简单实用和可靠，自身最好带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰性。驱动电路与IGBT的连线要尽量短，并采用绞线或同轴电缆线。2.2 逆变电路的选择2.2.1 逆变电路的介绍逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路（Voltage Source Type InverterVSTI）和电流源逆变电路（Current Source Type InverterCSTI）。逆变器按主电路形式分类如下：图2-6 逆变器按主电路形式分类对于本设计采用单相电压型的逆变电路，电压型
18、逆变电路有以下主要特点：1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2）由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形位矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。2.2.2 单相电压型逆变电路常见的单相逆变电源主电路主要有半桥、全桥两种结构,其中以全桥逆变电路应用最为广泛。2.2.2.1 半桥逆变电路在高压开关电源中，功率输出大的一般都使用半桥式变换电路。其电路
19、图如图2-7所示。它由两只电容和两只高压晶体管组成。当两只晶体管都截止时，若两只电容的容量相等且电路对称，则电容中点A的电压为输入电压的一半。当导通时，电容将通过、变压器初级绕组放电；同时，电容则通过输入电源、和的原边绕组充电。中点A的电位在充、放电过程中将指数规律下降。在导通结束时，A点的电位为，且两只晶体管全都截止。两只电容和两只晶体管的集射极间的电压基本上相等，都接近于输电源电压的一半。相反，导通时，放电、充电，A点的电位将增至，即A点电位在开关过程中将在的电位上以的幅值进行指数变化。由此可见，在半桥式电路中，变压器初级线圈在整个周期中都流过电流，以磁心利用得更充分。图2-7 单相半桥电
20、压型逆变电路半桥式变换电路的主要优点是简单，使用器件少，其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压较低，绝不会超过输入电压的峰值；晶体管的饱和电压也降至最低；输入滤波电容的耐压也可以减小。其确定是输出交流电压的幅值仅为输入的一半，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的平衡。因此，半桥电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。2.2.2.2 全桥逆变电路将半桥式变换电路中的两电解电容换成另外两只高反压功率晶体管，并配以适当驱动电路即可组成全桥式变换电路，如图2-8所示。、组成4个桥臂。高频变压器T连接在它们中间。相对臂的、和、由驱动电路激励而交替导通，将直流输入电压变换成高频方波交流电
21、压。其工作过程与推挽式功率转换电路一样。这样，高频变压器工作时，其初级线圈得到的电压即为电源电压。它是半桥电路输出电压的一倍，而每个晶体管耐压仍为电源电压，使输出功率增大一倍。若是电流达到半桥电路的水平，即电流增大一倍的话，则输出功率就可以增大4倍。全桥电路的主要不足是需要4组彼此绝缘的晶体管基极驱动电路,使控制驱动电路成本增大并复杂化，但选用全桥变换电路可使输出功率大大提高,而且晶体管的损少。图2-8 单相全桥逆变电路3 系统主电路设计3.1 系统组成系统组成如图3-1所示：ACDCC整流升压逆变直流电压稳压调节DC过流保护负载逆变桥逆变PI调节器过流保护控制电路工频LC滤波欠压保护3.2
22、系统的主电路图系统主电路图如图4-2所示：图3-2 主电路图3.3 系统的工作原理如图3-2所示主电路，本系统通过直流升压斩波电路将输入的110V直流电斩波为220V频率为50Hz的直流方波信号，该信号通过由IGBT组成的单相电压型桥式逆变电路后，该信号逆变成为50Hz,220V的交流方波电压，最后通过LC滤波电路后给供给负载3.4 主电路的设计3.4.1 斩波器的设计直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。本设计采用该电路的目的是将输入的110V直流电压转换成输入逆变电路中可用的220
23、V 50Hz直流电压。升压斩波电路的原理图3-3 升压斩波电路的原理图分析升压斩波电路的的工作原理，首先假设电路的中的电感L值很大，电容C值也很大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压U0为恒值，记为U0。设V处于通态的时间为Ton,此阶段电感L上积蓄的能量为EIT。当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为T，则在此期间电感L释放的能量为（U0-E）IT。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即化简得，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路
24、。也称之为boost变换器升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作b，即。b和导通占空比a有如下关系： 因此，上式可表示为 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使输出电压U0不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于上式所得结果。不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。3.4.2电压型逆变电路电压型逆变电路有以下主要特点：1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本
25、无脉动，直流回路呈现低阻抗。2）由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形位矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。图3-4 单相全桥逆变电路图工作过程分析：设在T1时刻前V1和V4，输出电压U0为Ud，T1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流I0不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到T2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V
26、2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，U0仍为-Ud。T3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，而V4不能立即导通，VD4导通续流，U0再次为零。以后的过程和前面相似。这样，输出电压U0的正负脉冲宽度就各为。改变，就可以调节输出电压。4 控制电路设计控制电路的设计是本次设计中的重要部分，它包括了系统的触发电路和保护电路。触发控制电路中主要设计正弦脉宽调制波（SPWM）的产生控制以及IGBT的驱动控制。STC单片机SPWM4.1 控制电路的设计图4-1 触发控制结构框图4.1.1正弦脉宽调制
27、波（SPWM）的产生原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。此定理称之为面积等效原理。它是PWM控制技术的重要理论基础。图4-2 用PWM波代替正弦波如图4-2的正弦半波分成N份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到上图下半部分的脉冲序
28、列。这就是PWM波形。假如这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。实际中应用的主要是调制法，结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律：正半周，通，断，和交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，和导通时，等于，关断时，负载电流通过和续流，=0，负载电流为负区间，为负，实际上从和流过，仍有=，断，通后，从和续流，=0，总可得到和零两种电平。同样，在负半周，让保持通，保持断，和交替通断，可得-和零两种电平。图4-3 单相桥式PWM逆变
29、电路4.1.2 PWM控制芯片SG3525SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。图4-4 SG3525引脚和内部框图1）引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（脚9）相连，可构成跟随器。 2)引脚2：误差放大器同向输入端。
30、在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3）引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4）引脚4：振荡器输出端。 5）引脚5：振荡器定时电容接入端。 6)引脚6：振荡器定时电阻接入端。 7)引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8)引脚8：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9）引脚9：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器
31、。 10）引脚10：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11）引脚11：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12）引脚12：信号地。 13）引脚13：输出级偏置电压接入端。 14）引脚14：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15）引脚15：偏置电源接入端。 16）引脚16：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准SG3525的工作原理 ：SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部
32、系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入
33、端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地
34、，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。 此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。4.1.3 STC12系列单片机的介绍图4-5 STC系列单片机引脚图 (1) STC12系列单片机的典型结构STC 12系列单片机是宏晶科技公司新的低功耗16位Flash单片机，它的16级中断、高效寻址方式、10K大容量Flash, EEPROM, A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(
35、PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合，因此具有很好的性价比和应用适应性。 (2)基本配置STC12C5412AD单片机除了具有STC12系列单片机共有特点外，还具有一些自身特点，对其一些基本配置做以介绍:1.Flash存储器STC12C5412AD Flash存储器为l 0KB。Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序;程序运行时能对其中的1段或多段进行擦/写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash可用于程序数据保存，实现掉电保护，Flash存储器可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1，写入位为“0”。2.脉宽调节模式(PWM)所有
36、PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器EPCnL,CCAPnL有关。当CL SFR的值小于EPCnL, CCAPnL时，输出为低，当PCA CL SFR的值等于或大于EPCnL, CCAPnL时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，EPCnH, CCAPnH的内容装载到EPCnL,CCAPnL中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。3.I/O口工作类型设置STC12C5412AD带
37、有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。4种类型分别为:准双向口(标准8051输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。在对同一个I/O口进行操作前要选择其要实现的功能，这样大大地增强了端口的功能和灵活性。其中一些I/O口还可以与STC12C5410AD中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外，STC12C5410AD的I/O端口电气特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有6mA的驱动能力，对于一般的液晶显示屏、蜂鸣器可以直
38、接驱动而无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便地与外围器件相接。 准双向口输出配置准双向口输出类型可用作输出和输入功能而不需重新配置口线输出状态。这是因为当口线输出为1时驱动能力很弱，允许外部装置将其拉低。当引脚输出为低时，它的驱动能力很强，刚一吸收相当大的电流。准双向口有3个上拉晶体管适应不同的需要。在3个上拉晶体管中，有1个上拉晶体管称为“弱上拉”，当口线寄存器为1且引脚本身也为1时打开。此上拉提供基本驱动电流使准双向口输出为1。如果一个引脚输出为1而由外部装置下拉到低时，弱上拉关闭而“极弱上拉”维持开状态，为了把这个引脚强拉为低，外部装置必须有足够的灌电流能力使引脚上的电压
39、降到门槛电压以下。第2个上拉晶体管，称为“极弱上拉”，当口线锁存为1时打开。当引脚悬空时，这个极弱的上拉源产生很弱的上拉电流将引脚上拉为高电平。第3个上拉晶体管称为“强上拉”。当口线锁存器跳变到1时，这个上拉用来加快准双向口由逻辑4到逻辑1转换。当发生这种情况时，强上拉打开约2个机器周期以使引脚能够迅速地上拉到高电平。推挽输出配置推挽输出配置的下拉结构与开漏输出以及准双向口的下拉结构相同，但当锁存器为1时提供持续的强上拉。推挽模式一般用于需要更大驱动电流的情况。仅为输入(高阻)配置仅为输入时，不提供吸入20mA电流的能力。.开漏输出配置当口线锁存器为0时，开漏输出关闭所有上拉晶体管。当作为一个
40、逻辑输出时，这种配置方式必须有外部上拉，一般通过电阻外接到。这种方式的下拉与准双向口相同。开漏端口带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。4. AD模数转换寄存器STC12C5412AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是12位精度的A/D，速度均可达到100KHz。8路电压输入型A/D，可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口可以灵活的
41、运用，节省了软件及时间。5.有配套的仿真开发工具STC12C5412AD的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，STC12C5410AD的片内己集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简单，只需1套PC环境下的调试软件和1个连接于并口的仿真器。仿真器与STC12C5410AD经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程硬件仿真或软件升级功能，而且无需外加编程电压。4.2 驱动电路的设计4.2.1 EXB840功能介
42、绍EXB840集成芯片是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。具有以下的特点：1）不同的系列（标准系列可用于达到10kHz开关频率工作的IGBT，高速系列可用于达到40kHz开关频率工作的IGBT）。2）内置的光耦可隔离高达2500V/min的电压。3）单电源的供电电压使其应用起来更为方便。4）内置的过流保护功能使得IGBT能够更加安全地工作。5）具有过流检测输出信号。6）单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式图4-6 EXB840的功能方框图EXB840的使用特点：1）EXB840的
43、驱动芯片是通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降来实施对IGBT的过电流保护的。对于IGBT的过电流处理完全由驱动芯片自身完成，对于电机驱动用的三相逆变器实现无跳闸控制有较大的帮助。2）EXB840的驱动芯片对IGBT过电流保护的处理采用了软关断方式，因此主电路的比硬关断时小了许多，这对IGBT的使用较为有利，是值得重视的一个优点。3）EXB840驱动芯片内集成了功率放大电路，这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。4）EXB840的驱动芯片最大只能驱动1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大电路，另外，该类芯片为单电源供电，IGBT的关断负电压信号是由芯片内部产生的5
44、V信号，容易受到外部的干扰。4.2.2 驱动电路的设计在电路的设计过程中，注意以下几个方面的问题：1）IGBT栅射极驱动电路接线必须小于1m；2）IGBT栅射极驱动电路接线应为双绞线；3）如想在IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，那么增加IGBT栅极串联电阻（Rg）即可；4）应用电路中的电容C1和C2取值相同，对于EXB840来说，取值为33F。该电容用来图4-7 IGBT的驱动电路吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。它不是电源滤波器电容。5 保护电路设计保护电路用于当电源出现异常情况时保护设备以及电源本身。当主回路中发生过载，过压等异常状况时，停止电路元件的工作。保护电路能有效的保护逆变器
45、件和负载不被损坏。5.1 过流保护回路设计5.1.1 产生原因及危害过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作特性和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。它包括短路和过流保护两种，控制回路误动作或误配线等都会造成逆变器上、下桥臂直通等短路事故。短路电流流过逆变器的开关器件，会使元件烧坏，因此，必须在很短的时间内封锁PWM驱动信号输出，使逆变器停止工作，同时，还应使输入侧电源开关跳闸。短路电流的整定值一般为逆变器输出额定电流的200%300%，超过逆变器额定电流200%以上的电流应立即采取保护措施。5.1.2 过流保护电路图5-1 过流保护原理图过流保护电路如图6-1所示。此电路是过流保护
46、电路，其中100k电阻用来限流，通过比较器LM311对电流互感器采样转化的电压进行比较，LM311的3脚接一10k电位器来调比较基准电压，输出后接一100的电阻限流它与后面的220F的电容形成保护时间控制。当电流过流时比较器输出是高电平产生保护，使SPWM不输出，控制场效应管关闭，等故障消除，比较器输出低电平，逆变器又自动恢复工作。5.1.3 短路保护电路此电路是短路保护电路，用0.1进行采样电压，通过470k电阻得到电流，此电流流过光电耦合器，当电流高于光藕内二级管导通电流时光藕输出端导通，U3990的10脚变成低电平，使SPWM波不输出，关闭场效应管，形成保护，此过程非常快，当故障排除后，光电耦合器输出关断，逆变器正常工作。图5-2 短路保护原理图5.2 过压保护回路的设计5.2.1 产生原因及危害1）电网输入电压长时间过高；2）减速过快，引起泵升电压过高，当超过IGBT的安全工作电压时就可能造成开关器件的损坏；3）我国电网电压的线性度较差，在重负载时，线电压通常小于380V，而在用电低谷期时，线电压高达440V，如此大的电压变化范围，会导致直流回路过电压，同样会损坏IGBT。5.2.2 过压保护回路设计的过压保护电气原理图如图6-3图5-3 过压电路原理图直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电容器分压后获得，为防止高压信号进入控制电路，采用光电耦合电
