单片机调频逆变系统详细设计.doc

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1、单片机调频逆变系统详细设计2008年11月25日成都目录1设计理论基础311逆变核心元件介绍312脉冲宽度调制（PWM）原理613 PID控制原理7131 PID控制原理与程序流程7132标准PID算法的改进11133数字PID参数的选择15134数字PID控制的工程实现162调频逆变原理203单片机调频逆变设计2131设计功能图2132 IPM介绍2133 PWM发生器SG3525介绍251设计理论基础 电力逆变，就是一种将直流变成工频交流或将工频交流变成可以改变频率的交流电源系统。对于电力逆变来说，主要应用到应急电源及电机软启动等方面。本详细设计主要针对应急电源系统，应急电源系统分工频逆变

2、和变频逆变，所以我们的设计是变频逆变，同时也可设置为工频逆变，就是频率固定不变。在设计前我们首先要明确逆变技术中的几个原理理论。11逆变核心元件介绍现在逆变应用的核心元件是大功率场效应管IGBT，IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。IGBT已由第三代、第四代发展到了第五代，由穿通型（PT型）发展到非穿通型（NPT型），其电性能参数日趋完善。IGBT模块也在此基础上同步发展，有单管模块、半桥模块、高端模块、低端模块、6单元模块等。合理的驱动保护是IGBT安全工作的前提条件，特别是选择合理的栅极驱动电压Uge和合理的

3、栅极串联电阻Rg，以及过电压过电流保护尤为重要。IGBT模块的应用电路有半桥电路逆变、全桥电路逆变、三相逆变、斩波应用等。IGBT模块已被广泛应用于UPS、感应加热电源、逆变焊机电源和电机变频调速等电源领域。1、IGBT模块电路结构1）单管模块 一般说来，单管IGBT模块其额定电流比较大，是由多个IGBT芯片和快恢复二极管（FRD）芯片在模块内部并联而成，其电路结构如图1所示。图1 单管电路结构 图2 半桥电路结构2）半桥模块 半桥IGBT模块也称为2单元模块，是一个桥臂，其内部电路结构如图2所示。两只半桥IGBT模块可组成全桥（H桥）逆变电路。 3）高端模块 高端IGBT模块其内部电路结构如

4、图3（a）和图3（b）所示。图3（a）为斩波器应用电路结构，图3（b）为感应加热应用电路结构。图3(a) 高端电路结构 图3(b) 高端电路结构4）低端模块 低端IGBT模块其内部电路结构如图4（a）图4（b）所示。图4（a）为斩波器应用电路结构，图4（b）为感应加热应用电路结构。图4(a) 低端电路结构 图4(b) 低端电路结构2、IGBT模块驱动保护要点 1）IGBT栅极驱动电压Uge 理论上UgeUge(th)，即栅极驱动电压大于阈值电压时IGBT即可开通，一般情况下阈值电压Uge(th)56V。为了使IGBT开通时完全饱和，并使通态损耗最小，又具有限制短路电流能力，栅极驱动电压Uge需

5、要选择一个合适的值。当栅极驱动电压Uge增加时，通态压降减小，通态损耗减小，但IGBT承受短路电流能力减小；当Uge太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。当栅极驱动电压Uge减小时，通态压降增加，通态损耗增加，但IGBT承受短路电流能力提高。为获得通态损耗最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力，通常选取栅极驱动电压UgeD*Uge(th)，系数D1.5、2、2.5、3。当阈值电压Uge(th)为6V时，栅极驱动电压Uge则分别为9V、12V、15V、18V；栅极驱动电压Uge折中取12V15V为宜，12V最佳。IGBT关断时，栅极加负偏压，提高抗干挠能力，提高承受dv/dt能力，栅极

6、负偏压一般为10V。 2）IGBT栅极电阻Rg 选择适当的栅极串联电阻Rg对IGBT驱动相当重要。 当Rg增大时，可抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡，减小开关di/dt,限制IGBT集电极尖峰电压；但Rg增大时，IGBT开关时间延长，开关损耗加大。当Rg减小时，减小IGBT开关时间，减小开关损耗；但Rg太小时，可导致ge之间振荡，IGBT集电极di/dt增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏。因此，应根据IGBT电流容量和电压额定值以及开关频率选取Rg值，如10、15、27等，并建议ge之间并联一数值为10K左右的Rge，以防止栅极损坏。 3）IGBT过电压过电流保护 过电压过电流是

7、造成IGBT损坏的两大主要因素，应加以有效的保护。对于过电流，如果采用电流传感器保护，首先应考虑电流传感器的响应时间，建议过电流保护点设定为模块额定电流的1.52倍为宜；如GA100TS120K的模块电流额度值为100A，电流传感器设定为150A200A；如GA200TD120K的模块电流额度值为200A，电流传感器设定为300A400A。如果采用通态电压Vce(on)来保护，建议Vce(on)设定为56V，这时模块的峰值电流约为额度值的22.5倍。 对于过电压，通常采用RCD吸收过电压尖峰，最好是采用无感电阻和无感电容。同时，必须尽量减少或者消除布线时的杂散电感，可以通过减小整个电路有效回路

8、面积来减小杂散电感。另外，还可以通过适当增加栅极串联电阻Rg来抑制过电压尖峰。3、IGBT模块典型应用 1）感应加热电源 图5 为并联谐振感应加热电源主电路，由两只低端IGBT模块和两只高端IGBT模块组成，也可由四只单管IGBT模块和四只快恢复二极管模块组成，视感应加热电源功率而定。对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压和电流分别为正弦波和方波。图5 IGBT感应加热电源主电路 2）逆变焊机电源 图6 为一全桥式逆变电路，由两只半桥IGBT模块组成，采用PWM控制，对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压为交变方波。此电路广泛应用于电焊机电源。图6 IGBT逆变焊机

9、电源主电路 3）变频调速电源 图7为IGBT三相PWM逆变电路，由三只半桥IGBT模块组成，用于变频调速电源和UPS电源。图7 IGBT变频调速电源主电路4、IGBT及快恢复二极管模块的使用1）防止静电 IGBT是静电敏感器件，为了防止器件受静电危害，应注意以下两点： （1）IGBT模块驱动端子上的铜环是防静电导电管，用户用接插件引线时取下套管立即插上引线；在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子。 （2）焊接器件时，设备或电烙铁一定要接地。2）选择和使用 请在产品的绝对最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出绝对最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出VCES的电压时可能发

10、生雪崩击穿现象从而使元件损坏，请务必在VCES的绝对额定值的范围内使用！工作频率愈高，工作电流愈小；基于可靠性的原因，必须考虑安全系数。如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值）。 （1）驱动电路：由于IGBT Vce(sat) 和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为+VG=1310%V，-VG=510V，要确保在模块的驱动端子的驱动电压和波形达到驱动要求；栅极电阻与IGBT 的开通和关断特性密切相关，Rg小时开关损耗减少，开关时间减少，关断脉冲电压增加；应根据浪涌电压和开关损耗间最佳

11、折衷(与频率有关)选择合适的Rg 值，一般选为至之间。为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K30K电阻。驱动布线要尽量短且采用双绞线；在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其完全动作后再投入主电路电源。 （2）保护电路：IGBT 模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电感和元件的配置，应注意以下保护项目：过电流保护 过电压保护 栅极过压及欠压保护 安全工作区 过热保护。 （3）吸收电路：由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，所以必须设有浪涌钳位电路。 （4）并联使用：应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。 （5）其它事项，使用时

12、请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。5、IGBT安装 散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择，以保证模块工作时对散热器的要求。散热器表面的光洁度应小于10mm，每个螺丝之间的平面扭曲小于10mm。为了减少接触热阻，推荐在散热器与模块之间涂上一层很薄的导热硅脂，模块均匀受力后，从模块边缘可看出有少许导热硅脂挤出为最佳。如果散热器表面的光洁度或是安装力矩和方法不当，尤其是底板为DBC基板（无铜板）的模块可能会造成模块的内部芯片与外部散热器绝缘的陶瓷基板破裂，从而使模块绝缘破坏。 模块安装在散热器上时，螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧。力矩不足导致热阻增加或运动中出现螺钉松动。力矩过大可能损坏模块

13、外壳或是破坏模块绝缘。 仅安装一个模块时，装在散热器中心位置，使热阻效果最佳。安装几个模块时，应根据每个模块发热情况留出相应的空间，发热大的模块应留出较多得空间。两点安装紧固螺丝时，先依次紧固额定力矩的1/3，然后反次达到额定力矩。四点安装和两点安装类似，IGBT长的方向顺着散热器的纹路。紧固螺丝时，依次对角紧固1/3额定力矩，然后反次达到额定力矩。 使用带纹路的散热器时，IGBT长的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形。两只模块在一个散热器上安装时，短的方向并排摆放，中间留出足够的距离，主要是风机散热时减少热量迭加，容易散热，最大限度发挥散热器的效率。二是模块端子容易连接，有利于减少杂散

14、电感，尤其高频使用时更重要。在连接器件时，连接模块的母线排不能给模块主端子电极造成过大的机械和热应力，以免模块电极的内部焊接断裂或电极端子发热在模块上产生过热。12脉冲宽度调制（PWM）原理PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制波通常由一列占空比（有效脉冲与周期之比）不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。输入信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。通过图1 b

15、的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的输入信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTsPH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”；当PVPL(下限值)时，则下限报警状态(PLA)为“1”。为了不使PHA/PLA的状态频率改变，可以设置一定的报警死区(HY)。（2）被控量变化率限制变化率的选取要适中2、偏差处理 图5-4-4偏差处理计算偏差根据正/反作用方式(D/R)计算偏差DV偏差报警偏差过大时报警DLA为“1”输入补偿根据输入补偿方式ICM的四种状态，决定偏差输出CD

16、V：非线性特性3、控制算法的实现 图5-4-6 PID计算当软开关DV/PV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；当软开关DV/PV切向PV位置时，则选用测量(即被控量)微分方式。4、控制量处理1）输出补偿根据输出补偿方式OCM的四种状态，决定控制量输出2）变化率限制控制量的变化率MR的选取要适中3）输出保持通过选择软开关FH/NH选择当软开关FH/NH切向NH位置时，输出控制量保持不变；当软开关FH/NH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。4）安全输出当软开关FS/NS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS；当软开关FS/NS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。5、自动/手动切

17、换在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。自动/手动切换处理框图。1）软自动/软手动当软开关SA/SM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；当软开关SA/SM切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，称为软手动(SM)。一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。2）控制量限幅，对控制量MV进行上、下限限处理, 使得MHMVML。3）自动/手动当开关处于HA位置时，控制量MV通过D/A输出，称为自动状态(HA)状态)；当开关处于HM位置时，手动操作器对执行机构进行操作，称为手动状态(HM状态)。4）无平衡无扰动切换（1）无平衡无扰切换

18、的要求在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。（2）无平衡无扰切换的措施。在手动(SM或HM)状态下，应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数据，如e(n-1)和e(n-2)清零，还要使u(n-1)跟踪手动控制量(MV或VM)。从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，可采取类似的措施。6、程序实例 以下是用PID调节原理实现的水量调节器运行图和程序段：/ PID 调节程序段procedure TForm1.Timer1(Sender: TObje

19、ct);begin Kp := StrToFloat(EditP.Text); / 比例放大系数 Ki := Kp*0.001/StrToFloat(EditI.Text);/积分放大系数 = 比例放大系数*采样周期 / 积分时间； /“采样周期”Timers1.Interval/1000 Kd := Kp*StrToFloat(EditD.Text)/0.001;/ 微分放大系数 = 比例放大系数*微分时间 / 采样周期 Ek_1Error(k-1) := EkError(k); Ek := SliderTank.Position - AnalogDisplayTank.Value; / 误

20、差量 ErrorValueSum := ErrorValueSum + Ek; / 积分，误差量合计 EditError.Text := FormatFloat(0.00,SliderTank.Position - AnalogDisplayTank.Value); / PID 计算公式 SliderInTemp调节量 := Kp*Ek + Ki*ErrorValueSum积分 + Kd*(Ek-Ek_1)Ek-Ek_1：微分; end;2调频逆变原理 下图是通用调频逆变原理图：3单片机调频逆变设计31设计功能图功能图如下所示：32 IPM介绍1、IPM特点1）结构方面IPM由高速低功耗的IG

21、BT（或MOSFET）电力半导体管芯和优化的栅极驱动电路以及快速保护电路组成。即在模块内把IGBT（或MOSFET）等功率开关器件和驱动电路集成在一起，并且具有短路保护和输出温度信号功能，可保护IPM不受损坏。外形美观，体积小，结构紧凑。复杂的电联结经过巧妙设计，布线极为合理，大大减少和缩短了连线，很好地解决了高速大电流开关器件的分布参数问题，优化了门极驱动电路，得到了较高的技术指标，同时给用户安装带来极大的方便。由于产品采用先进的电力半导体模块工艺生产，是靠模具和自动化设备进行生产，人的因素干扰小，产品质量稳定。该产品在材料、制造、规模、服务等方面都具有较大优势。与其他品牌的IPM相比能给用

22、户带来更多的实惠。主电路采用进口的IGBT（或MOSFET）方形芯片，模块电压高、电流大、开关速度快、压降小、功耗低。采用（DCB）陶瓷覆铜板，经独特处理方法和特殊焊接工艺，保证焊接层无空洞，热阻小、热应力小、耐热疲劳次数高。驱动采用进口专用IC、贴片元件，大大保证了驱动电路的可靠性。模块内部采用进口高热导绝缘硅凝胶灌封，满足主电路所有芯片防护、绝缘、防潮、导热的需要。模块壳体间采用进口高级粘接胶牢固联结，达到较高的防护强度和气闭密封。主电路、驱动控制电路与导热底板相互绝缘，绝缘耐压2500VAC（RMS），保证人身安全。模块内置辅助驱动电源，实现驱动与主电路电气隔离。不但保证人身安全，而且不

23、论IPM模块采用什么样的拓扑结构，所有模块外部只需一只12V直流电源供电即可，解决了其他品牌IPM需多路辅助电源问题，给用户带来极大方便和实惠。IGBT模块控制端与主电路为光电隔离，可方便地实现模块间的随意串、并联，为制造较大功率设备提供方便。 2）驱动及其他方面模块内采用高性能驱动电路，开关速度快、输出电流脉冲大。具有快速的短路保护功能，当发生短路时，IGBT（或MOSFET）将被软关断。模块同时输出一个脉冲信号，用户可通过短路保护输出端口外接短路保护指示。模块内置温度传感器，可实时反映主电路基板温度的变化情况，用于过热保护。该温度传感器实际上是一只热敏电阻，温度越高，阻值越小。其阻值与温度

24、的对应关系为：25时R=50k、40时R=26.8k、50时R=18.1k、55时R=15k、60时R=12.56k、65时R=10.57k、70时R=8.92k、75时R=7.55k、80时R=6.41k。抗干扰能力强。优化的栅极驱动与IGBT（或MOSFET）集成，布局合理，无外部驱动连线。模块主电路内置RCD吸收电路，更好地保护模块安全工作。另外外部连线大为减少，极大方便用户。这是其它品牌IPM所不具备的。2、模块内部电原理图3、模块通用额定值1）模块最高工作频率：IGBT芯片为25kHZ，MOSFET芯片为25kHZ；2）芯片结温范围Tj：25125；3）工作壳温TC：80；4）控制驱

25、动电路所需直流电源电压UD：121.0 VDC；5）控制驱动电路所需直流电源电流ID：0.15A；6）绝缘电压UISO(RMS)：芯片采用IGBT的IPM模块为2500VAC，芯片采用MOSFET的IPM模块为1000VAC。4、安全使用注意事项1）安装注意事项（1）安装前应确认模块的主电路元件（即IGBT或MOSFET）哪一种能够符合您的要求、确认模块的UCES或（UDSS）是否满足主电源电压的要求、确认模块的额定电流能否满足特定工作频率下负载额定电流的要求，确认模块的工作频率能否满足控制原理的要求；（2）安装接线前，务必切断电源；（3）送电中绝对不可插拔模块上的连线及接插件，以免造成损坏；

26、（4）模块工作中，请勿触摸所有带电端子，以防触电，造成人身伤害；请勿触摸散热片、模块等发热元件，以防烫伤。2）串并联注意事项当模块串联或并联使用时，要求同一组的模块其“开通延迟时间” 参数应基本一致和“关断延迟时间”参数也应基本一致。配对时应参考模块一侧标贴的这两项数据。3）维护和保养IPM模块是一种精密的电子器件，虽然在制造过程中，厂家进行了可靠性设计，但如果使用不当，仍可能发生故障或出现运行不佳等情况，因此日常维护是必要的。5、模块的安装与接线1）把散热器和风机按通风要求装配于机箱合适位置。2）在模块导热底板表面与散热器表面各均匀涂覆一层导热硅脂，然后用4个螺钉把模块固定于散热器上，每个螺

27、钉用力要均等，使模块底板与散热器表面紧密接触，并避免拉裂塑料外壳。当模块工作一段时间后，由于热胀冷缩的原因，会使螺钉松动，应在停机断电后重新紧固一遍4个固定螺钉及其他端子的螺钉，以保持各部位连接牢固。3）用接线端头环带将电缆铜线扎紧，最好再浸锡。然后套上绝缘热缩管，用热风或热水加热收缩。4）将接线端头平放于模块电极上，用螺钉紧固，保持良好平面压力接触。5）将控制电源、控制信号、过热过流保护信号等各引线对应规定位置，牢固压接在接线端子内。6、模块的简单应用1）直流电机调速用IPM模块可直接对直流电机实现斩波调速，可以是开环控制，也可以是闭环控制。主电源输入可以采用三相桥式整流或单相桥式整流，也可

28、以采用电池组。接线示意图如下图所示：2）交流电机变频调速下图介绍的是由6只相同型号的IGBT型的IPM模块组成的变频调速系统的接线示意图，交流输入电压为380VAC。如果额定电压为660VAC或1140VAC时，则每个单元需把2只或更多IPM模块串联使用，以满足耐压要求。如果控制功率不能满足更大功率负载要求时，则可将IPM模块并联使用。当负载需要紧急制动时，可再增加制动单元所需的IPM模块。图中C1: 铝电解电容；C2: 无感电容；R：充电电阻；K : 交流接触器。3）开关电源下图介绍的是IPM模块应用于高频开关电源的原理图。此装置采用全桥式逆变电路，由1块三相桥式整流模块和4块IPM模块以及

29、高频变压器、整流二极管等器件组成。本电路可以作为各种功率的高频开关电源，具有功耗低、频率高等优点。由于控制板设计有电压、电流反馈，可达到非常理想的稳压稳流效果。注意事项：为防止高频干扰，IPM模块须与高频变压器隔离屏蔽，且控制信号线要采用屏蔽线。图中：QS开关；JC交流接触器；RD熔断器；C1、C3铝电解电容；C2无感电容；VD1VD2整流二极管；L平波电抗器；RL负载电阻；T1、T2T3T4IPM模块；B高频变压器，其中W1为初级绕组，W2为次级绕组；A1A2直流电流表；V1V2直流电压表。33 PWM发生器SG3525介绍1、SG3525功能简介随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开

30、关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。SG3525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。1)其管脚图和原理图 2)管脚Inv.input(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（引脚9）相连，可构成跟随器。Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。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