基于Pspice仿真高頻單片機電源系統(tǒng)硬件研究

PAGE摘要近年來，臭氧技術已在醫(yī)學、食品、污水處理、飲用水殺菌消毒等領域得到廣泛應用。但是目前臭氧的缺點是其生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，耗電量大。而臭氧發(fā)生器效率低一直是臭氧發(fā)生技術尚待解決的關鍵技術，也是阻礙臭氧大空間范圍內(nèi)得到應用最直接的因素。因此長期以來，提高臭氧合成效率，降低臭氧發(fā)生裝置的運行成本，并保證裝置能安全可靠地運行，一直是人們關注的課題。本論文的引出是基于提高電源頻率能夠提高臭氧生產(chǎn)效率這一研究結果，吸收目前國內(nèi)外的先進臭氧發(fā)生器技術和經(jīng)驗，對大功率小型高效逆變電源進行研究和分析，以提高臭氧發(fā)生器的生產(chǎn)效率。論文的主要任務是設計一個高頻單片機電源，通過提高電源頻率來達到上述目的。電源主電路采用IGBT全橋結構，驅(qū)動電路采用M57962L模塊，是基于Pspice仿真的高頻單片機電源的硬件研究。關鍵詞:絕緣柵雙極型晶體管,脈寬調(diào)制,逆變,驅(qū)動保護，臭氧發(fā)生器ABSTRACTInrecentyears,theozonetechnologyindomainandsoonmedicine,food,sewagetreatment,tapwatersterilizationdisinfectionsobtainedthewidespreadapplication.Buttheproductionoftheozoneiscosthighcurrently;theproductionefficiencyislow,runningawaywithalotofelectricity.Andthelowefficiencyofozonegeneratorhasbeenthekeytechniquethattheozonegeneratortechniqueneedstosolve,isalsothemostdirectfactorbafflingitsapplicationoflargerangeuse.Thereforeforalongtime,increasingtheefficiencytosynthesizeozone,lowertherunningcostofozonegeneratordevice,andmakesurethedevicecanbeworkedsafelyandreliable,havingbeenthetopicthatpeoplepayattentionto.Bystudyingandanalyzetohigh-powersmallhigh-effectinverter,thispaperisbasedontheextractionofpowerfrequencycanbeincreasedtoimprovetheefficiencyoftheproductionofozoneresults,puttingforwardthedesigningofhighfrequencyinverterusingsingle-chipcomputercontroltechniqueandtakingadvantageoftheadvancedtechnologyandexperienceofozone.Themajortaskofthispaperistodesignahighfrequencypowermonolithicintegratedcircuitelectricalpower,byincreasingthefrequencyofpowersupplytoachievethispurpose.ThemaincircuitofthepoweradoptIGBTentirebridgestructureanddrivencircuitadopttheM57962Lmodule,whichisahardwareresearchbasedonpspicesimulationhighfrequencymonolithicintegratedcircuitelectricalpower.KEYWORDS：IGBT，PWM，inverter，driversprotection,ozonegenerator目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III第一章緒論 11.1課題提出 11.2臭氧發(fā)生器技術難點 11.3逆變電源技術簡介 21.4本論文的主要任務 31.5本章小結 3第2章系統(tǒng)硬件設計與分析 42.1逆變的工作原理 42.2電源硬件電路整體框圖與工作原理說明 52.3系統(tǒng)主回路的設計 52.4IGBT工作原理與特性 72.4.1IGBT工作特性 72.4.2IGBT柵極特性 92.5IGBT驅(qū)動電路設計 102.5.1柵極驅(qū)動電壓 102.5.2柵極串聯(lián)電阻及柵射電阻 112.5.3 驅(qū)動電路的電源 112.5.5IGBT驅(qū)動應用電路 112.6本章小結 12第3章保護技術 133.1IGBT的保護 133.1.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護 133.1.2柵極過電壓保護 133.1.3過電流保護 143.1.4過熱保護 153.2本章小結 15第4章系統(tǒng)控制 164.1驅(qū)動模塊M57962L介紹 164.1.1M57962L的外形、結構及電氣特性 164.1.2M57962L內(nèi)部組成及其特點 174.1.3輸出電流限制 184.1.4驅(qū)動器對電源的要求 184.2AT89C51單片機簡介 194.2.1主要特性 194.2.2管腳說明 204.2.3振蕩器特性 214.2.4芯片擦除 214.3單片機模擬PWM信號的輸出 224.4顯示、鍵盤電路 224.5保護電路設計 244.7本章小結 25第5章印制電路板布線流程與PCB設計的基本原則 265.1印制電路板布線流程 265.2PCB設計的基本原則 265.2.1布局 275.2.2布線 275.3本章小結 27第6章電路調(diào)試與分析 286.1電路調(diào)試 286.2硬件的可靠性分析與待完善發(fā)展技術 296.2.1可靠性分析 296.2.2電源設計中的電磁兼容性問題 296.2.3待完善發(fā)展技術 306.6本章小結 31第7章全文結論 32致謝 33參考文獻 34附錄 35第一章緒論隨著科學技術的日新月異，人類的經(jīng)濟活動已經(jīng)到了飛速發(fā)展的工業(yè)經(jīng)濟時代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時期。電源是位于市電（單相或三相）與負載之間，向負載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設備，對科學技術的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。由于超小型、高效率的高頻開關電源的出現(xiàn)，促進了航空航天和艦船技術的發(fā)展；不間斷電源(UPS)的研制成功大大提高了計算機、通信、導航、醫(yī)療等設備的可靠；脈沖電源廣泛應用于電焊、電鍍等行業(yè)，節(jié)省了大量的電能和原材料。逆變電源具有高效節(jié)能和節(jié)約材料的優(yōu)點，并且其響應迅速，調(diào)節(jié)方便可靠，性能靈活。因此逆變電源在現(xiàn)代電力產(chǎn)業(yè)部門和其他產(chǎn)業(yè)部門應用十分廣泛。1.1課題提出“民以食為天”，如何保證人民群眾吃得放心不僅僅是一個科學問題，而是一個切實的“民生”問題。食品的安全問題也是當今國際國內(nèi)高度關注的課題。經(jīng)過實踐比較論證，臭氧是食品工業(yè)中最具發(fā)展前景的消毒劑，同時臭氧對污水或飲用水進行處理，其綜合效果最佳，因此臭氧發(fā)生器的研制，也是現(xiàn)代工業(yè)和人們生活的需要。逆變電源在臭氧發(fā)生器中的應用不僅節(jié)能省材，而且生產(chǎn)效率大大提高，控制方便可靠，如何設計逆變電源也成了臭氧發(fā)生器的一個關鍵所在。本課題得到了湖北省自然科學基金(項目名稱：高效臭氧發(fā)生機理的研究)的支持。1.2臭氧發(fā)生器技術難點臭氧發(fā)生器是生產(chǎn)臭氧的發(fā)生裝置，臭氧生產(chǎn)的方法有化學法、電解法、紫外線照射法、電暈放電法等。目前工業(yè)上大規(guī)模的臭氧發(fā)生器都是采用電暈放電法，它是一種經(jīng)濟實用的方法。采用電暈放電法生產(chǎn)臭氧的發(fā)生裝置，主要由供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供電電源和臭氧發(fā)生管等四部分組成。雖然臭氧應用非常之廣，但對大空間（會議廳、游泳池、大的車間等）的空氣消毒與凈化遇到了困難。關鍵技術問題就是臭氧發(fā)生器每小時能產(chǎn)生的臭氧量不大，這一問題在國內(nèi)非常突出，亟待解決。臭氧發(fā)生器價格的多少更能直接反應這一技術的難易：1g臭氧/小時，1600元/臺；3g臭氧/小時，2900元/臺；10g臭氧/小時，12000元/臺，約每小時1公斤的臭氧發(fā)生器，每臺在幾十萬元左右[3]。如前所述臭氧作為消毒劑具有很多優(yōu)點，其應用前景極好，但是目前臭氧的缺點是其生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，耗電量大。傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生器由于受材料、機械加工以及變頻技術的限制，不僅臭氧產(chǎn)量低，而且電力消耗也很大，經(jīng)濟效益較差。而臭氧發(fā)生器產(chǎn)氣率低一直是臭氧發(fā)生技術尚待解決的關鍵技術，也是阻礙臭氧大空間范圍內(nèi)得到應用最直接的因素。因此長期以來，提高臭氧合成效率，降低臭氧發(fā)生裝置的運行成本，并保證裝置能安全可靠地運行，一直是人們關注的課題。1.3逆變電源技術簡介電源技術發(fā)展到今天，已融會了電子、功率集成、材料、傳感、計算機、電磁兼容、熱工等諸多技術領域的精華，已從多學科交叉的邊沿學科成長為獨樹一幟的功率電子學。電源技術又是實用性極強的技術，它服務于各行各業(yè)、各個領域的各樣的負載，它們的性能特點以及采用的技術方法千差萬別，這就造就了電源技術的豐富內(nèi)涵。不同的負載要求不同的電源裝置，萬能的電源至少今天還未出現(xiàn)。一個特定用途的電源裝置，應當具有符合負載要求的性能參數(shù)和特性，這是基本的要求。安全可靠是必須加以保證的，高效率、高功率因素、低噪音是普遍關注的品質(zhì)。無電網(wǎng)污染、無電磁干擾、省電節(jié)能等綠色指標是全球范圍的熱門話題，并有相關的國際和國家標準規(guī)范進行約束.有時特定的使用環(huán)境又要求電源具備一些特殊的適應性，比如高溫、商寒、高濕、抗輻射、抗振動、防暴、體積少、重量輕、智能化等[4]。隨著各行各業(yè)控制技術的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化方式因用電設備的不同而不盡相同，如通信電源、電弧焊電源、電動機變頻調(diào)速器、加熱電源、化工電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進行變換后得到的。逆變，是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，是對電能進行變換和控制的一種基本形式。逆變技術是綜合了現(xiàn)代電力電子技術、現(xiàn)代電力電子開關器件的應用、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代功率變換、半導體變流技術、模擬和數(shù)字電子技術、PWM技術、頻率及相位調(diào)制技術、開關電源技術、磁性材料等學科基礎之上的一門實用設計技術，已被廣泛地用于工業(yè)和民用領域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。在現(xiàn)代逆變技術的應用領域中，許多用電設備和系統(tǒng)都有一個發(fā)展的過程。由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅(晶閘管)整流式，直至發(fā)展到逆變式(或者叫開關式)，這不僅是因為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展為逆變技術的采用提供了必要的條件，更重要的還是因為采用逆變技術有很多優(yōu)越性:靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的幅度或頻率將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電或其他形式的直流電明顯地減小用電設備的體積和重量，節(jié)省材料高效節(jié)能動態(tài)響應快、控制性能好、電氣性能指標好保護快隨著電力電子技術的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對電氣設備控制性能要求的提高，逆變技術在許多領域應用越來越廣泛。再加上電力半導體器件的發(fā)展，逆變技術的應用范圍得到了進一步拓寬，它幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個領域。尤其是高壓、大電流、高頻三者兼?zhèn)涞膱隹仄骷拈_發(fā)成功，為簡化逆變主電路，提高逆變器的性能以及高頻脈寬調(diào)制(PWM)技術的廣泛應用莫定了基礎，推動著高頻逆變技術的發(fā)展，使電力電子技術的應用進入了比較靈活自如地改變頻率的發(fā)展階段。近些年來，隨著臭氧技術以及臭氧發(fā)生器技術的發(fā)展，逆變技術在臭氧發(fā)生器領域得到了很好的應用。1.4本論文的主要任務很早以前人們就發(fā)現(xiàn)提高電源頻率能夠提高臭氧生產(chǎn)效率。當時存在問題是高頻電源采用高頻發(fā)電機，這種電源雖然電壓調(diào)整容易，但缺點很多，如旋轉(zhuǎn)部分故障頻繁，效率低，發(fā)熱嚴重，功耗大，價格昂貴等。隨著電力電子技術的發(fā)展，高頻逆變電源帶來了革命，減小了電源重量和體積，耗電小，動態(tài)響應迅速，性能靈活，適應性強，工作性能和控制性能好，工作穩(wěn)定可靠，穩(wěn)定的工作范圍，嗓聲小。因此研制和開發(fā)高頻臭氧發(fā)生器供電電源被廣泛關注，此次課題也把開發(fā)研制高頻電源作為研究重點，擬開發(fā)研制高效逆變電源作為臭氧發(fā)生器供電電源。本論文的主要任務就是吸收目前國內(nèi)外的先進臭氧發(fā)生器技術和經(jīng)驗，設計研究一種大功率高效臭氧發(fā)生器，提高臭氧發(fā)生器的生產(chǎn)效率。重點研究其供電電源部分，擬設計一臺10kHz的IGBT高頻逆變供電電源，研究臭氧發(fā)生器的負載特點及其對供電電源的要求，力求使電路簡單，耗電耗材量小，性能以及負載特性優(yōu)良，控制方便可靠，最終使臭氧的生產(chǎn)效率最高?；谝陨蠘嬒?，為了完成本課題，主要完成以下幾個任務:（1）分析臭氧發(fā)生器的負載特性和對電源需求，作為設計逆變電源依據(jù)；（2）根據(jù)逆變理論設計出臭氧發(fā)生器供電電源部分，這是本論文的重點；（3）進行電源整機硬件電路設計，是本論文的關鍵；（4）進行系統(tǒng)硬件調(diào)試，并對關鍵技術進行探討，是本論文的保證。1.5本章小結本章概要地闡述了課題來源與實際意義,綜述了國內(nèi)外臭氧發(fā)生器和逆變電源技術的研究狀況,分析了課題難點,提出了課題的任務以及論文的基本思路。第2章系統(tǒng)硬件設計與分析人們對高壓供電電源也作了大量的研究，結果發(fā)現(xiàn)電源波形是影響臭氧發(fā)生器效率的非常重要的原因，電源的電壓波形、電流波形以及電源的頻率等都對臭氧發(fā)生器效率影響很大。因此研制和開發(fā)高效臭氧發(fā)生器供電電源也是當務之急，此次課題也把開發(fā)研制高頻電源作為研究重點，擬開發(fā)研制高效逆變電源作為臭氧發(fā)生器供電電源。本次設計的臭氧發(fā)生器供電電源部分是臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的一個非常重要的部分。因此我們把逆變電源的設計作為此次論文的研究重點。2.1逆變的工作原理逆變是將直流電變換成交流電，是對電能變換和控制的一種基本形式，采用逆變技術是為了獲得不同的穩(wěn)定或變化形式的電能。逆變技術綜合了現(xiàn)代電力電子開關器件的應用、現(xiàn)代功率變換、模擬和數(shù)字電子技術、PWM技術、頻率和相位調(diào)制技術、開關電源技術和控制技術等的一門實用設計技術，己被廣泛用于工業(yè)和民用領域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。隨著功率電子器件的應用，高頻逆變技術越來越成熟，其功率變換技術也從負載諧振變換技術、硬開關定頻PWM變換技術、諧振開關變換技術到今天的雙零轉(zhuǎn)換變換技術。這些使用戶系統(tǒng)總體的體積減少，重量減輕，系統(tǒng)的效率也將得到一定程度的提高。圖2.1為一假想的通用功率變換器原理圖，下面利用它說明逆變器的轉(zhuǎn)換和控制電能原理。[2]S2S2S4S3S1負載直流電源圖2.1逆變工作原理示意圖圖2.1所示電路為一四開關雙端口網(wǎng)絡，此電路有以下幾種狀態(tài)：狀態(tài)0：開關S1--S4（S1，S3同時閉合或者S2，S4同時閉合）都閉合。這時電源被短路，負載電流電壓均等于零，此狀態(tài)是不允許的。狀態(tài)1：開關S1--S4都打開，電路處于開路狀態(tài)，負載電流電壓均為零。狀態(tài)2：開關S1，S4閉合，其他開關打開。這時輸出電壓、輸出電流分別等于輸入電壓、輸入電流。狀態(tài)3：開關S2,，S3閉合，其他開關打開。這時輸出電壓、輸出電流與輸入電壓、輸入電流值相同，極性相反。設輸入電壓V恒定不變，如果讓圖2.1所示電路的工作狀態(tài)按上述同樣規(guī)律變化，則在輸出端可以得到交流方波電壓，實現(xiàn)逆變器功能。隨著科學技術和生產(chǎn)力的發(fā)展，逆變電源己廣泛應用于各個領域，逆變電源的研究受到了廣大研究者的重視。逆變技術研究和應用的發(fā)展方向正由傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制硬開關技術和頻率調(diào)制諧振技術轉(zhuǎn)向脈寬調(diào)制軟開關技術，現(xiàn)在逆變電源正向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展。市電220V單相交流輸入全橋整流濾波穩(wěn)壓IGBT全橋逆變電路市電220V單相交流輸入全橋整流濾波穩(wěn)壓IGBT全橋逆變電路濾波高頻脈沖升壓變壓器IGBT驅(qū)動電路獨立隔離交流變壓器組單片機PWM信號鍵盤顯示保護指示輸出圖2.2硬件電路整體框圖基本工作原理如下：市電單相電壓（~220V）經(jīng)變壓器降壓后濾波整流提供給IGBT全橋逆變電路，IGBT橋式電路在驅(qū)動信號作用下，將整流濾波后的直流電變成一定電壓、頻率和占空比均可調(diào)的交流電，濾波后經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓后供給負載。單片機產(chǎn)生高頻PWM信號提供給IGBT驅(qū)動模塊控制IGBT通斷，并通過鍵盤顯示實現(xiàn)人機交互。電源的基本功能有：一定范圍內(nèi)占空比升降，輸出占空比的顯示，短路、過流、過熱、欠壓、過載保護等，保護指示。2.3系統(tǒng)主回路的設計逆變主電路就是由逆變開關器件組成的變換電路。根據(jù)本次設計要求的逆變電源功率容量，我們選擇了IGBT全橋移相式逆變主電路，圖2.3示出本次設計的逆變電源主電路簡圖。直流Vd直流VdV4V3驅(qū)動電路V2V1交流輸出升壓變壓器圖2.3逆變主電路原理示意圖全橋變換電路拓撲結構是目前國內(nèi)外變換電路中最常用的電路拓撲形式之一，在中大功率應用場合更是首選拓撲.這主要考慮它具有功率開關器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點。全橋變換電路的主要優(yōu)點是具有磁芯利用率高、濾波電感小、輸出功率大，吸收回路簡單，諧波少，可靠性高等[6]。電路的工作原理為：220V市電單相電壓經(jīng)過整流橋整流，整流后的直流電壓經(jīng)過電感和電容濾波成穩(wěn)定直流電壓，為逆變電路提供穩(wěn)定的直流DC輸入，如圖3所示。全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關管，具體地說就是斜對角功率開關管V1和V4,為一組，同時導通或截止，V2和V3為另一組，也同時導通或截止，這樣就可將直流電壓逆變成交流。當V1和V4同時導通時，V2和V3截止，此時變壓器原邊電壓為上正下負的Vd；反之，當V2和V3同時導通時，VI和V4截止，此時變壓器原邊電壓為下正上負的Vd。在四只開關管都截止的死區(qū)時間內(nèi)，四個開關管上承受的電壓為Vd的一半,變壓器沒有電壓輸出。這樣，當以頻率f交替切換開關管V1,4和V2,3時則在變壓器上就得到頻率為f的交變的方波電壓，該交流輸出經(jīng)脈沖升壓變壓器升壓后，輸出給臭氧發(fā)生管供電。幾個參數(shù)的計算（1）直流電壓輸入為單相交流電壓220V，經(jīng)過降壓變壓器輸出為9V，其峰值電壓:×9=12.7(V)由于濾波電容的作用，其輸出直流電壓約為12V左右。（2）額定狀態(tài)下直流側(cè)的平均功率本電源的額定輸出功率為P=1KW，考慮到濾波器的損耗以及功率開關管的開關損耗，設效率為=80%，則有:=P/0.8=1000/0.8=1250(W)（3）直流電流平均值工作時，考慮到電壓會下降，設下降值為10%，則=/0.9=1250/(0.9×12)116A2.4IGBT工作原理與特性IGBT的開關作用是通過施加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴，對N一層進行電導調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。所以在選擇和使用這些驅(qū)動電路時，必須對IGBT的工作特性以及柵極特性有所了解。2.4.1IGBT工作特性IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類：（1）靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓的控制，越高，越大。它與GTR的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止狀態(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。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，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制IGBT的某些應用范圍。IGB的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流與柵源電壓之間的關系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓時，IGBT處于關斷狀態(tài)。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，與呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態(tài)時，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其β值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓可用下式表示＝++式中——J1結的正向電壓，其值為0.7～1V；——擴展電阻上的壓降；——溝道電阻。通態(tài)電流可用下式表示：=(1+)式中——流過MOSFET的電流。由于N+區(qū)存在電導調(diào)制效應，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為2～3V。IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。（2）動態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。為開通延遲時間，為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間即為、之和。漏源電壓的下降時間由和組成，如圖2.4所示

。圖2.4開通時IGBT的電流、電壓波形IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗镸OSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，為關斷延遲時間，為電壓的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間由圖2.5中的圖2.5關斷時IGBT的電流、電壓波形和兩段組成，而漏極電流的關斷時間=++式中，與之和又稱為存儲時間。2.4.2IGBT柵極特性IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應用中雖然有時保證了柵極驅(qū)動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)動信號，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和，以及發(fā)射極驅(qū)動電路中存在有分布電感，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實際驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負載電路（見圖2.6）得到驗證。圖2.6 IGBT開關等效電路和開通波形在時刻，柵極驅(qū)動電壓開始上升，此時影響柵極電壓上升斜率的主要因素只有和，柵極電壓上升較快。在時刻達到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時開始有2個原因?qū)е虏ㄐ纹x原有的軌跡。首先，發(fā)射極電路中的分布電感上的感應電壓隨著集電極電流的增加而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動電壓，并且降低了柵極－發(fā)射極間的的上升率，減緩了集電極電流的增長。其次，另一個影響柵極驅(qū)動電路電壓的因素是柵極－集電極電容的密勒效應。時刻，集電極電流達到最大值，進而柵極－集電極間電容開始放電，在驅(qū)動電路中增加了的容性電流，使得在驅(qū)動電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動電壓。顯然，柵極驅(qū)動電路的阻抗越低，這種效應越弱，此效應一直維持到時刻，降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時刻后，達到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓的因素消失后，以較快的上升率達到最大值。由圖2.6波形可看出，由于和的存在，在IGBT的實際運行中的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動電壓上升的效應，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應，應使IGBT模塊的和及柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。IGBT關斷時的波形如圖2.7所示。時刻柵極驅(qū)動電壓開始下降，在時刻達到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進入線性工作區(qū)，開始上升，此時，柵極－集電極間電容的密勒效應支配著的上升，因耦合充電作用，在－期間基本不變，在時刻和開始以柵極－發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在時，及均降為零，關斷結束。由圖2.7可看出，由于電容的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應選擇較小的IGBT器件；另一方面應減小驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗，使流入的充電電流增加，加快了的上升速度。圖2.7

IGBT關斷時的波形在實際應用中，IGBT的幅值也影響著飽和導通壓降：增加，飽和導通電壓將減小。由于飽和導通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常為15～18V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關斷時給其柵極－發(fā)射極加一定的負偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。2.5IGBT驅(qū)動電路設計IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件。IGBT的門極驅(qū)動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力及dv/dt等參數(shù)，并決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。因此，在使用IGBT時，最重要的就是要設計好驅(qū)動與保護電路。IGBT對驅(qū)動電路有如下要求。2.5.1柵極驅(qū)動電壓由于IGBT開關速度較高,關斷時很高的di/dt將在分布電感上產(chǎn)生較高的關斷浪涌電壓，其值可能超過IGBT的集射極間耐壓值而造成器件損壞。當增加時，導通狀態(tài)下的集射極電壓減小，開通損耗下降，但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，續(xù)流二極管反向恢復過電壓增大。因此，的選擇應折衷考慮。為保證IGBT在集射極間出現(xiàn)dv/dt噪聲時可靠關斷，關斷時必須在柵極施加負偏壓。特別應當注意，若這個負電壓值太小,集電極電壓變化率dv/dt可能使管子誤導通或不能關斷。2.5.2柵極串聯(lián)電阻及柵射電阻為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極上的電壓尖脈沖，須在柵極串接電阻。但增大會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加；而減小又會使di/dt增加，可能引發(fā)誤導通或損害IGBT。由于IGBT屬于壓控器件，當集射極間加有高電壓時,很容易受外界干擾，使柵射極電壓超過導通時的門檻電壓，引起器件誤導通，尤其是在橋式逆變器中易造成橋臂直通。因此，在設計柵極電阻時要兼顧到這兩個方面的問題，的選擇應根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關頻率來進行，一般取幾歐姆到幾十歐姆。驅(qū)動電路的電源驅(qū)動電路的電源應穩(wěn)定，應有足夠的功率，以滿足柵極對驅(qū)動功率的要求，能提供足夠高的正負柵壓。在大電流應用場合，每個柵極驅(qū)動電路最好都采用獨立的分立絕緣電源。驅(qū)動電路的電源和控制電路的電源應獨立，以減小相互間的干擾。2.5.5IGBT驅(qū)動應用電路IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器[9]。IGBT的驅(qū)動電路如圖2.8所示。PWM信號PWM信號+5V4.7k圖2.8IGBT驅(qū)動電路當IGBT模塊過載（過壓、過流），集電極電壓上升到15V以上時，快恢復隔離二極管截止，M57962L的1腳為15V高電平，則將M57962L的5腳置為低電平，使IGBT截止，同時將8腳置為低電平，使光電藕合器工作，以驅(qū)動外接電路將輸入端13腳置為高電平。1腳和6腳之間的穩(wěn)壓二極管用于防止快恢復隔離二極管擊穿而損壞M57962L。柵極電阻為限流電阻，柵極與射極之間用穩(wěn)壓管組成限幅器，以確保IGBT的基極不被擊穿。在IGBT驅(qū)動電路設計中應注意以下事項[10]：（1）IGBT與

MOSFET都是電壓驅(qū)動，都具有一個

2.5～5V

的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓,有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。（3）驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。（4）驅(qū)動電平+也必須綜合考慮。+增大時，

IGBT

通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的增大，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設備中應選得小些，一般選12～

15V。（5）在關斷過程中，為盡快抽取

PNP管的存儲電荷，須施加一負偏壓,

但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制，一般取1V～10V。（6）在大電感負載下，IGBT的開關時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。（7）由于

IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。（8）IGBT的柵極驅(qū)動電路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，有較強的抗干擾能力。2.6本章小結本章是全文的重點，按照整體－局部的分析思路介紹了系統(tǒng)硬件設計方案，先提出了整體硬件設計框圖，再分塊介紹了逆變主電路，控制電路（包括鍵盤和顯示電路）的功能和工作原理，然后分析了IGBT工作特性，詳細介紹了IGBT驅(qū)動電路的設計要求與應用電路。第3章保護技術電源保護技術是電源設計中相當關鍵的環(huán)節(jié)，本課題研究的逆變電源中，最容易損壞的部件是組成逆變電橋的IGBT，和其他電力電子器件相比，IGBT雖然具有電流容量大，驅(qū)動功率小、開關頻率高等優(yōu)點，但要用好IGBT，使其不受損壞并不容易。IGBT的保護問題是逆變電源能否可靠工作的基礎和關鍵。高頻功率脈沖變壓器是整個電源中十分重要的元件，其主要作用為磁耦合傳遞能量、電氣隔離、電壓變換和阻抗變換等其性能的好壞不僅直接影響到輸出是否產(chǎn)生波形的畸變及能量傳輸?shù)男剩铱赡苡绊懙焦β书_關器件的安全工作。本章將對IGBT保護技術進行敘述，本設計中高頻脈沖變壓器采用電視機高壓包。3.1IGBT的保護IGBT損壞的原因可以歸結為以下3個方面[14]：·過熱損壞，它叉分為由于集電極電流過大引起的瞬時過熱損壞和其它原因引起的持續(xù)過熱損壞；·集電極發(fā)射極間過壓損壞；·柵極過壓損壞。因此IGBT的保護要從以下4個方面著手：·集電極發(fā)射極間過電壓保護；·柵極過電壓保護；·過流保護；·過熱保護。3.1.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護IGBT的集電極發(fā)射極間產(chǎn)生過壓的類型有兩類，即IGBT關斷過壓和續(xù)流二極管反向恢復過壓。安裝緩沖電路是抑制集電極、發(fā)射極間過壓的有效措施。緩沖電路之所以能減小IGBT集電極發(fā)射極間的過壓．是因為它給回路電感提供了泄能回路，降低了回路電感上電流的變化率。3.1.2柵極過電壓保護IGBT的柵極出現(xiàn)過壓的原因有兩個：(1)靜電聚積在柵極電容上引起過壓；(2)密勒效應引起的柵極過壓，柵極過壓保護電路如圖3.1所示。圖3.1柵極過壓保護電路3.1.3過電流保護在逆變電源的負載過大或輸出短路的情況下，會造成IGBT因過流而損壞。在該逆變電源中，采用集中過電流保護與分散過電流保護相結合的過流保護策略，所謂集中過電流保護，就是通過檢測逆變橋輸入直流母線上的電流，當該電流值超過設定的閾值時，封鎖所有橋臂IGBT的驅(qū)動信號；分散過電流保護是通過檢測逆變橋各個橋臂上的電流，當該電流超過設定的閾值時，封鎖該橋臂IGBT的驅(qū)動信號，采取雙重過電流保護使裝置的可靠性大大提高。(1)集中過電流保護電流檢測點放在直流側(cè)，檢測元件采用日本HINODE公司的直測式霍爾效應電流傳感器HAP8－200/4，用以檢測直流側(cè)電壓的瞬時值。HAP8－200/4需要±15V的供電電源，額定電流為±200A，飽和電流在450A以上，額定輸出電壓為±4V，di/dt響應時間在10us以下。在正常情況下，集中過電流保護電路的輸出OC為高電平，一旦直流母線電流超過設定的閾值，比較器LM311的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過R2，C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?，這個低電平的信號將使封鎖電路動作，封鎖逆變橋所有IGBT的驅(qū)動信號。R2C2組成的延遲電路是為防止封鎖電路誤動作而采取的抗干擾措施。OC至OC至圖3.2集中過電流保護框圖(1)分散過電流保護圖3.3所示為分散過電流保護的原理圖。圖3.3分散過流保護電路原理圖我們知道，當柵極驅(qū)動電壓不變時，IGBT的飽和壓降，將隨著集電極電流的增大而增大，與的關系可由如下經(jīng)驗公式表示出來：其中Iced為IGBT的額定電流[12]。因此通過監(jiān)測，就可以判斷IGBT是否過流。在圖2.8中，M57962L通過快恢復二級管Vd1及穩(wěn)壓管來監(jiān)測,當M57962L輸入側(cè)光耦導通后，并且當=+UVd1+UVz超過閾值*后，將開始軟關斷，M57962L的輸出電壓將從正柵壓逐漸下降到負柵壓。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，當Vee=10V,Vcc=15V時，閾值*=9.5V，并且當Vee不變時，Vcc每增加lV，*也將加lV。可以看出，改變穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)壓值可以改變分散過流閾值。在實際裝置中，Vcc=15V，Vee=10V，Vd為ERA34-10，其管壓降為0.5V，UVz=5V，這樣分散過流保護的電流閾值為3倍的額定電流。3.1.4過熱保護 IGBT過熱的原因可能是驅(qū)動波形不好或電流過大或開關頻率太高，也可能由于散熱狀況不良。可以利用溫度傳感器檢測IGBT的散熱器溫度，當超過允許溫度時使主電路停止工作。3.2本章小結本章主要對IGBT保護技術做了詳細介紹，分析了IGBT過壓，過流和過熱產(chǎn)生原因以及解決辦法。第4章系統(tǒng)控制如前所敘，本電源主電路采用了IGBT全橋逆變結構，驅(qū)動電路日本三菱公司專用芯片M57962L實用電路，利用51單片機控制技術軟件實現(xiàn)變頻，變占空比，同時通過鍵盤、顯示實現(xiàn)人機交互。本章將介紹主要芯片使用特性和應用方法。4.1驅(qū)動模塊M57962L介紹4.1.1M57962L M57962L是日本三菱公司開發(fā)生產(chǎn)的可驅(qū)動N溝道IGBT，內(nèi)部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器、過電流保護電路、過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，是一種雙電源驅(qū)動結構；內(nèi)部共摸抑制比高，M57962L驅(qū)動電信號延遲最大為1.5,其驅(qū)動電路外形結構與管腳號見圖3.1，引腳關系見表3.1。[1]圖4.1M57962L表4.1M57962L引腳號特性引腳號特性1集電極電壓監(jiān)測端2延長端3廠家測試415V電源端5輸出驅(qū)動信號6-10V電源端7廠家測試8過流保護輸出端9廠家測試10廠家測試11空腳12空腳13驅(qū)動信號輸入負端14驅(qū)動信號輸入正端注：廠家測試端口不允許外接電路。M57962L的電氣特性參數(shù)(工作的最大額定值)如未有其它說明，一律按T=25℃條件測得，結果見表4.2表4 .2M57962L的電氣特性參數(shù)參數(shù)符號測試條件最大值電源電壓DC（直流）18VDC（直流）-15V輸入電壓17V輸出電壓輸出高電平輸出電流脈沖寬度2f=20kHz-5A脈沖寬度2f=20kHz-5Af=20kHz50%占空比0.5A隔離電壓正弦波電壓60Hz，1分鐘2500V結溫85工作溫度-2060貯存溫度-20100故障輸出電流在8端20mA輸入電壓加在1端50V4.1.2M57962L內(nèi)部組成及其特點圖4.2M57962L內(nèi)部組成原理M57962L內(nèi)部結構方框圖如圖4.2所示。主要特點：（1）高速輸入輸出隔離，絕緣強度高2500VAC／min。（2）輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機控制。（3）內(nèi)部有定時邏輯短路保護電路，同時具有延時保護特性。（4）具有可靠通斷措施(采用雙電源)。（5）驅(qū)動功率大，可以驅(qū)動600A/600V或400A/l200V的IGBT模塊。M57962L驅(qū)動應用電路前面已經(jīng)介紹，根據(jù)IGBT本身的特性，其工作頻高，響應速度快，工作于開關狀態(tài)下其開關損耗大，從而對IGBT的驅(qū)動可靠安全性提出了更高的要求，采用專用驅(qū)動模塊M57962AL能夠驅(qū)動大電流大功率的場合，能實現(xiàn)對IGBT的過流過壓保護，同時所設計的外圍應用電路具有限制基極限流電阻和基射極限幅器，確保了IGBT基極不被燒壞和擊穿。4.1.3輸出電流限制使用M57962L，必須選擇合適的電阻，防止超過極限值（=5A），的選取可以依據(jù)公式當=15V，=-5V時，取值為=(15+5)／5=4但對大功率的IGBT模塊來說，數(shù)值一般按下式計算：這是因為對于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個開關器件都會包含有柵極電阻器，數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75一3之間，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動電路的寄生電感和驅(qū)動器的開關速度來決定，所以獲得的最佳辦法就是在改變時監(jiān)測，當達到最大值時，RG達到極限值[16]。4.1.4驅(qū)動器對電源的要求驅(qū)動器的電源要與驅(qū)動器的輸入驅(qū)動脈沖一側(cè)的控制部分的電源完全隔離開，這一方面是因為驅(qū)動器的電源的地端是與IGB的發(fā)射極接在一起的，而發(fā)射極的電位接在高壓端，是不斷變化的；另一方面是為了清除地線回路的噪聲問題。在帶有幾個隔離電源的電路系統(tǒng)中，內(nèi)部電源的電容容量必須降低到一定額度，以避免相互耦合而產(chǎn)生的共態(tài)噪聲。對于三菱公司生產(chǎn)的M57957L—M57962L系列的IGBT驅(qū)動器，推薦的電源配置如圖3.3所示。圖4.3電源配置這兩個電源給IGBT提供了工作時的正負偏壓，通常對電源的要求為±10%之內(nèi)可調(diào)，而驅(qū)動器的電源端應連接有鉭或鋁電解去耦電容，他們的主要作用就是提供IGBT柵極所需的高脈沖電流，對于絕大部分的電路，電容器的容量為47即可。4.2AT89C51單片機簡介[8]

AT89C是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖4.４51系列單片機引腳圖4.2.1主要特性·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán),數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32根可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路4.2.2管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管腳 備選功能P3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口）P3.2/INT0 （外部中斷0）P3.3/INT1 （外部中斷1）P3.4T0 （記時器0外部輸入）P3.5T1 （記時器1外部輸入）P3.6/WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.2.3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4.2.4芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。4.3單片機模擬PWM信號的輸出PWM(PulseWidthModulation)即脈沖寬度調(diào)制,它通過控制信號去調(diào)制方波脈沖的寬度,從而獲得控制的實現(xiàn)。產(chǎn)生PWM信號可以由硬件方法和軟件方法實現(xiàn)。傳統(tǒng)的硬件模擬方法是把調(diào)制信號和載波(一般是三角波)同時接入運算放大器的兩個輸入端作比較而得到。而軟件的實現(xiàn),特別是基于單片機的軟件實現(xiàn)方法,主要是利用其內(nèi)部提供的定時器,通過改變定時器的定時初值獲得不同的脈沖持續(xù)時間,如果把系統(tǒng)的控制信號和定時器的定時初值線性對應起來,就可獲得控制信號對脈寬調(diào)制的PWM信號[11]。控制信號的種類不同,采用不同的計算方法,又可以獲得不同的PWM.本系統(tǒng)要求單片機產(chǎn)生兩路倒相方波輸出來實現(xiàn)對IGBT橋臂通斷的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設計是產(chǎn)生默認周期為1ms（即頻率為1KHz信號）；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。TPWM2TPWM2PWM1600us死區(qū)2us導通關斷1ms圖4.５缺省時兩列反相PWM脈沖示意圖P1.0輸出PWM1,P1.1輸出PWM2。4.4顯示、鍵盤電路顯示電路如圖4.6所示。該顯示電路采用了4位LED數(shù)碼顯示管，分別實時顯示輸出電壓占空比和頻率。段碼輸入段碼輸入位選圖4.６LED顯示電路在此電路中，把輸出交流電實時頻率和占空比通過4位LED數(shù)碼管顯示出來，此連接方式用于動態(tài)顯示，要顯示的數(shù)字所對應的字形碼通過單片機I/O口從段碼輸入端送出，位選端在同一時刻只有1位輸出端為低電平，其他3位輸出全為高電平，為低電平的對應的數(shù)碼管選中，因此作為數(shù)碼管顯示時的位選信號。系統(tǒng)在工作時，段碼輸入端每次輸出一個字形碼，同時控制位選端的電平狀態(tài)，即使得要顯示的對應位數(shù)碼管共陰極端依次為低電平，即依次選中要顯示的位，完成整個顯示電路的動態(tài)掃描，依此掃描4次，完成4位數(shù)據(jù)（占空比和頻率）的顯示。鍵盤電路如圖4.7所示：D+D+D-89C51I/0接口&+5V圖4.7鍵盤接口電路根據(jù)電源的功能需要，設置了2個按鍵:占空比增大(D+),占空比減?。―-）。用外中斷INT0作為鍵盤的輸入口，P0口是多功能口，并且只能作為輸入口。當沒有按鍵時，INT0為高電平，當有按鍵按下時，相應位變?yōu)榈碗娖?，由軟件識別相應的按鍵并進入相應的中斷服務程序以實現(xiàn)變占空比。4.5保護電路設計 保護電路用于當電源出現(xiàn)異常情況時保護設備及電源本身的安全。該電源中的保護電路有兩種，一是過流，短路，過熱，欠壓保護，一是過載保護。過流，短路，過熱，欠壓保護電路如圖4.8所示：至至+5V138M57962LPWM信號+5V4.7k光耦圖4.8保護電路原理示意圖基本原理如下:當電路中出現(xiàn)過流，過熱，短路，欠壓等情況時，M57962L第8腳輸出一故障信號，該故障信號通過光耦隔離后驅(qū)動外接電路將輸入端13腳置為高電平確保IGBT處于關斷狀態(tài)。同時向CPU外中斷1發(fā)出中斷信號，CPU執(zhí)行相應的中斷處理程序，指示故障類型，等待處理。NYNNYY開始NYNNYY開始短路檢測短路否啟動門關斷電路啟動定時器輸出誤差信號定時結束否輸入信號為高復位1~2ms圖4.9 驅(qū)動模塊M57962保護工作流程4.7本章小結本章先簡要介紹了驅(qū)動模塊M57962L和控制芯片AT89C51的使用特性，重點論述了單片機PWM信號發(fā)生技術，然后分別給出了硬件電路中的鍵盤顯示電路和保護電路及驅(qū)動模塊M57962L的保護工作流程使整個系統(tǒng)的硬件設計趨于完整。第5章印制電路板布線流程與PCB設計的基本原則[16]本章主要講述印制電路板（PCB）設計中非常重要的兩個內(nèi)容，這將為后面進行PCB設計準備基礎知識。5.1印制電路板布線流程印制電路板設計的一般步驟如下：（1）繪制電路圖。這是電路板設計的先期工作，主要是完成電路原理圖的繪制，包括生成網(wǎng)絡表。當然，有時也可以不進行原理圖的繪制，而直接進入PCB設計系統(tǒng)。（2）規(guī)劃電路板。在繪制印制電路板之前，用戶要對電路板有一個初步的規(guī)劃，比如說電路采用多大的物理尺寸，采用幾層電路板（單面板還是雙面板），各元器件采用何種封裝形式及其安裝位置等。（3）設置參數(shù)。參數(shù)的設置是電路板設計的非常重要的步驟。設置參數(shù)主要是設置元器件的布置參數(shù)、層參數(shù)、布線參數(shù)等等。一般來說，有些參數(shù)用其默認值即可，有些參數(shù)在使用過Protel99SE以后，即第一次設置后，幾乎無需修改。（4）裝入網(wǎng)絡表及元器件封裝。網(wǎng)絡表是電路板自動布線的靈魂，也是電路原理圖設計系統(tǒng)與印制電路板設計系統(tǒng)的接口。因此這一步也是非常重要的環(huán)節(jié)。只有將網(wǎng)絡表裝入之后，才可能完成對電路板的自動布線。元器件的封裝就是元器件的外形，對于每個裝入的元器件必須有相應的外形封裝，才能保證電路板布線的順利進行。（5）元器件的布局。元器件的布局可以讓Protel99SE自動布局，也可以手動布局。元器件的布局合理，才能進行下一步的布線工作。（6）自動布線。Protel99SE采用世界上最先進的無網(wǎng)絡、基于形狀的對角線自動布線技術。只要將有關的參數(shù)設置得當，元器件的布局合理，自動布線的成功率幾乎是100%。（7）手工調(diào)整。自動布線結束后如有不滿意的地方可以進行手工調(diào)整。（8）文件保存及輸出。5.2PCB設計的基本原則PCB設計的好壞對電路板抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB設計時，必須遵守PCB設計的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導線的布設是很重要的。為了設計質(zhì)量好、造價低的PCB，應遵循下面講述的一般原則。5.2.1布局首先，要考慮PCB的尺寸大小。PCB尺寸過大時，印刷線路長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。在確定特殊元器件的位置時要遵守以下原則：（1）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨的太近，輸入和輸出元器件應盡量遠離。（2）某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶強電的元器件應盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。（3）重量超過15g的元器件，應當用支架加以固定，然后焊接。（4）對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關等可調(diào)元器件的布局應考慮整機的要求。（5）應留出印刷板的定位孔和固定支架所占用的位置。5.2.2布線布線的方法以及其結果對PCB的性能影響也很大，一般布線要遵循以下原則：（1）輸入和輸出端的導線應盡量避免相鄰平行。最好添加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。（2）印制板導線拐彎一般取圓弧形，而直角或銳角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用柵格狀，這樣利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。5.3本章小結PCB板的制作是本設計中必不可少的部分，本章著重敘述了印制電路板布線流程和PCB設計的基本原則，為使電子電路達到最佳性能提供了基礎和規(guī)范的前提。第6章電路調(diào)試與分析在電子電路設計中，電子電路調(diào)試包括測試和調(diào)整兩個方面。調(diào)試的意義是：通過調(diào)試使電子電路達到規(guī)定的指標；通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)設計中存在的缺陷予以糾正。6.1電路調(diào)試電路的調(diào)試包括電路的測試和調(diào)整兩個方面。測試是對已經(jīng)安裝完成的電路進行參數(shù)及工作狀態(tài)的測量，調(diào)整是在測量的基礎上對電路元器件的參數(shù)進行必要的修正，使電路的各項性能指標達到設計要求。對電路的調(diào)試我們是通過分塊調(diào)試法和統(tǒng)一調(diào)試法進行的。分塊調(diào)試就是各級電路分別調(diào)試，我們設計的電路是由若干級電路組成，逐級對各級電路進行調(diào)試。在各級電路調(diào)試好后，進行級連調(diào)試，其中有多次反復，最終才完成整調(diào)。詳細過程如下：（1）通電前檢查電路安裝好后，在沒有接通電源的情況下，我們對電路進行認真細致的檢查，以便發(fā)現(xiàn)并糾正電路在安裝過程中的疏漏和錯誤，避免在電路通電后發(fā)生不必要的故障，甚至損壞元器件。檢查電路中每個元器件的型號和參數(shù)是否符合設計要求，這時可對照原理圖或裝配圖逐一進行檢查。在檢查時還注意各元器件引腳之間有無短路，連接處的接觸是否良好。特別是注意集成片的方向和引腳、三極管管腳、二極管的方向和電解電容器的極性等是否接對。電路連線的錯誤是造成電路故障的主要原因之一。通電前必須檢查所有連線是否正確，包括錯線、多線和少線等。查線過程中我們還注意了各連線的接觸點是否良好，在有焊點的地方應檢查焊點是否牢固。在檢查電源的接線時，先查看電源線的正負極性是否接對。然后用萬用表的檔測量電源線進線之間的電線有無短路現(xiàn)象，再用萬用表的歐姆檔檢查兩進線之間有無開路現(xiàn)象。在檢查到電源進線之間有短路或開路現(xiàn)象時，不能接通電源，必須在排除故障后才能通電。（2）通電檢查通電前檢查無誤后，根據(jù)設計要求，將電壓相符的電源接入電路。電源接通后不應急于測量數(shù)據(jù)或觀察結果，而應首先觀察電路中有無異常現(xiàn)象。如有無冒煙，是否聞到異常氣味，也可用手摸器件有無異常的發(fā)熱現(xiàn)象，電源是否有短路現(xiàn)象等。如果出現(xiàn)這些異常現(xiàn)象，則立即關斷電源，重新檢查電路并找出原因，待故障排除后方可重新接通電源。（3）靜態(tài)調(diào)試靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號，或只加固定的電平信號的條件下所進行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，通過和理論估算值比較，結合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設計要求。（4）動態(tài)調(diào)試動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎上進行的，在電路的輸入端加入合適的信號，按信號的流向，順序檢測各測試點的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應分析其原因，并排除故障，再進行調(diào)試，直到滿足要求。6.2硬件的可靠性分析與待完善發(fā)展技術采用各種電子元器件進行系統(tǒng)或整機線路設計時，不僅必須考慮如何實現(xiàn)規(guī)定的功能，而且應該考慮采用何種設計方案才能充分發(fā)揮元器件固有可靠性的潛力，提高系統(tǒng)或整機的可靠性水平。6.2.1可靠性分析每個集成電路的電源輸入端接0.01μF~0.1μF左右的去藕電容以減小電源電壓波動帶來的噪聲。用四個獨立的隔離電源分別給M57962L供電，用一個單獨的隔離電源給單片機供電，用以減小接地回路噪聲。光禍合器的輸出腳和驅(qū)動模塊的輸入腳間在PCB上的走線應盡量短(最大2到3厘米)。長的走線容易拾取電路其他部分的噪聲。還要注意PCB布線不應增加光禍合器初級到次級的電容。控制系統(tǒng)中數(shù)字地和模擬地須分別接地然后僅在一點處把兩種地連起來，否則，數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會對模擬信號產(chǎn)生影響。TTL,CMOS器件的地線呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形.旁路電容的地線不要太長。散熱性要好，系統(tǒng)中功率模塊發(fā)熱最大，其次是濾波電感。對它們的散熱措施是加裝散熱片和風扇。電感、變壓器的安裝不能太靠近機殼，以免由于電磁感應引起地電位的變化。6.2.2電源設計中的電磁兼容性問題電磁兼容性（EMC）是指電子系統(tǒng)及其元部件在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進行工作的能力。EMC設計的目的是既能抑制各種外來的干擾，使電路和設備在規(guī)定的電磁環(huán)境中能正常工作，同時又能減少其本身對其它設備的電磁干擾。（1）電源對電網(wǎng)傳導的騷擾與抑制騷擾來源：①非線性流。②初級電路中功率晶體管外殼與散熱器之間的容光煥發(fā)性耦合在電源輸入端產(chǎn)生的傳導共模噪聲。抑制方法：①對開關電壓波形進行“修整”。②在晶體管與散熱器之間加裝帶屏蔽層的絕緣墊片。③在市電輸入電路中加接電源濾波器。（2）開關電源的輻射騷擾與抑制注意輻射騷擾與抑制