課程設(shè)計(jì)---三相pwm的逆變器系統(tǒng)

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 選題目的和意義</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電能的需求越來越多，對(duì)電能的質(zhì)量要求也越來越高。在很多情況下，用戶所需的電能必須將直流電變換成交流電才能使用，或者將不適用于直接供給用戶的交流電經(jīng)過整流逆變轉(zhuǎn)換為可以直接供給用戶的交流電，這就要求應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒅绷麟娮儞Q成

2、交流電，逆變技術(shù)則成為了能源開發(fā)與利用、提高供電質(zhì)量等領(lǐng)域的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。電能的生產(chǎn)、交換、使用在很大程度上可以影響到環(huán)境，可以造成溫室效應(yīng)及酸雨等影響，對(duì)環(huán)境危害極大，生產(chǎn)發(fā)展的要求增加電力的生產(chǎn)，那么節(jié)約電力，減少電力的浪費(fèi)，將是我們應(yīng)該重視的問題。用現(xiàn)代的電能變換技術(shù)實(shí)行電能的運(yùn)輸使用控制，則具有很好的節(jié)電潛力，從而可以在一定程度減輕對(duì)環(huán)境的危害。</p><p>　　同時(shí)，逆變技術(shù)在電力、交通、郵電通信

3、、航空航天、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路及逆變器系統(tǒng)做進(jìn)一步的研究有著重要的意義。</p><p>　　1.2 PWM逆變器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　由于電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)越來越成熟，世界各國(guó)都大力開發(fā)研究各種性能不同的逆變器系統(tǒng)，例如：按功率流動(dòng)的方向可分為單向逆變和雙向逆變，按輸入直流電源的性質(zhì)可分為電壓源逆變和電流源逆變，按組

4、成功率電路的器件可分為SCR逆變、GTR逆變、GTO逆變、IGBT逆變、IGCT逆變等等。</p><p>　　大功率開關(guān)器件和集成控制電路成為了電能變換發(fā)展的主要方向。現(xiàn)在應(yīng)用的最多的IGBT驅(qū)動(dòng)電路就是日本富士公司生產(chǎn)的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850、EXB851)、三菱公司生產(chǎn)的M579系列(如M57962L、M57959L)和歐派克生產(chǎn)的BSM系列，德國(guó)西門子與日本東芝生產(chǎn)的IGB

5、T的性能也不錯(cuò)。同時(shí)，提高逆變器的變換效率和工作可靠性也是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)內(nèi)容。高性能PWM逆變器的研究越來越受到關(guān)注，而IGBT(絕緣柵雙極晶體管)以其優(yōu)越的性能，在逆變器中取代了其他大功率的開關(guān)器件，正確使用IGBT的關(guān)鍵問題是要有比較好的驅(qū)動(dòng)電路，在驅(qū)動(dòng)波形正、反偏、保護(hù)等方面驅(qū)動(dòng)電路都要滿足IGBT的驅(qū)動(dòng)要求，因此，分析與設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路是設(shè)計(jì)逆變器系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。</p><p>　　數(shù)字控制以其諸多的

6、優(yōu)點(diǎn)正逐步取代模擬控制。數(shù)字控制PWM逆變系統(tǒng)獲得了設(shè)計(jì)的更多自由，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜、智能的數(shù)字算法來提高性能，與此同時(shí)，傳統(tǒng)控制方案在數(shù)字控制中仍發(fā)揮著重大作用，先進(jìn)的數(shù)字控制算法與傳統(tǒng)控制相結(jié)合是目前的實(shí)用的主流。而高頻、高性能、高功能因素和低污染的PWM逆變器成為了目前研究的主要方向。</p><p>　　近年來我國(guó)PWM逆變技術(shù)經(jīng)過不斷的努力也取得了極大的進(jìn)展，盡管目前國(guó)外的PWM逆變器在我國(guó)依然占有

7、很大的市場(chǎng)，但我國(guó)的PWM逆變技術(shù)也開始登上了競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)，相信在未來的時(shí)間里我國(guó)的PWM逆變技術(shù)將會(huì)獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。

8、

9、 </p><p>　　1.3 PWM逆變器的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)民生產(chǎn)對(duì)電能應(yīng)用的要求，現(xiàn)代PWM逆變器的技術(shù)正逐漸的走向成熟，電力電子器件作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。日本及歐美各國(guó)不斷研制出高頻率和低損耗的IGBT，使得PWM逆變器的性能更加優(yōu)越

10、，特別是最近幾年出現(xiàn)的Delta逆變技術(shù)作為一種新興的滿足市電電壓凈化穩(wěn)壓、負(fù)載電流的無功補(bǔ)償和有源濾波方面有著獨(dú)特的效果。所謂Delta逆變技術(shù)，就是用電壓或電流中的增量進(jìn)行調(diào)制的逆變技術(shù)，也就是用電壓或電流這兩個(gè)物理量中的增量作為調(diào)制波指令信號(hào)，對(duì)線形PWM逆變器進(jìn)行控制，并使逆變器能夠按比例地復(fù)現(xiàn)增量的數(shù)值和波形的逆變技術(shù)[1]。是PWM逆變技術(shù)的一個(gè)有活力的發(fā)展方向。同時(shí)，軟開關(guān)技術(shù)在PWM逆變器中的應(yīng)用也日益廣泛，零電壓開關(guān)P

11、WM電路及零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路在PWM逆變器中的應(yīng)用也是一個(gè)主要的發(fā)展方向?？傊?，高頻化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化、節(jié)能化是其主要的發(fā)展方向。</p><p>　　1.4 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和研究方法</p><p>　　1.4.1 主要任務(wù)</p><p>　　通過對(duì)比研究，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用IGBT驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三相PWM的逆變器系統(tǒng)：</p><p>

12、　　(1)設(shè)計(jì)整體的逆變器主電路系統(tǒng)，完成逆變器主電路的設(shè)計(jì)模型。</p><p>　　(2)設(shè)計(jì)PWM逆變器控制電路，并對(duì)電路的組成原理及構(gòu)成部分進(jìn)行分析。</p><p>　　(3)IGBT開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)使用集成化的驅(qū)動(dòng)模塊EXB841，并分析電路的各部分功能。</p><p>　　(4)對(duì)各個(gè)部分電路的運(yùn)行及工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。</p><

13、p>　　1.4.2 研究方法</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)完整的逆變器系統(tǒng)，分析組成這個(gè)逆變器系統(tǒng)各個(gè)部分或環(huán)節(jié)的原理、性能及作用，通過對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式及工作特點(diǎn)，重點(diǎn)分析設(shè)計(jì):</p><p>　　(1)三相逆變主電路。</p><p>　　(2)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　(3)SPWM的控制

14、電路。</p><p>　　下圖1-1即為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。</p><p>　　圖1-1 逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總框圖</p><p>　　第2章 三相逆變器的主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 逆變電路的類型及電壓型逆變電路的特點(diǎn)</p><p>　　我們把將直流電變成交流電的過程叫做逆變，完成逆變功能的

15、電路稱為逆變電路，而實(shí)現(xiàn)逆變過程的裝置叫做逆變器。若按直流電源的性質(zhì)來分類，逆變器可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。在電壓型逆變器中，直流電源是蓄電池或由交流整流后經(jīng)大電容濾波形成的電壓源。電壓源的交流內(nèi)阻抗近似為零，橋臂輸出電壓為幅值等于輸入電壓的方波電壓。為使電感性負(fù)載的無功能量能回饋到電源，必須在功率開關(guān)兩端反并聯(lián)二極管。</p><p>　　在電流型逆變器中，直流電源是交流整流后經(jīng)大電感濾波形成的電流源。

16、電流源的交流內(nèi)阻抗近似為無窮大，橋臂輸出電流幅值等于輸入電流的方波電流。為承受負(fù)載感應(yīng)電勢(shì)加在功率開關(guān)上的反向電壓降，必須在功率開關(guān)上串聯(lián)二極管。</p><p>　　若按輸出端相數(shù)分類，逆變器可分為單相逆變器和三相逆變器。其中單相逆變器按結(jié)構(gòu)又可分為半橋逆變器和全橋逆變器。單相半橋逆變電路是所有復(fù)雜逆變電路的基本組成單元。三相逆變器又可以分為三相三線制輸出逆變器和三相四線制逆變器， </p>&l

17、t;p>　　本次設(shè)計(jì)為電壓型的三相三線制SPWM逆變器系統(tǒng)。電壓型逆變電路的主要特點(diǎn)是：</p><p>　　(1)直流側(cè)接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。</p><p>　　(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形因負(fù)載阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。 </p>&l

18、t;p>　　(3)當(dāng)交流側(cè)為電感性負(fù)載時(shí)需提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋能量提供通道，各臂都并聯(lián)了續(xù)流二極管[2]。</p><p>　　2.2 三相逆變器的要求和特點(diǎn)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的要求主要是：通過IGBT電力電子器件來實(shí)現(xiàn)PWM控制的逆變器，從而將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，本設(shè)計(jì)最重要的部分就是對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的合理選取，PWM

19、控制電路的設(shè)計(jì)，逆變橋式電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)是：通過使用集成化的驅(qū)動(dòng)模塊EXB841來驅(qū)動(dòng)IGBT控制逆變過程，采用輸出濾波器使得輸出波形達(dá)到用戶需求，對(duì)逆變系統(tǒng)還設(shè)有過電壓、過流等各種保護(hù)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦合隔離、以保證系統(tǒng)工作的可靠性。</p><p>　　2.3 三相逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案</p><p>　　圖2-1 逆變系

20、統(tǒng)的設(shè)計(jì)總框圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的逆變系統(tǒng)的總框架如圖2-1所示。PWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)IGBT的開關(guān)，經(jīng)過主電路實(shí)現(xiàn)電流的變換，同時(shí)通過硬件保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT器件的保護(hù)，使得系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行工作。檢測(cè)反饋則可以適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)按照要求正常運(yùn)行。</p><p>　　2.4 三相逆變器的逆變部分設(shè)計(jì)</p><p&

21、gt;　　2.4.1 單相橋式電壓型逆變電路的基本原理</p><p>　　本設(shè)計(jì)的三相橋式逆變主電路就是由三個(gè)半橋逆變電路組成，因此先分析半橋逆變電路的原理。半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)IGBT器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)結(jié)在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。逆變電路原理圖如圖2-2所示。</p>&l

22、t;p>　　圖2-2 單相半橋電壓型逆變電路原理圖</p><p>　　設(shè)開關(guān)器件T?和T?的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，輸出電壓為矩形波，其幅值為。輸出電流i?波形隨負(fù)載情況而異。設(shè)t?時(shí)刻以前T?為通態(tài)，T?為斷態(tài)。t?時(shí)刻給T?關(guān)斷信號(hào)，給T?開通信號(hào)，則T?關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流i?不能立即改變方向，于是VD?導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t?時(shí)刻i?降為零時(shí)，VD?截

23、止，T?開通，i?反向。同樣，在t?時(shí)刻給T?關(guān)斷信號(hào)，給T?開通信號(hào)后，T?關(guān)斷，VD?先導(dǎo)通續(xù)流，t?時(shí)刻T?才開通。各段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通器件的名稱標(biāo)于圖的下部，波形如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 單相半橋電壓型逆變電路工作波形</p><p>　　T?和T?為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，而當(dāng)VD?或VD?為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中貯藏

24、的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能量的作用。因?yàn)槎O管VD?、VD?是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管，又稱為續(xù)流二極管[2]。</p><p>　　2.4.2 三相逆變橋電路部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　三相逆變器系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)如圖2-4所示。</p><

25、p>　　圖2-4 三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相(即同一半橋)上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行

26、的，因此也被稱為縱向換流。</p><p>　　下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。N´為虛擬的一點(diǎn)，即在輸入端兩個(gè)電容中間的虛擬點(diǎn)，輸入電壓為。對(duì)于U相輸入來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120°。、、以及的波形如圖2-5的(a)、(b)、(c)、(d)所示。U相橋臂1和橋臂4之間的

27、換流過程和半橋電路相似。上橋臂1中的T?從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中的電流不能突變，下橋臂4中的VD?先導(dǎo)通續(xù)流，等負(fù)載電流降到零，橋臂4中的電流反向時(shí)，T?才開始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角越大，VD?導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)。V、W相得情況與U相一樣。</p><p>　　圖2-5 三相橋式逆變電路的工作波形</p><p>　　在上述180°導(dǎo)通方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器

28、件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件出開通信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視IGBT的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就越短。這一“先斷后通”的方法對(duì)于工作在上下橋臂通斷互補(bǔ)方式的其他電路也是適用的。</p><p>　　2.5 IGBT開關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路</p>

29、;<p>　　本設(shè)計(jì)采用的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是一種新型復(fù)合型功率開關(guān)器件，是將MOSFET和GTR兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而成，通常稱為Bi-MOS器件。</p><p>　　2.5.1 IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　圖2-6所示的是IGBT的基本結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號(hào)。如圖2-6(a)所示，IGBT也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。

30、IGBT的基本結(jié)構(gòu)是在N溝道VDMOSFET的漏極(N?基板)上加一層P?基板(IGBT的集電極)，因而形成一個(gè)大面積的P?N結(jié)J?。這樣使得IGBT導(dǎo)通時(shí)由P?注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的流通能力。其簡(jiǎn)化等效電路如圖2-6(b)所示，IGBT可以看成是N溝道VDMOSFET做輸入級(jí)PNP晶體管作為輸出級(jí)的單向達(dá)林頓晶體管。圖2-6(b)中Rn為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。</p>

31、<p>　　IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET相似，是一種電壓場(chǎng)控電力電子器件，其開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓(UGE于開啟電壓UGE（t h）)來形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT開通。反之，如給柵極施加反向門極電壓或不加信號(hào)時(shí)，溝道消失，流過反向基極電流，使得IGBT關(guān)斷。而由PNP晶體管與N溝道VDMOSFET組合成的IGBT稱為N溝道IGBT。電氣符號(hào)如圖2-6(c)所示[3]。</p>

32、<p>　　(a) (b) (c)</p><p>　　圖2-6 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)</p><p>　?。╝）內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 （b）簡(jiǎn)化等效電路 （c）電氣圖形符號(hào)</p><p>　　2.5.1.1 IGBT的主要特點(diǎn)

33、</p><p>　　IGBT結(jié)合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好，且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電流小等特點(diǎn)，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高及承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，目前的IGBT容量已經(jīng)超過了GTR。在要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有取代MOSFET和GTR的趨勢(shì)。</p><p>　　2.5.1.2 IGBT的主要特性</p><p>　　IG

34、BT的基本特性主要有靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　(1)靜態(tài)特性：主要有伏安特性、飽和電壓特性、轉(zhuǎn)移特性和靜態(tài)開關(guān)特性。如圖2-7所示。</p><p>　　IGBT的伏安特性是指以柵源之間的電壓VGs為參變量時(shí)，漏極電流與門極電壓之間的關(guān)系曲線，如圖2-7(a)所示。輸出漏極電流受柵源電壓VGs的控制，VGs越高，ID越大。它與GTR的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)(I)、放大

35、區(qū)(II)和擊穿特性(III)。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J?結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J?結(jié)承擔(dān)。如果無N?緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N?緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　(c)

36、 (d)</p><p>　　圖2-7 IGBT的靜態(tài)特性</p><p>　　(a)伏安特性 (b)飽和電壓特性 (c)轉(zhuǎn)移特性 (d)開關(guān)特性</p><p>　　IGBT的飽和電壓特性如圖2-7(b)所示，由圖可知，IGBT的電流密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流的范圍內(nèi)為負(fù)，在大電流范圍內(nèi)為正，其值大約為1.4倍/l00ºC。</

37、p><p>　　IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流ID與柵源電壓VGs之間的關(guān)系曲線，如圖2-7(c)它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓VT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，ID與VGs呈線性關(guān)系;只有當(dāng)柵源電壓接近開啟電壓VT時(shí)，才呈現(xiàn)非線性關(guān)系，此時(shí)漏極電流已相當(dāng)小;當(dāng)柵源電壓VGs小于開啟電壓VT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。加在柵源間的最高電壓由流過漏極的最大電

38、流所限定。一般電壓的最佳值可取15V左右。</p><p>　　IGBT的靜態(tài)開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系，如圖2-7(d)。當(dāng)柵源電壓大于開啟電壓，IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由圖2-6(b)可以看出，IGBT由GTR晶體管和MOSFET組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，其中GTR為主晶體管，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件。電阻Rdr介于GTR晶體管基極和MOSFET漏極之間，它代表N¯漂移區(qū)電阻，一般稱為擴(kuò)展電阻。與

39、普通達(dá)林頓結(jié)構(gòu)不同，在等效電路中流過MOSFET的電流是IGBT總電流的主要部分。在這種情況下，通態(tài)電壓VDS(on)可用式(2-1)表示： </p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式(2-1)中VJ?是J?結(jié)的正向電壓，其值為0.7-1V;Vdr是擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降

40、:Ron是溝道歐姆電阻。與功率MOSFET相比IGBT通態(tài)壓降要小得多，耐壓1000V的IGBT約有2~5V的通態(tài)壓降，這是因?yàn)镮GBT通態(tài)下漏區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是指當(dāng)集電結(jié)反向電壓增大時(shí)，集電結(jié)的空間電荷區(qū)加寬，這就引起基區(qū)有效寬度變窄。因而載流子在基區(qū)復(fù)合的機(jī)會(huì)減小，所以基極電流隨集電極反偏電壓增大而減小，也就是基區(qū)有效電導(dǎo)減小。</p><p>　　當(dāng)VGs<VT時(shí)，IGBT處于阻斷狀態(tài)，

41、只有很小的泄漏電流存在，外加電壓由J?結(jié)承擔(dān)，這種阻斷狀態(tài)與功率MOSFET基本一致。 </p><p><b>　　(2)動(dòng)態(tài)特性。</b></p><p>　　

42、IGBT的動(dòng)態(tài)特性包括開通過程和關(guān)斷過程兩個(gè)方面。</p><p>　　如圖2-8所示，從驅(qū)動(dòng)電壓VGE 的前沿上升至其幅值的10%的時(shí)刻，到集電極電流IC上升至其幅值的10%的時(shí)刻止，這段時(shí)間為開通延遲td(on)。而IC 從10%ICM 上升至90%ICM所需的時(shí)間為電流上升時(shí)間tr。同樣，開通時(shí)間ton為開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。同時(shí)，開通時(shí)，集射電壓VCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩端。前者為

43、IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降；后者為MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。只有在tfv2段結(jié)束時(shí)，IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)。IGBT開通過程中大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的。實(shí)際應(yīng)用中給出的漏極電流開通時(shí)間為式(2-2)：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　IGBT關(guān)斷時(shí)，從驅(qū)動(dòng)電壓VGE 的脈沖后沿下

44、降到其幅值的90%的時(shí)刻起，到集電極電流下降至90%ICM止，這段時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間td(on);集電極電流從90%ICM 下降至10%ICM 這段時(shí)間為電流下降時(shí)間，二者之和為關(guān)斷時(shí)間。電流下降時(shí)間可分為tfi1 和tfi2 兩段。其中tfi1對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部的MOSFET 的關(guān)斷過程，此時(shí)間段內(nèi)IC下降較快；tfi2對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，此時(shí)間段IC下降較慢。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間為式(2-3)：

45、</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　圖2-8 IGBT的開關(guān)過程波形圖</p><p>　　2.5.1.3 IGBT的主要性能參數(shù)</p><p>　　IGBT的主要參數(shù)包括：</p><p>　　(1)最大集射極間電壓UCES：這是由器件內(nèi)部的PNP晶體管所

46、能承受的擊穿電壓所確定的。</p><p>　　(2)最大集電極電流：包括額定直流電流ICE和1ms 脈寬最大電流ICP。</p><p>　　(3)最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率[4]\。</p><p>　　2.5.1.4 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)</p><p>　　在 IGBT 的內(nèi)部寄生著一個(gè)晶閘管

47、，在晶閘管內(nèi)的NPN晶體管的基極和發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，當(dāng)超過額定集電極電流時(shí)，由于電阻的壓降過大會(huì)導(dǎo)致柵極失去對(duì)集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流過大，造成器件功耗過高而損壞，這種現(xiàn)象被成為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)擎住效應(yīng)的原因可能是集電極電流過大(靜態(tài)擎住效應(yīng))，也可能是過大(動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng))，溫度升高也會(huì)加重產(chǎn)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此，所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎

48、住效應(yīng)而確定的。</p><p>　　根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍，即正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)，導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)熱嚴(yán)重則安全工作區(qū)變窄；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。它隨IGBT 關(guān)斷時(shí)的而改變，過高的會(huì)使IGBT 產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)

49、，因此越大,RBSOA越小。在應(yīng)用IGBT時(shí),盡量使其工作在安全工作區(qū)以內(nèi)[5]。</p><p>　　2.5.2 IGBT開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)</p><p>　　三相逆變器中，一個(gè)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器在功率變換系統(tǒng)中是不可或缺的，他是功率晶體管和控制器之間非常重要的接口電路，因此，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路就和逆變器整體方案的可靠性密切相關(guān)，與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路還要具備最廣泛的系統(tǒng)適應(yīng)性和用戶接口的友好

50、性。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器主要完成以下三個(gè)方面的功能，首先是要有驅(qū)動(dòng)功能，為IGBT開關(guān)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，保證IGBT能在它的控制下可靠地開通和關(guān)斷；另外，驅(qū)動(dòng)器還要具有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，當(dāng)IGBT發(fā)生短路和過流時(shí)，驅(qū)動(dòng)器能在最短時(shí)間關(guān)斷IGBT，保護(hù)功率器件，除此之外，由于IGBT通常是工作在高電壓和大電流的工作環(huán)境，驅(qū)動(dòng)器件為控制電路與功率電路之間的連接橋梁，必須要有電氣隔離的功能，保證控制電路

51、不會(huì)受主電路的干擾和影響。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器還要考慮靈活性、性能與價(jià)格之間的關(guān)系。</p><p>　　2.5.2.1 IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求</p><p>　　功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動(dòng)電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動(dòng)集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路來產(chǎn)生。選擇驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下參數(shù)來進(jìn)行：器件

52、關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。圖2-9為一種典型的IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖[6]。</p><p>　　圖2-9 典型的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　因?yàn)镮GBT柵極擬發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓要高。</p>

53、<p>　　本設(shè)計(jì)對(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有：</p><p>　　(1)柵極驅(qū)動(dòng)電壓IGBT開通時(shí)，正向柵極電壓的值足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使得通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該在12~20V之間。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極發(fā)射極電壓上出現(xiàn)噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)反

54、向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在-5~15V之間。</p><p>　　(2)串聯(lián)柵極電阻(Rg)選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電實(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。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng)了器件工作的耐固性(可避免帶來的誤導(dǎo)通)，但與此同時(shí)

55、，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。</p><p>　　(3)柵極驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)、正偏置電壓的差值、柵極總電荷QG和工作頻率fs的影響。電源的最大峰值電流IGPK為式(2-4)：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>

56、;　　電源平均功率為式(2-5)： </p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　2.5.2.2 IGBT開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)</p><p>　　通過對(duì)IGBT開關(guān)管驅(qū)動(dòng)的集成電路的比較，把逆變單元IGBT的驅(qū)動(dòng)和主電路電流的檢測(cè)分別由不同的電路來完成，既可以提高逆變器的性能，又可以提高IGBT的工作效率，

57、使得IGBT更好地在安全工作區(qū)工作。因此，本設(shè)計(jì)采用了富士公司生產(chǎn)的EXB8系列的EXB841驅(qū)動(dòng)集成芯片。EXB841集成芯片是專用于IGBT的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能域一體的復(fù)合集成電路，EXB841屬于高速型，可以驅(qū)動(dòng)400A、600V的功率IGBT模塊，驅(qū)動(dòng)電路中的信號(hào)延遲≤1.5µs，具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1)可用于達(dá)到40kHz開關(guān)頻率工作的IGBT。</p><

58、;p>　　(2)內(nèi)置的光耦可隔離高達(dá)2500V/min的電壓。</p><p>　　(3)單電源的供電電壓使其應(yīng)用起來更為方便。</p><p>　　(4)內(nèi)置的過流保護(hù)功能使得IGBT能夠更加安全地工作。</p><p>　　(5)具有過流檢測(cè)輸出信號(hào)。</p><p>　　(6)單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式[7]。<

59、;/p><p>　　圖2-10 EXB841 封裝引腳圖</p><p>　　如圖2-10所示，EXB841為單列直插厚膜封裝，有15個(gè)外部引腳(引腳12和13為空)。引腳名稱及功能詳見表2-1。</p><p>　　表2-1 管腳名稱類型及功能說明</p><p>　　圖2-11 EXB841內(nèi)部功能框圖</p><p

60、>　　如圖2-11所示，EXB841的內(nèi)部功能模塊主要分為以下幾部分：</p><p>　　(1)信號(hào)隔離電路：在驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入腳(引腳14和15)之間，有一個(gè)高隔離電壓的光耦合器，可以承受 2500V/min的故障電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路端發(fā)生故障擊穿時(shí)，與之連接的控制電路由于光耦合器的隔離作用而不會(huì)損壞。</p><p>　　(2)過流保護(hù)電路：過流保護(hù)電路分為兩塊：過流檢測(cè)電路和過流軟關(guān)

61、斷電路。過流檢測(cè)電路：IGBT僅能抵抗10µs的短路過流，所以必須有極快的保護(hù)電路。在EXB841內(nèi)部裝有一個(gè)過流檢測(cè)電路，采用集電極電壓檢測(cè)法來監(jiān)控過流的發(fā)生。引腳6通過一個(gè)快速二極管連接到IGBT的集電極，用于過流的檢測(cè)。圖2-12描述EXB841的過流檢測(cè)邏輯。</p><p>　　圖2-12 集電極電流檢測(cè)法邏輯圖</p><p>　　由圖2-12可知，當(dāng)且僅當(dāng)IGBT

62、處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，集電極電壓VCE為高時(shí)，EXB841判斷為出現(xiàn)過流，過流軟關(guān)斷電路同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)。</p><p>　　(3)過流軟關(guān)斷電路：當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流故障時(shí)，如果以正常速度關(guān)斷IGBT，在大電流的情況下(特別是帶有感性負(fù)載時(shí))由于很大，易發(fā)生擎住效應(yīng)而使IGBT損壞。因此，在出現(xiàn)過流時(shí)，應(yīng)該采用軟關(guān)斷的策略，即延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間，減小，避免擎住效應(yīng)的發(fā)生。在過流軟關(guān)斷電路動(dòng)作的同時(shí)，引腳5向外輸出

63、過流保護(hù)信號(hào)，便于外圍電路的協(xié)同工作。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生電路：IGBT是電壓控制型器件，推薦的開通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓為+15V和-5～-10V。引腳14和15接受來自控制電路發(fā)出的IGBT開斷信號(hào)，通過其內(nèi)部電路的轉(zhuǎn)換，輸出控制IGBT開通與關(guān)斷的電壓信號(hào)[8]。</p><p>　　EXB841內(nèi)部電路原理圖如圖2-13所示：</p><p>　　圖2

64、-13 EXB841內(nèi)部電路原理圖</p><p>　　當(dāng)EXB841的14腳和15腳有10mA 的電流流過1μs以后IGBT正常開通，VCE下降至3V左右，6腳電壓被鉗制在8V左右，由于VS?穩(wěn)壓值是13V，所以不會(huì)被擊穿，V?不導(dǎo)通，E點(diǎn)的電位約為20V,二極管VD?截止，不影響V?和V?正常工作。</p><p>　　當(dāng)14腳和15腳無電流流過，則V? 和V?導(dǎo)通，V?的導(dǎo)通使V?

65、截止、V?導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V?迅速放電，引腳3電位下降至0V，是IGBT柵-射間承受5V左右的負(fù)偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時(shí)VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C?的放電使得B點(diǎn)電位為0V，則VS?仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動(dòng)作，IGBT正常關(guān)斷。</p><p>　　如有過流發(fā)生，IGBT的VCE過大使得VD?截止，使得VS?擊穿，V?導(dǎo)通，C?通過R7放電，D點(diǎn)電位下降，從而使IGBT的柵-射間的電壓VG

66、E降低，完成慢關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。由EXB841實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的過程可知，EXB841判定過電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE有關(guān)，還和二極管VD?的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)[9]。</p><p>　　表2-1 EXB841的電氣特性</p><p>　　表2-1列舉了EXB841的電氣特性。使用時(shí)必須嚴(yán)格遵照和考慮這些參數(shù)，才能使EXB841的功能得到完善的應(yīng)用。<

67、;/p><p>　　圖2-14 EXB841構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路圖</p><p>　　圖2-14中EAR-10是反向恢復(fù)時(shí)間為150ns的快速恢復(fù)二極管，正向?qū)▔航禐?V。如果采用其他不滿足這種性能指標(biāo)的二極管，將會(huì)降低驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路過流保護(hù)的速度，造成過流保護(hù)的失敗。圖中RS觸發(fā)器采用CD4043構(gòu)成，與門采用74LS09構(gòu)成，TLP521為快速光耦。保護(hù)電路部分中，TLP5

68、21的信號(hào)延遲時(shí)間為2-3µs，CD4043的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾百個(gè)ns。因此，保護(hù)電路在信號(hào)響應(yīng)上是足夠快的。當(dāng)IGBT發(fā)生過流時(shí)，EXB841的5腳電平由高變低，RS觸發(fā)器S端變?yōu)楦唠娖?，輸出端Q輸出高電平，經(jīng)過三極管，加到與門上的電平為低電平，封鎖EXB841的輸入信號(hào)，達(dá)到及時(shí)撤出柵極信號(hào)、保護(hù)IGBT的目的。圖2-14中在RS觸發(fā)器的R端加了復(fù)位按鈕，發(fā)生故障時(shí)，RS觸發(fā)器將Q端輸出的高電平鎖住，當(dāng)排除故障后，可以

69、按動(dòng)復(fù)位按鈕，解除對(duì)柵極控制信號(hào)的封鎖。</p><p>　　2.6 濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.6.1 濾波電路的要求</p><p>　　逆變器和交流變換器的輸出電壓波形，除了基波分量外還含有諧波分量。方波中含有各次奇次諧波，其中THD（電流的總諧波畸變）為48%；階梯波中含有2kn±1次諧波；脈寬調(diào)制波消除了低次諧波，但含有高次諧波。為

70、了使輸出電壓波形正弦化和THD或單次諧波含量降低到允許值，必須設(shè)置輸出濾波器。如果負(fù)載恒定，濾波器的設(shè)計(jì)容易；如果負(fù)載變化范圍寬且要求諧波含量低，濾波器的設(shè)計(jì)就困難，其體積和重量將很大[10]。對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的基本要求是：</p><p>　　(1)輸入電流和輸出電壓THD或單次諧波含量均應(yīng)降低到允許的范圍。</p><p>　　(2)不至過分增加整體的設(shè)計(jì)容量，即濾波容不會(huì)過多增加功率開關(guān)

71、電流。</p><p>　　(3)濾波電感基波壓降小，負(fù)載變化所引起的輸入、輸出電壓波動(dòng)小。</p><p>　　(4)濾波器體積小、重量小、成本低。</p><p>　　2.6.2 輸出濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的輸出濾波器采用單級(jí)LC低通濾波器,其原理圖如圖2-15所示。</p><p>　　單級(jí)L

72、C交流輸出濾波器由三個(gè)單相濾波器組成，具體分析單相LC濾波器就可以完成三相濾波器的設(shè)計(jì)，圖2-16為單相LC濾波電路，也叫常K型Г型低通濾波器。串臂阻抗Z?與并臂阻抗Z?的乘積，一旦，值確定后，K為常數(shù)、不隨頻率變化。</p><p>　　圖2-15 單級(jí)LC交流輸出濾波器</p><p>　　由于具有阻抗平方量綱，故常數(shù)K也可用濾波器的另一重要參數(shù)R表示：</p><

73、;p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　四端網(wǎng)絡(luò)在輸入端、輸出端均處于阻抗匹配時(shí)工作最好，圖2-16所示的四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端、輸出端特性阻抗分別表示為為式(2-8)、式(2-9)：</p><p><b>　　(2-8)</b>&l

74、t;/p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　當(dāng)ω=0時(shí)，，故R是頻率為零時(shí)的特性阻抗，稱之為標(biāo)稱特性阻抗。傳通條件為，即，故可得式(2-10)：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，ω必定為零，此為通頻帶的最低角頻率：當(dāng)時(shí)，則，此為通頻帶

75、的最高角頻率，即為濾波器截止頻率。因，可得濾波器的截止頻率如式(2-11)：</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　因此，當(dāng)時(shí)，濾波器的衰耗為零；當(dāng)時(shí)，濾波器開始有衰耗，衰耗常數(shù)為式(2-12)：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　

76、和值的確定：由式2-6、2-11可得</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　與的值，取決于與R的選擇。</p><p>　　實(shí)際中的選取要低到三次或二次諧波頻率才能得到滿意的正弦波形狀。當(dāng)輸出電壓基波頻率為50Hz時(shí)，

77、通常選在100~400Hz左右。R的選取則為R=(0.5~0.8)RL(負(fù)載電阻)。當(dāng)逆變器的輸出功率和輸出電壓已知時(shí)，RL就是已知量，則濾波器的標(biāo)稱特性阻抗R即可選定，將其帶入式2-13、2-14即可確定與的值。從而可以確定三相輸出濾波器的構(gòu)成[11]。</p><p>　　圖2-16 單相LC低通濾波器</p><p>　　第3章 PWM控制電路的設(shè)計(jì)</p><

78、;p>　　3.1 脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)</p><p>　　3.1.1 PWM基本脈寬調(diào)制原理</p><p>　　PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。</p><p>　?。╝） (b)

79、 (c) (d)</p><p>　　圖3-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>　　在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如

80、圖3-1(a),(b),(c)所示的3個(gè)窄脈沖形狀不同,其中圖3-1(a)為矩形脈沖，圖3-1(b)為三角形脈沖，圖3-1(c)為正弦半波脈沖，但他們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D3-1(d)的單位脈沖函數(shù)δ(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)[12]。</p><p>　　面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，其基本原理就

81、是輸入的控制脈沖形狀不同，但面積相等，這些形狀不同的輸入脈沖加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同，如果輸入脈沖變?yōu)閱挝幻}沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。</p><p>　　所謂的SPWM波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形如圖3-2 所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如圖把一個(gè)正弦波分作幾等分(如圖3-2上圖中，n=12)然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都

82、用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合(如圖3-2下圖所示)，這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM 波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效[2]。</p><p>　　圖3-2 與正弦波等效的等幅不等寬矩形脈沖序列波</p><p>　　圖3-3為SPWM濾波線為等效正弦波,

83、SPWM脈沖序列波的幅值為,各脈沖不等寬，但中心間距相同為，n為正弦波半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，令第個(gè)矩形脈沖寬度為,其中心點(diǎn)相位角為，則根據(jù)面積相等的等效原則，可分成：</p><p><b>　　當(dāng)n值較大時(shí)：</b></p><p>　　這就是說，第個(gè)脈沖的寬度與該處正弦波值近似成正比，因此半個(gè)周期正弦波的SPWM 波是兩側(cè)窄，中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖

84、波形。</p><p>　　圖3-3 單極式SPWM電壓波形</p><p>　　3.1.2 雙極性SPWM</p><p>　　PWM波分為調(diào)制法和計(jì)算法，本設(shè)計(jì)采用雙極的控制方法，圖2-4是本設(shè)計(jì)采用的三相橋式PWM型逆變電路，采用雙極性控制方法。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波，三相的調(diào)制信號(hào)、和依次相差120°。U、V和W各相功

85、率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當(dāng)時(shí)，給上橋臂V?以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V?以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)N´的輸出電壓。當(dāng)時(shí)，給V?以導(dǎo)通信號(hào)，給V?以關(guān)斷信號(hào)，則。V?和V?的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V?(V?)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V?(V?)，也可能是二極管VD?(VD?)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中的電流的方向來決定，V相和W相的控制方式和U相相同。圖3-4為三相電壓中U相的調(diào)制波形。</p

86、><p>　　在電壓型逆變電路的PWM控制中，同一相上下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩個(gè)臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)的時(shí)間長(zhǎng)短主要由功率開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間來決定。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的PWM波帶來一定影響，使其稍稍偏離正弦波[13]。</p><p>　　圖3-4 三相雙極式SPWM波形</p>&

87、lt;p>　　3.2 三相SPWM控制器SM2001芯片</p><p>　　SM2001是可產(chǎn)生三相驅(qū)動(dòng)波形的大規(guī)模集成電路。它的工作頻率寬，合成正弦諧波小，調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確，保護(hù)電路完善，無需外部元件，且有普通正弦波和高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)波兩種波形的選擇，可以廣泛應(yīng)用與三相SPWM波形驅(qū)動(dòng)的功率控制電路中。</p><p>　　3.2.1 芯片的主要性能及特點(diǎn)</p>&

88、lt;p>　　SM2001是全數(shù)字化設(shè)計(jì)、全數(shù)字化電路。它通過傳輸速率可達(dá)1MHz的高速三線同步串行接口，實(shí)現(xiàn)單片微機(jī)的參數(shù)化控制，需要占用的微機(jī)資源很小。SM2001采用雙邊沿規(guī)則采樣產(chǎn)生PWM調(diào)制波，頻率范圍為200Hz(當(dāng)時(shí)鐘為20MHz時(shí))，分辨率8位；載波頻率可多級(jí)選擇，最高能達(dá)到38kHz；還可自定義死區(qū)時(shí)間和窄脈沖時(shí)間，范圍是0.05-25.6µs。</p><p>　　SM2001

89、采用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，能夠與單片機(jī)公用一個(gè)晶體諧振器，最高工作頻率可達(dá)24MHz。三相PWM輸出的電平是負(fù)脈沖有效，無效時(shí)保持高電平，脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)可達(dá)20MHz,能直接驅(qū)動(dòng)光耦，并且PWM波形調(diào)整快，在一個(gè)周期內(nèi)即可轉(zhuǎn)換完畢。該芯片具有完善的多級(jí)保護(hù)電路，保護(hù)動(dòng)作靈敏(典型反應(yīng)時(shí)間小于兩個(gè)時(shí)鐘周期)[14]。</p><p>　　3.2.2 芯片引腳功能</p><p>　　圖3-5 SM

90、2001外形與管腳</p><p>　　SM2001采用18腳DIP封裝，其引腳說明如表3-1所列，外形與引腳如圖3-5所示。在圖中，CLK是外部時(shí)鐘輸入腳，它可與單片機(jī)共用一個(gè)晶振，也可獨(dú)立使用晶振(最高頻率24MHz)。高速三線同步串行接口分別是串口片選CS、串口時(shí)鐘腳CK及串口數(shù)據(jù)腳DA，該串口可與標(biāo)準(zhǔn)三線串行接口連接，也可利用通過I/O口模擬。WVS為波形選擇位，用于選擇PWM驅(qū)動(dòng)波形：純正弦與高效準(zhǔn)正弦

91、波，后者多用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合[15]。各個(gè)管腳功能如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 管腳名稱類型及功能說明</p><p>　　3.2.3 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-6 SM2001內(nèi)部邏輯框圖</p><p>　　SM2001的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。它將來自于串口的控制指令進(jìn)行解釋，自動(dòng)產(chǎn)生尋址信號(hào)，

92、根據(jù)用戶的選擇自動(dòng)從兩個(gè)波形發(fā)生器中取出波形數(shù)據(jù)與幅度因子相乘，將結(jié)果送入PWM波形發(fā)生器中，PWM波形發(fā)生器再根據(jù)死區(qū)時(shí)間和窄脈沖的設(shè)置自動(dòng)產(chǎn)生符合要求的三相PWM驅(qū)動(dòng)波。SM2001內(nèi)部還具有完善的啟動(dòng)和保護(hù)電路，在復(fù)位脈沖和串口指令設(shè)置完成后，必須向啟動(dòng)寄存器發(fā)送開啟指令，PWM波形發(fā)生器才開始產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖。此外，OE為輸出允許控制腳，只有當(dāng)OE為高時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖才可輸出至UT、UB、VT、VB、WT、WB引腳上。實(shí)際運(yùn)行中，若外界故

93、障信號(hào)觸發(fā)了INT端，則SM2001將立刻停止驅(qū)動(dòng)脈沖。待故障查明、發(fā)布輸出啟動(dòng)指令后，SM2001才能重新開始工作，從而盡可能保護(hù)功率元件的安全。</p><p>　　3.3 SPWM控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 控制電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-7 SPWM波形控制結(jié)構(gòu)電路圖</p><p>　　3.3.2

94、 控制電路工作過程</p><p>　　在完成芯片的各項(xiàng)參數(shù)的初始化設(shè)置后，通過往地址110中寫入5FH，即可以開啟芯片的SPWM輸出。以后的參數(shù)改變，一旦寫入寄存器即立即表現(xiàn)出來，不必再使用開啟命令。在SM2001的設(shè)置中，有一條開啟指令，在所有的初始化參數(shù)設(shè)置完成后，芯片并不是立即產(chǎn)生輸出波形，只有在開啟命令發(fā)布后，SPWM波形才會(huì)輸出，這是為了防止在系統(tǒng)未完成初始化時(shí)有錯(cuò)誤的波形產(chǎn)生。而一旦開啟SPWM的輸

95、出后，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，SPWM的變化將立即出現(xiàn)，不再需要開啟命令了。</p><p>　　SM2001寄存器是通過一個(gè)三線同步串行接口進(jìn)行設(shè)置的。A0A1A2D0D1D2D3D4D5D6D7，寄存器選擇寄存器數(shù)據(jù)。</p><p>　　當(dāng)片選CS為低時(shí)，芯片進(jìn)入串行通信狀態(tài)，在每個(gè)時(shí)鐘CK的上升沿，數(shù)據(jù)線DA上的數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部緩沖器，當(dāng)11個(gè)數(shù)據(jù)位全部進(jìn)入緩沖器后，在最后一個(gè)CK脈沖的認(rèn)

96、可下，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入相應(yīng)的寄存器，且命令被立即執(zhí)行。地址和數(shù)據(jù)的低位在先傳入，分別為A0、A1、A2、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。由于內(nèi)部的時(shí)序原因，在完成所有的數(shù)據(jù)輸入，CS恢復(fù)高電平后，必須在CK上額外地多加入一個(gè)時(shí)鐘，完成數(shù)據(jù)的認(rèn)可。</p><p>　　RST接低電平時(shí)，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)輸出端輸出高電平。復(fù)位主要是用來恢復(fù)INT異常中斷的狀態(tài)。如果不是首次上電，復(fù)位并不能清除開啟命令

97、。在芯片工作中時(shí)復(fù)位，芯片將以初始化條件輸出PWM波形，所以應(yīng)配合使用OE的功能，首先關(guān)閉SPWM輸出(OE=0)，復(fù)位電路(RST上加入一個(gè)負(fù)脈沖)，在設(shè)置好需要的參數(shù)后，再開啟OE，才能正常的輸出波形。</p><p>　　當(dāng)采用20MHz的時(shí)鐘時(shí)，PWM的頻率為4882Hz，死區(qū)和短脈沖時(shí)間為25.6μs，正弦波頻率為50Hz，合成正弦波峰值幅度為電源的80％(在芯片的OE不為高，U、V、W端口并沒有實(shí)際的

98、SPWM輸出)。當(dāng)芯片首次上電時(shí)，也將自動(dòng)復(fù)位所有的寄存器為內(nèi)部初始值，且芯片的輸出端保持高電平。圖3-8為SM2001發(fā)生脈寬調(diào)制波形的控制流程圖。</p><p>　　圖3-8 SM2001控制流程圖</p><p>　　第4章 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 保護(hù)的特點(diǎn)</p><p>　　盡管IGBT匯集了電力晶體管

99、GTR以及功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，但它由于有寄生晶閘管的影響，當(dāng)流過的電流過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可控的擎住效應(yīng)；在IGBT關(guān)斷時(shí)，因主回路的電流急劇變化，使主回路布線電感所帶的感性負(fù)載中感應(yīng)出高壓，而產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，該電壓超過IGBT的反偏安全工作區(qū)(RBSOA)；或因IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖不正常等因素造成的過電壓、過電流會(huì)造成IGBT的損壞。為此，在設(shè)計(jì)IGBT電力變換裝置時(shí)，應(yīng)采取保護(hù)措施以防損壞器件[16]。</p><

100、;p>　　設(shè)計(jì)IGBT保護(hù)電路，采取保護(hù)措施時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　　(1)確保IGBT在發(fā)生故障時(shí)不損壞，由于器件的重要性，這是電力電子保護(hù)的根本。</p><p>　　(2)確保如果保護(hù)失敗，器件損壞，可能造成設(shè)備內(nèi)部短路或?qū)⒅麟娐返膹?qiáng)電引入驅(qū)動(dòng)控制電路的弱電區(qū)域內(nèi)，此時(shí)應(yīng)采取措施避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。</p><p>　　(3)發(fā)生故障，

101、保護(hù)電路動(dòng)作后，應(yīng)有故障定位措施，以便分析故障原因，確認(rèn)故障點(diǎn)，提高可維修性。</p><p>　　(4)應(yīng)保證人身、設(shè)備本身、負(fù)載設(shè)備安全運(yùn)行的措施[17]。</p><p>　　4.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 過電壓保護(hù)</p><p>　　為了使IGBT關(guān)斷過電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給I

102、GBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。吸收電路是將在元件開關(guān)過程中產(chǎn)生的過壓和過流等多余的能量吸收，并存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件里，等開關(guān)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，再把儲(chǔ)存的能量反饋到電源和負(fù)載中，以提高逆變器的效率。采用無感母線可以減輕吸收電路的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化吸收電路結(jié)構(gòu)，降低吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型。</p><p>　　由于RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，還會(huì)造

103、成過沖電壓。而RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過沖電壓。至于放電阻止型吸收電路，它的過電壓吸收能力不如RCD型沖放電型，所以本設(shè)計(jì)的關(guān)斷緩沖電路吸收電路采用RCD吸收電路。</p><p>　　圖4-1 RCD有損緩沖電路</p><p>　　圖4-1即為本設(shè)計(jì)所采用的RCD有損緩沖電路，圖中，C為緩沖電容器，R為放電點(diǎn)阻器，V?為阻尼二極管。R，C，V?組成RCD

104、有損緩沖電路。其工作原理為：當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷T?時(shí)，V?導(dǎo)通，漏感(圖中未畫出)中的能量通過V?對(duì)C充電。若不計(jì)二極管V?的導(dǎo)通壓降，緩沖電容C上的電壓會(huì)充滿到UCE(UCE為功率開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的集電極-發(fā)射極電壓)。當(dāng)功率開關(guān)管T?導(dǎo)通時(shí)，V?關(guān)斷，緩沖電容C將通過放電電阻R和V?放電，能量主要被R消耗。由此可見，V?關(guān)斷時(shí)，緩沖電容器C儲(chǔ)存了漏感中的能量；V?導(dǎo)通時(shí)，漏感中的能量被R消耗。如果沒有RCD有損緩沖電路，漏感中的能量將

105、由功率開關(guān)管V?來消耗。利用RCD有損緩沖電路大大降低了功率開關(guān)管的功耗。RCD并接在每個(gè)橋臂上管的集電極和下管的發(fā)射極之間，阻尼二極管可以抑制寄生振蕩[18]。</p><p>　　緩沖電容C的容量按下式選擇：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　式中――功率開關(guān)管集電極電流的最大值；</p>&

106、lt;p>　　――功率開關(guān)管關(guān)斷電壓的上升時(shí)間的最大值；</p><p>　　――直流輸入側(cè)的直流電源電壓。</p><p>　　放電電阻R的選擇應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：</p><p>　　(1)在IGBT導(dǎo)通期間，緩沖電容C上的電荷應(yīng)(通過放電電阻R)全部放完，則應(yīng)滿足式(4-2)：</p><p><b>　　(4-2)<

107、/b></p><p>　　式中的――功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的最小值。</p><p>　　(2)在IGBT導(dǎo)通時(shí)，緩沖電容C(通過放電電阻R)的放電電流Idis不能太大，一般取以上兩式來選取放電電阻R的數(shù)值。 </p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　放電電阻的功耗為式(4-4):<