【毕业设计】基于单片机控制的三相逆变电源设计.doc

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目录

第一章绪论

1.1课题的背景 3

1.2电源技术的发展概况 4

第二章基本原理 6

2.1IGBT管的基本原理与特性 6

2.1.1IGBT的工作原理 6

2.1.2IGBT的特性与参数特点 8

2.1.3IGBT的保护 9

2.2逆变技术及其原理 11

2.2.1现代逆变技术的分类 12

2.2.2逆变电路的基本工作原理 11

2.2.3电力器件的换流方式 12

2.2.4三相电压型逆变电路 14

2.3SPWM控制技术及其原理 17

2.3.1SPWM控制的基本原理 17

2.3.2单极性和双极性SPWM控制方式 18

第三章系统硬件设计 19

3.1系统总体介绍 18

3.2系统主电路设计 20

3.2.1输入EMI滤波器的设计 20

3.2.2输入整流滤波电路的设计 22

3.2.3逆变器和输出滤波电路的设计 24

3.2.4RCD缓冲电路的设计 27

3.3采样电路及A/D转换电路 31

3.4SPWM波产生芯片SA4828及其应用 32

3.4.1SA4828工作原理 32

3.4.2SA4828与单片机的连接 35

3.4.3SA4828的编程 37

3.5IGBT驱动电路EXB841 41

3.5.1IGBT驱动电路的要求 41

3.5.2.集成化IGBT专用驱动器EXB841 44

3.5.3使用EXB841应该注意的一些事项 47

3.6系统保护电路设计 47

3.7辅助电源电路的设计 48

第四章系统软件的设计 50

4.1系统控制程序技术 50

4.2软件抗干扰技术 52

结论 54

致谢 55

参考文献 56

第一章绪论

1.1课题的背景

随着各国工业与科学技术的飞速发展，在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术将成为三种最重要的技术。

所谓电力电子技术，就是利用半导体功率开关器件、电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。

这项技术自20世纪50年代以来，经历了半个世纪的发展，现在已经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技术。

特别是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，它被各国专家学者称为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21世纪，电力电子技术对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染等方面的发展，将会产生更大的推动作用。

正弦波逆变器技术是电力电子技术中的一个最重要的组成部分，它的作用是把从电力网上得到的定压定频交流电能，或从蓄电池、太阳能电池等得到的电能质量较差的原始电能，变换成电能质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。

这种交流电能不仅可用于交流电机的传动，而且还可作为不间断电源、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等逆变器中的电能。

近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。

为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。

这种能量的变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。

随着正弦波脉宽调制（SPWM）逆变技术的日益成熟，逆变电源被广泛应用到微波通讯、野外活动、高速公路、海岛、军事、医疗、航空航天、风力发电等各个领域。

在一些重要的用电部门（如机场、医院、银行）和一些重要的用电设备中（如计算机、通信设备）对逆变电源质量的要求也越来越高:

不仅要求不停电，还要要求输出电压波形准确完好，如不间断电源UPS（UninterruptiblePowerSupply）广泛应用于计算机、程控交换机、数据处理系统、医疗诊断仪及精密电子仪器等不能中断供电的场合，而衡量逆变电源质量的首要指标就是输出波形质量的情况。

对于逆变电源，其负载可能具有不同的性质，当某一负载投入运行时，特别是非线性负载，很可能引起逆变器的输出电压波形周期性畸变，谐波增加;同时，由于变压器本身存在非线性的问题，使得实际加载在负载上的波形也会发生畸变，因此，上述情况会让负载端的电压波形发生更为严重的畸变，而这样的波形对各种电气设备都有不同程度的影响和危害，从而影响整个电路正常、安全可靠地工作，对供电系统的影响也会日益严重，这样，也就逐渐显示出了对逆变电源输出波形控制的重要性。

因此，为了使逆变电源具有高质量的输出波形，研究设计逆变电源的各种先进的波形控制技术已成为近年来国内外学者研究的热点。

1.2电源技术的发展概况

电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。

上个世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用，被各国的专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次的电子革命，它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。

电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。

电源技术的发展，大体经历了几个阶段：

由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式（开关式）。

采用逆变技术，可使所设计的电源具有许多方面的优越性：

1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。

2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。

3.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了。

4．采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面：

1）在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。

而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。

2）采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心横面积和线圈匝数。

变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。

因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。

3）传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。

在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。

5.动态响应快、控制性能好、电气性能好。

由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：

对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、，输出稳定、纹波小。

6.电源故障保护能力快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。

另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。

电源技术发展到今天，它融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。

第二章基本原理

2.1IGBT管的基本原理与特性

绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）简称IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。

IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展很快而且很有前途的一种混合型器件。

IGBT综合了MOS和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格的功率MOS的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。

在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域，IGBT有取代GTR和VDMOS的趋势。

2.1.1IGBT的工作原理

1.IGBT的结构

就IGBT的结构而言，是在N沟道MOSFET的漏极N层上又附加上一层P层的的四层结构。

图2-1（a）为N沟道VDMOSFET与GTR组合的N沟道IGBT（N-IGBT）。

IGBT比VDMOSFET多一层注入区，形成了一个大面积的结，使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具有很强的通流能力。

简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，是一个由MOSFET驱动的厚基区晶体管，为晶体管基区内的调制电阻。

2.IGBT的工作原理

N沟道IGBT通过在栅极－发射极间加阈值电压以上的（正）电压，在栅极电极正下方的层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的层注入电子。

该电子为晶体管的少数载流子，从集电极衬底层开始注入空穴，

进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极－发射极间饱和电压。

工作时的等效电路如图2-1（b）所示，在发射极电极侧形成寄生晶体管。

若寄生晶体管工作，又变成晶闸管。

电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。

通过输出信号已不能进行控制。

这种状态称为闭锁状态。

为了抑制寄生晶体管的工作，IGBT采用尽量缩小晶体管的电流放大系数作为解决闭锁的措施。

具体来说，的电流放大系数设计在0.5以下IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。

IGBT的驱动原理与功率MOSFE基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压决定。

导通：

大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

导通压降：

电导调制效应使电阻减小，使通态压降减小。

关断：

栅、射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

2.1.2IGBT的特性与参数特点

1.IGBT的伏安特性和转移特性

IGBT的伏安特性如图2-2（a）所示，它反映在一定的栅极－发射极电压与的关系。

越高，越大。

值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，从曲线中可知，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场所的使用。

图2-2（b）是IGBT的转移特性曲线。

当（开启电压，一般为3－6伏）

时，IGBT开通，其输出电流与驱动电压基本呈线性关系。

当时，IGBT关断。

2.IGBT的参数特点

（1）IGBT的开关特性好，开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10。

IGBT的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。

开通时间定义为从驱动电压的脉冲前沿上升到最大值的10%所对应的时间起至集电极电流上升到最大值的90％止所对需要的时间.又可分为开通延迟时间和电流上升时间两部分。

定义为从10％到10％所需的时间，定义为从10％上升至90％所需要的时间，如图2-3所示。

图2-3IGBT的开关特性

IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。

关断时间定义为从驱动电压的脉冲后沿下降到90％处起至集