交流調(diào)速課程設(shè)計(jì)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)交流調(diào)速控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目： 交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路設(shè)計(jì)交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化自動(dòng)化132132班班 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 130302042130302042 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 杜鵬杜鵬 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時(shí)間：起止時(shí)間：2016.12.19-2016.12.30 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 1 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化 132 本科

2、生課程設(shè)計(jì)（論文） 2 注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 學(xué) 號(hào)130302042學(xué)生姓名杜鵬專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化132 課程設(shè) 計(jì)（論 文）題 目 交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 課題完成的功能：課題完成的功能： 本課程設(shè)計(jì)以微機(jī)作為控制核心，完成交流電機(jī)三相電壓源型逆變電路及絕緣柵雙極 晶體管 IGBT 的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)任務(wù)及要求： （1）確定交流電機(jī)逆變電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。 （2）完成交流電機(jī)逆變主電路設(shè)計(jì)，包括直流側(cè)電壓源輸入、分立搭建 IGBT 器件、三 相逆變電路輸出及相關(guān)輔助電路。 （3）完

3、成 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，選擇專用的 IGBT 混合集成驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)與主電路的接口 及相關(guān)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 （4）完成單片機(jī)最小系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)接口的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 （5）撰寫課程設(shè)計(jì)論文，包括系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)及方案說明、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等內(nèi) 容。 技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)： 額定直流輸入電壓 220V，連續(xù)工作功率輸出 10kW，逆變輸出電壓 380VAC2%，逆 變輸出波形為正弦波，逆變輸出頻率 50Hz0.5%，轉(zhuǎn)換效率 93%，功率因數(shù)，0.99。 進(jìn)度計(jì)劃 （1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（2 天） （2）系統(tǒng)各組成部件功能分析與設(shè)計(jì)（3 天） （3）系統(tǒng)功能電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)（

4、3 天） （4）撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1 天） （5）驗(yàn)收及答辯（1 天） 指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī) 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 3 摘 要 三相電壓型逆變電路的主電路。直流電源采用相控整流電路，由普通晶閘管 組成。逆變電路由 6 個(gè)導(dǎo)電臂組成,每個(gè)導(dǎo)電臂均由具有自關(guān)斷能力的全控型器件 及反并聯(lián)二極管組成，所以實(shí)際上也是一種全控型逆變電路。電壓型逆變電路主 要用于兩方面：籠式交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕

5、緣柵型場(chǎng) 效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有 MOSFET 的高輸入 阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū) 動(dòng)電流較大;MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于 直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、 牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：三相電壓型；IGBT；逆變電路 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 4 目 錄 第 1 章 緒論 .4 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 .7 2.1 概述 .7 2.2 系統(tǒng)組成總體

6、結(jié)構(gòu) .7 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) .9 3.1 主電路的設(shè)計(jì) .9 3.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 .10 3.3 保護(hù)電路 .13 3.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) .13 第 4 章 控制電路的設(shè)計(jì) .16 4.1 采用單片機(jī)控制 .16 4.2 單片機(jī)程序 .18 4.3 三相電壓源逆變電路的連接 .20 第 5 章 軟件設(shè)計(jì) .21 5.1 系統(tǒng)總流程圖 .21 5.2 單片機(jī)初始化流程圖 .22 5.3 子程序流程圖 .23 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .24 參考文獻(xiàn) .25 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 5 第 1 章 緒論 逆變電路直流側(cè)電源是電壓源的稱為電壓型逆變電路， 三相電壓型逆變電 路的主電

7、路。直流電源采用相控整流電路，由普通晶閘管組成。逆變電路由6個(gè) 導(dǎo)電臂組成,每個(gè)導(dǎo)電臂均由具有自關(guān)斷能力的全控型器件及反并聯(lián)二極管組成， 所以實(shí)際上也是一種全控型逆變電路。 電壓型逆變電路主要用于兩方面,逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起 著非常重要的作用。 逆變電路是與整流電路相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電的電 路。逆變電路的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電 源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。 逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已 有的各種電源中，蓄電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流 負(fù)載供電時(shí)，需要通過無源逆變電路；無源逆變電路與其它電力電子變換電路組

8、合形成具有特殊功能的電力電子設(shè)備，如無源逆變器與整流器組合為交-直-交變 頻器(來自交流電源的恒定幅度和頻率的電能先經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟姡缓蠼?jīng)無源 逆變器輸出可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載)。當(dāng)電網(wǎng)提供的工頻電源不能滿足Hz50 負(fù)載的需要，就需要用交-直-交變頻電路進(jìn)行電能交換。如感應(yīng)加熱需要較高頻 率的電源；交流電動(dòng)機(jī)為了獲得良好的調(diào)速特性需要頻率可變的電源。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電路主要應(yīng)用于各種直流電源，如蓄電池、 干電池、太陽能電池等；還可以應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感 應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分。 逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱

9、為電 壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。逆變電路可用以構(gòu)成靜 止式中頻加熱電源。它具有主電路簡(jiǎn)單、起動(dòng)性能好的優(yōu)點(diǎn)，但負(fù)載適應(yīng)性較差， 故只適用于負(fù)載變化不大但又需要頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合。 由于電壓型逆變電路具有直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無 脈動(dòng)；輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；阻感負(fù)載時(shí)需要提 供無功功率等特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用。在晶閘管逆變電路中，負(fù)載換相式電壓型 逆變電路利用負(fù)載電流相位超前電壓的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)換相，不用附加專門的換相電 路，因而應(yīng)用較多。 常見的三相電壓型逆變電路有三相全橋型、三單相全橋型及三相多電平型等 幾種。單個(gè)的三相全橋和三單相

10、全橋型逆變器具有結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但由 于受其容量和諧波性能的限制，很少將它們直接應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。此外，三相 全橋型逆變器不能直接用于補(bǔ)償系統(tǒng)的零序分量。為實(shí)現(xiàn)三相全橋和三單相全橋 型逆變器的大容量化，常采用的方法有兩種：一是每個(gè)逆變器橋臂采用多個(gè)開關(guān) 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 6 器件串聯(lián)和并聯(lián)，該方法存在的主要問題是當(dāng)器件的串并聯(lián)個(gè)數(shù)較多時(shí)，每個(gè)器 件的均壓、均流將變得非常困難。此外，該方法無助于逆變器諧波性能的提高。 二是采用多重化結(jié)構(gòu)，該方法還可提高裝置的諧波性能。但也存在兩個(gè)問題：一 是多重化需采用特殊結(jié)構(gòu)的變壓器，這種變壓器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、體積大 的缺點(diǎn)，因此多重化的數(shù)目

11、受到限制；二是逆變器各個(gè)橋臂的開關(guān)器件需在關(guān)斷 狀態(tài)下承受整個(gè)直流側(cè)電壓，由于現(xiàn)有單個(gè)開關(guān)器件耐壓值的限制，在制造大容 量補(bǔ)償裝置時(shí)仍需采用多個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)的方法來解決開關(guān)器件的耐壓?jiǎn)栴}。除 了采用多重化方法外，提高諧波性能的另一種方法是采用對(duì)開關(guān)頻率要求相對(duì)較 高的 PWM 調(diào)制方式，只是裝置的損耗將隨開關(guān)頻率的增加而增加。 克服上述缺點(diǎn)的一種有效方法是采用多電平逆變器。在三相多電平逆變器中， 開關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)只需承受一個(gè)直流電容器上的電壓，較好地解決了在大容 量裝置中開關(guān)器件的耐壓?jiǎn)栴}。它不需要通過變壓器的多重化方法，就能輸出階 梯波形的電壓，即輸出電壓諧波含量低。此外，多電平逆變器還

12、具有響應(yīng)速度快、 損耗小的優(yōu)點(diǎn)，但也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高的缺點(diǎn)。當(dāng)電平數(shù)過多時(shí)，由于電路 中相應(yīng)的附加二極管、雜散電感和限流電感過多，裝置損耗過大，一般不予采用。 此外，多電平逆變器還存在直流側(cè)電容器均壓?jiǎn)栴}，為解決這個(gè)問題，應(yīng)對(duì)多電 平逆變電路進(jìn)行了改進(jìn)，但由于過多地采用了鉗位電容器，使電路的結(jié)構(gòu)變得更 為復(fù)雜。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 2.1 概述 本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)交流電動(dòng)機(jī)三相電壓源型逆變電路， 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈沖；輸出電壓為矩形波，輸 出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)

13、 反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。在三相逆變電路中，應(yīng)用最 廣的是三相橋式逆變電路，采用 IGBT 作為開光器件的電壓型三相逆變電路。 2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 電源三相逆變電路交流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)和保護(hù) 單片機(jī)控制核心 圖 2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 由 220V 直流電源給三相逆變電路供電，由單片機(jī) 89C51 來編寫程序，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，模塊選用 EXB841，來使三相逆變電路運(yùn)行，采用過電流保護(hù)，提高 電路的穩(wěn)定性，三相逆變電路輸出電流給交流電機(jī)，使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，?本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 8 好的給交流電機(jī)供能。電壓型三相橋式逆變電路，電路由三個(gè)半橋電路組成，開 關(guān)管可

14、以采用全 控型電力電子器件，以 IGBT 為例，VD1-VD6 為續(xù)流二極管。 電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式為 180導(dǎo)電型，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角 為 180。同一相上下橋臂交替導(dǎo)電。各相開始導(dǎo)電的時(shí)間一次相差 120。在 一個(gè)周期內(nèi)，6 個(gè)開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序?yàn)?V1-V2-V3-V4-V5-V6，依次相隔 60，任意時(shí)刻均有三個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序?yàn)?V1V2V3，V2V3V4，3V3V4V5，V4V5V6,V5V6V1，每種組合工作。IGBT 集 成驅(qū)動(dòng)芯片選用 EXB841, EXB841 主要由放大、過流保護(hù)、5V 基準(zhǔn)電壓和輸出 等部分組成。其中放大部分由 TLP55

15、0,V2,V4,V5 和 R1,C1,R2,R9 組成，TLP550 待改進(jìn)。起信號(hào)輸入和隔離作用，V2 是中間級(jí)，V4 和 V5 組成推挽輸出;短路過 流保護(hù)部分由 V1,V3,V6,VZ1 和 C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4 等組成，實(shí)現(xiàn)過流 檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)功能。EXB841 的 6 腳通過快速恢復(fù)二極管接至 IGBT 的 C 極， 檢測(cè) IGBT 的集射之間的通態(tài)電壓降的高低來判斷 IGBT 的過流情況加以保護(hù);5V 電壓基準(zhǔn)部分由 R10,VZ2,C5 組成，為 IGBT 驅(qū)動(dòng)提供-5V 反偏壓。單片機(jī)核心控 制，89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只

16、讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位微處 理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采 用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和 輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C 單 片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，采用過電流保護(hù)。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 9 第

17、 3 章 硬件設(shè)計(jì) 3.1 主電路的設(shè)計(jì) 用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中， 應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用 IGBT 作為開關(guān)器件的三相電壓型 橋式逆變電路如圖 3.1 所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。 電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的 兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋 N 式逆變電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為， 180180 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)電的角度以此相差。 120 這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁?/p>

18、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，因此也被稱為縱向換流。 三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負(fù)載參數(shù)已知，以 U 相為例，負(fù)載的 阻抗角不一樣，的波形形狀和相位都有所不同，在阻感負(fù)載下，從通態(tài)轉(zhuǎn) U i 1 V 換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中電流不能突變，先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零， 4 VD 才開始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角越大，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)。在時(shí)，時(shí) 4 V 4 VD 1 NN u00 U i 為導(dǎo)通，時(shí)為導(dǎo)通；在時(shí)，時(shí)導(dǎo)通，時(shí)為 1 VD0 U i 1 V0 1 NN u0 U i 4 VD0 U i 導(dǎo)通。 、的波形與形狀相

19、同，相位一次相差。將三個(gè)橋臂電流相 4 V v i w i U i 0 120 加可得到直流側(cè)電流。 d i 在上述導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用“先斷后通”的方法來防止同一相上下 兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號(hào)之間留有一 個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。采用 IGBT 作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路，可以 看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖 3.1 的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容就可以了，但 為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假象中點(diǎn) N。和單相半橋、全橋 逆變電路相同，三相電壓型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

20、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?？赡苁巧厦嬉粋€(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，因此也被稱為縱向換流。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 3.1 三相電壓型逆變電路 3.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 3.2.1 IGBT 的特點(diǎn) IGBT 是 MOSFET 與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有 MOSFET 易驅(qū)動(dòng)的特 點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于 MOSFET 與 功率晶體管之間，可正常工作于幾十 kHz 頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中

21、功 率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 IGBT 是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾 V 的直流電壓，只有 A 級(jí)的漏電流流過，基本上不消耗功率。但 IGBT 的柵極-發(fā)射極間存在著較大 的寄生電容（幾千至上萬 pF） ，在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù) A 的 充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出 一定的峰值電流。IGBT 作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過流時(shí)可能發(fā)生鎖定 現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流 變化率會(huì)引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好 IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保 護(hù)特性是十分必要的。 IGB

22、T 的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊 穿電壓一般只能達(dá)到 2030V，因此柵極擊穿是 IGBT 失效的常見原因之一。在應(yīng) 用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄 生電感和柵極集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。 通常采用絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可 以抑制振蕩電壓。 由于 IGBT 的柵極發(fā)射極和柵極集電極間存在著分布電容 Cge 和 Cgc，以 及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感 Le，這些分布參數(shù)的影響，使得 IGBT 的實(shí) 際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于

23、 IGBT 開通和關(guān)斷的因 素。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 11 柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對(duì) IGBT 開通關(guān)斷過程有著較大的影響。 IGBT 的 MOS 溝道受柵極電壓的直接控制，而 MOSFET 部分的漏極電流控制著 雙極部分的柵極電流，使得 IGBT 的開通特性主要決定于它的 MOSFET 部分，所 以 IGBT 的開通受柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT 的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少 子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受 MOSFET 的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對(duì) IGBT 的關(guān) 斷也有影響。 在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高 IGBT 開關(guān)速 率降低損耗。在正常狀態(tài)下 IGB

24、T 開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù) 流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開通越快，IGBT 承受的峰 值電流越大，越容易導(dǎo)致 IGBT 損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即 增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用 此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。 由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì) IGBT 的開通過程影響 較大，而對(duì)關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損 耗，但過小會(huì)造成 di/dt 過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對(duì)串聯(lián)電阻要根 據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。 柵極電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖

25、的波形也有影響。電阻值過小時(shí)會(huì)造成脈沖振蕩，過大 時(shí)脈沖波形的前后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。IGBT 的柵極輸入電容 Cge 隨著其額定 電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對(duì)于電流容量大 的 IGBT 器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng) 隨著 IGBT 電流容量的增加而減小。 3.2.2 IGBT 混合集成驅(qū)動(dòng)芯片 EXB841 是日本富士公司提供的 300A/1200V 快速型 IGBT 驅(qū)動(dòng)專用模塊，整 個(gè)電路延遲時(shí)間不超過 1s，最高工作頻率達(dá) 40 一 50kHz，它只需外部提供一個(gè) +20V 單電源，內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)一 5V 反偏壓，模塊采用高

26、速光耦合隔離，射極輸出。 有短路保護(hù)和慢速關(guān)斷功能。 EXB841 驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下： 腳 1：連接用于反向偏置電源的濾波電容器； 腳 2：電源（ 20V） ； 腳 3：驅(qū)動(dòng)輸出； 腳 4：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需 要該電容器） ； 腳 5：過流保護(hù)輸出； 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 12 腳 6：集電極電壓監(jiān)視； 腳 7、 8 不接； 腳 9：電源； 腳 10、11 不接； 腳 14、15：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-，） ； 由于本系列驅(qū)動(dòng)器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離，因此能用 于交流 380V 的動(dòng)力設(shè)備上。 IGBT 通常只能承受 10s 的短路

27、電流，所以必須有快速保護(hù)電路。 EXB841 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極之間的關(guān)系檢測(cè)過 電流，當(dāng)集電極電壓高時(shí)，雖然加入信號(hào)也認(rèn)為存在過電流，但是如果發(fā)生過電 流，驅(qū)動(dòng)器的低速切斷電路就慢速關(guān)斷 IGBT（ 10s 的過流不響應(yīng)） ，從而保 證 IGBT 不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以 破壞 IGBT 。 IGBT 在開關(guān)過程中需要一個(gè)+15V 電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個(gè)-5V 關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作。這兩種電壓（15V 和-5V）均可由 20V 供電 的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生。 圖 3.2 EXB841 功能框圖 EXB841 的

28、工作原理： (1)正常開通過程 當(dāng)控制電路使 EXB841 輸入端腳 14 和腳 15 有 10mA 的電流流過時(shí)，光耦合 器 TS01 就會(huì)導(dǎo)通，A 點(diǎn)電位迅速下降至 0V，使 VT1 和 VT2 截止；VT2 截止使 D 點(diǎn)電位上升至 20V，VT4 導(dǎo)通，VT5 截止，EXB841 通過 VT4 及柵極電阻 Rc 向 IGBT 提供電流使其迅速導(dǎo)通，Uc 下降至 3V。同時(shí)，VT1 截止使+20V 電源通 過 R3 向電容 C2 充電，時(shí)間常數(shù) 1 為 2. 42s，這又使 B 點(diǎn)電位上升，IGBT 延 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 13 遲約 1s 后導(dǎo)通，UCE 下降至 3V，從而將 EX

29、B841 腳 6 的電位鉗制在 8V 左右， 因此 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位不會(huì)上升到 13V，而是上升到 8V 左右，這個(gè)過程時(shí)間為 1.24s;因穩(wěn)壓管 VZ1 的穩(wěn)壓值為 13V，所以 IGBT 正常開通時(shí)不會(huì)被擊穿，VT3 不通，E 點(diǎn)電位仍為 20V 左右，二極管 VD6 截止，不影響 VT4 和 VT5 的正常工 作。 (2)正常關(guān)斷過程 當(dāng)控制電路使 EXB841 輸入端腳 14 和腳 15 無電流流過時(shí)，光耦合器 TS01 不通，A 點(diǎn)電位上升使 VT1 和 VT2 導(dǎo)通；VT2 導(dǎo)通使 VT4 截止，VT5 導(dǎo)通， IGBT 柵極電荷通過 VT5 迅速放電，使 EXB841 的腳

30、 3 的電位迅速下降至 0V（相 對(duì)于 EXB841 腳 1 低 5V），使 IGBT 可靠關(guān)斷，UCE 迅速上升，使 EXB841 的 腳 6“懸空”。與此同時(shí)，VT1 導(dǎo)通，C2 通過 VT1 更快放電，將 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電 位鉗制在 0V，使 VZ1 仍不通，IGBT 正常關(guān)斷。 (3)保護(hù)動(dòng)作 若 IGBT 已正常導(dǎo)通，則 VT1 和 VT2 截止，VT4 導(dǎo)通，VT5 截止，B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位穩(wěn)定在 8V 左右，VZ1 不被擊穿，VT3 不導(dǎo)通，E 點(diǎn)電位保持為 20V， 二極管 VD6 截止。若此時(shí)發(fā)生短路，IGBT 承受大電流而退飽和，UCE 上升很多， 二極管 VD7 截止

31、，則 EXB841 的腳 6“懸空”，B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位開始由 8V 上升； 當(dāng)上升至 13V 時(shí)，VZ1 被擊穿，VT3 導(dǎo)通，CT4 通過 R7 和 VT3 放電，E 點(diǎn)電位 逐步下降，二極管 VD6 導(dǎo)通時(shí) D 點(diǎn)電位也逐步下降，從而使 EXB841 的腳 3 的 電位也逐步下降，從而緩慢關(guān)斷 IGBT。B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電位由 8V 上升到 13V 的時(shí) 間為 8. 3s。 此時(shí)慢關(guān)斷過程結(jié)束，IGBT 柵極上所受偏壓為 0V（設(shè) VT3 管壓降為 0.3V，VT6 和 VT5 的壓降為 0. 7V），這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號(hào)使光電耦合 器 TS01 截止，此時(shí) VT1 和 VT2

32、導(dǎo)通，VT2 導(dǎo)通使 D 點(diǎn)下降到 0V，從而使 VT4 完全截止，VT5 完全導(dǎo)通，IGBT 柵極所受偏壓由慢關(guān)斷時(shí)的 0V 迅速下降到- 5V，IGBT 完全關(guān)斷。VT1 導(dǎo)通使 C2 迅速放電、VT3 截止，20V 電源通過 R8 對(duì) C4 充電， 則 E 點(diǎn)恢復(fù)到正常狀態(tài)需 135s，至此 EXB841 完全恢復(fù)到正常狀 態(tài)，可以進(jìn)行正常的驅(qū)動(dòng)。EXB841 在設(shè)計(jì)上充分考慮到 IGBT 的特點(diǎn)，電路簡(jiǎn) 單實(shí)用。它具有如下特點(diǎn)。 模塊僅需單+20V 電源供電，它通過內(nèi)部 5V 穩(wěn)壓管為 IGBT 提供+15V 和- 5V 的電平，既滿足了 JGBT 的驅(qū)動(dòng)條件，又簡(jiǎn)化了電路，為整個(gè)系統(tǒng)

33、設(shè)計(jì)提供了 很大方便。 輸入采用高速光耦隔離電路，既滿足了隔離和快速的要求，又在很大程度 上使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 14 通過精心設(shè)計(jì)，將過流時(shí)降低 UCE 與慢關(guān)斷技術(shù)綜合考慮，一旦電路檢測(cè) 到短路后，要延遲約 1.5s（VZ1 導(dǎo)通時(shí)，R4 會(huì)有壓降）UCE 才開始降低，再 過約 8s 后 UGE 才降低到 0V（相對(duì) EXB841 的腳 1）。在這 10s 左右的時(shí)間 內(nèi)，如果短路現(xiàn)象消失，UCE 會(huì)逐步恢復(fù)到正常值，但恢復(fù)時(shí)間決定于時(shí)間常數(shù) t13。 圖 3.3 EXB841 原理圖 3.3 保護(hù)電路 電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分為

34、 過載和短路兩種情況。通常采用的保護(hù)措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和 過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時(shí)采用集中過流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的 可靠性和合理性。 綜合本次設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲實(shí) 施電流保護(hù)。如圖 3.4 電流保護(hù)電路所示。對(duì)于所選的保險(xiǎn)絲，遵從值小于t 2 I 晶閘管的允許值。t 2 I 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 3.4 三相電壓源逆變電路的過流保護(hù)電路 3.4 單片機(jī)控制 本論文的單片機(jī)采用 MSC-51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高頻率晶 振，以獲得較高的刷新頻率，時(shí)期顯示更穩(wěn)定。在芯片中，P1 口低 4 位與行驅(qū)

35、動(dòng) 器相連，送出行選信號(hào)；P1.5P1.7 口則用來發(fā)送控制信號(hào)。P0 口和 P2 口空著， 在有必要的時(shí)候可以擴(kuò)展系統(tǒng)的 ROM 和 RAM。 引腳說明： 電源引腳 Vcc（40腳）：典型值5V。 Vss（20腳）：接低電平。 外部晶振 X1、X2分別與晶體兩端相連接。當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，X2接振蕩信號(hào)，X1接 地。 輸入輸出口引腳： P0口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。 P1口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。 P2口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。 P3口：I/O雙向口。作輸入口時(shí)，應(yīng)先軟件置“ 1”。 控制引腳： RST/Vpd、ALE

36、/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp組成了MSC-51的控制總線。 RST/Vpd（9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端（高電平有效） 。 ALE/-PROG(30腳）：地址鎖存信號(hào)輸出端。第二功能：編程脈沖輸入。 -PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。 -EA/Vpp(31腳）：外部程序存儲(chǔ)器使能端。第二功能：編程電壓輸入端（+21V） 。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 3.5 單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片的連接 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0(RXD) 10 P3.1(TXD) 11 P3.2(I

37、NT0) 12 P3.3(INT1) 13 P3.4(T0) 14 P3.5(T1) 15 P3.6(WR) 16 P3.7(RD) 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 (A8)P2.0 21 (A9)P2.1 22 (A10)P2.2 23 (A11)P2.3 24 (A12)P2.4 25 (A13)P2.5 26 (A14)P2.6 27 (A15)P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 (AD7)P0.7 32 (AD6)P0.6 33 (AD5)P0.5 34 (AD4)P0.4 35 (AD3)P0.3 36 (AD2)P0.

38、2 37 (AD1)P0.1 38 (AD0)P0.0 39 VCC 40 U1 STC89C51 Y1 12MHz C2 22 C3 22 + C1 10uf S1 SW-PB VCC GND GND D2D1 VT2 VT1 VT3 D3 R2 5 4 2 312 U1A R1 10K 保保保保保保保 54 6 3 9 1 2 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 3.5 單片機(jī)系統(tǒng)電路 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 18 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 單片機(jī)程序 #include static unsigned int count; / static int step_index; / stati

39、c bit turn; / static bit stop_flag; / static int speedlevel; / static int spcount; / void delay(unsigned int endcount); / void gorun();/ void main(void) count = 0; step_index = 0; spcount = 0; stop_flag = 0; P1_0 = 0; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 0; EA = 1; / ET0 = 1; / TH0 = 0 xFE; TL0 = 0 x0C; / TR0

40、 = 1; / turn = 0; speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 19 do speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; delay(10000); stop_flag=1; delay(10000); stop_flag=0; while(1); case 6: /3 P1_0 = 0; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 1; break; case 7: /3、0 P1_0 = 1; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 =

41、1; if (turn=0) step_index+; if (step_index7) step_index=0; else step_index-; if (step_index0) step_index=7; 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 20 4.2 系統(tǒng)總流程圖 圖 4.1 系統(tǒng)總流程圖 三相逆變電路供電，由單片機(jī) 89C51 來編寫程序，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，模塊選 用 EXB841，來使三相逆變電路運(yùn)行，采用過電流保護(hù)，提高電路的穩(wěn)定性，三 相逆變電路輸出電流給交流電機(jī)，使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，更好的給交流電機(jī)供 能。 分析設(shè)計(jì)要求 硬件選型 進(jìn)行單片機(jī)與外部 電路的連接 分析是否符合要求

42、 編寫單片機(jī)程序 將程序下載至單片 機(jī)內(nèi) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能 N Y 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 21 4.3 單片機(jī)初始化流程圖 初始化開始 I/O口初始化 寄存器初始化 定時(shí)器初始化 初始化結(jié)束 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 5.2 單片機(jī)初始化流程圖 采用 MSC-51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高頻率晶振，以獲得較高 的刷新頻率，時(shí)期顯示更穩(wěn)定。把變量變成初始值.設(shè)置定時(shí)器的工作方式及初 值，開放相應(yīng)的中斷源的中斷并設(shè)置優(yōu)先級(jí)。 4.4 子程序流程圖 開始 定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化 中斷系統(tǒng)初始化 調(diào)用查表子程序 調(diào)用顯示子程序 關(guān)TO,T1 讀計(jì)數(shù)值 ，重復(fù)初始化T0 T1 開T0,T1 中斷返回 中斷入口 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 5.3 子程序流程圖 在主程序中打開串行口中斷，在定時(shí)器子程序中使用地址寄存器作為地址指 針，開始時(shí)指向數(shù)據(jù)表首地址，當(dāng)字符