IGBT驱动电路的设计(周豪)

.摘 要 近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传领域的一个重要课题,随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。本文对变频调速理论，逆变技术，几种PWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化变压变频调速系统，以8051控制专用集成芯片为核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用TLP250构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。本文在控制上采用恒f/V控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。关键词：变压变频；8051；IGBT；恒f/VAbstract In recent years, research has AC Motor and related technologies bee an important topic in the field of modern electrical transmission, along with the development of new power electronic devices and microprocessor as well as the launch of AC motor control theory, AC variable speed technology will also made great progress. In this paper, the theory of frequency control, inverter technology, several PWM generation principle were studied based on this design of a new digital variable voltage variable frequency control system, in order to control specific integrated chip 8051 core, using IGBT as the main power devices, while using the IGBT driving circuit constituted TLP250, a rectifying circuit using a diode, allows the power factor close to 1, and only part of the power level controlled, the circuit configuration is relatively simple.In this paper, the constant f / V control in the control, while the software program enables changing the input parameters and the operating mode is extremely easy to drive, the new integrated elements also makes use of its short development cycle.Key words:VVVF; 8051; IGBT; constant f / V目 录摘要.Abstract.1.设计任务和要求.11.1要求.11.2设计容.12.变压变频调速系统组成及分析.3 2.1主电路与驱动电路.32.2信号采集与故障综合电路.4 2.3微机数字控制电路.42.4控制软件.43. 控制电路设计.5 3.1控制电路原理图及分析.5 3.2 驱动电路设计.5 3.3几种PWM控制方式的实现方法.74.实验总结.105.成绩评定.116.答辩记录.12参考文献.13附录:六路pwm信号控制下的IGBT驱动电路-.1设计任务与要求1.1要求设计一个变压变频调速系统，系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等，且根据交流异步电动机的容量采用由三相二极管整流桥、电容滤波、基于全控型开关器件IGBT或MOSFET的三相PWM逆变桥构成的主电路给异步电动机供电。：1异步电动机：额定容量PN =3KW，额定电压UN =380V，额定电流IN =6.9A，额定转速为nN =1400 r/min，额定频率fN =50Hz，定子绕组Y联接。由实验测得定子电阻Rs =1.85，转子电阻Rr =2.658，定子自感Ls =0.294H，转子自感Lr =0.2898H，定、转子互感Lm =0.2838H，转子参数已折算到定子侧，系统转动惯量J =0.1284kg.m2。2变频电源主要技术指标：1输入电压额定值：三相、380VAC、50Hz，2效率：80%以上，3额定输出容量：4KVA或250VA，4额定输出电压：三相、380VAC，5输出频率：5400Hz，6控制方式：开环恒压频比控制方式/转速闭环转差频率控制方式，CFPWM、SPWM、SVPWM脉冲产生方式。1.2设计容1系统理论分析2系统总体结构设计3主电路设计4系统仿真分析利用Matlab/Simulink建立转速开环变压变频调速系统和转速闭环转差频率控制变压变频调速系统的仿真模型；对系统在电流跟踪式PWM、自然采样SPWM、规那么采样PWM、SVPWM控制方式下，加与不加给定积分器的条件下，对变频器的输出电压和电流波形、电机的转速和转矩波形等进行仿真分析。（5） 系统控制电路设计1单片机51单片机或DSP数字控制电路设计2电压2路交流电压、1路直流电压采样电路3电流2路交流电压、1路直流电流采样电路4电网交流电压同步信号检测电路5控制系统辅助供电电源电路6PWM控制脉冲产生、光电隔离放大电路及驱动电路7过流、过压、过温保护电路和泵升电压限制电路8逻辑保护电路设计4系统软件设计 1系统总体设计 2主程序设计3转速开环恒压频比控制软件设计4M法、T法、M/T法& b# H, i e$ ayG; j1 .thedaxue.测速程序5转速PI控制算法程序6电压和电流采样程序& I( B0 Z! W0 |7电流滞环控制程序8键盘与显示程序9过流、过压、过热故障检测与保护中断服务程序10上位机监控软件设计5用Proteus软件进行系统软硬件仿真测试2. 变压变频调速系统组成原理图2-1 变频器-异步电动机调速系统硬件结构图由图2-1可知，主电路部分380V的工频交流电经过进线电抗器进入到整流桥，至此交流电被整为直流电，经过大电容滤波，滤去一些高频谐波， 再经过由IGBT组成的全控型逆变电路，整成直流，再进行一级滤波电路，供给异步电动机。控制电路部分由51单片机组成的核心部分对主电路实行控制，其中包括ADC/DAC、采样电路、同步信号检测电路、各种保护电路、驱动电路以及基本的单片机外围电路。本系统的控制方式有CFPWM、SPWM、SVPWM等，由51单片机编程实现，进而控制驱动电路来实现IGBT的通断，最后对异步电送机实现变压变频调速。详细的各部分介绍如下：2.1主电路与驱动电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻或电抗。T7和R3为泵升电压限制电路，由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流通路，因此除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压通称泵升电压升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。驱动电路的作用是将微机控制电路产生的PWM信号经功率放大后，控制电力电子器件的开通或关断，起到弱电控制强电的作用。2.2信号采集与故障综合电路 电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换电路，输入给CPU作为控制算法的依据，并同时用作显示和故障保护。2.3微机数字控制电路 现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。PWM信号可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。2.4控制软件控制软件是系统的核心，除了PWM生成、给定积分和压频控制等主要功能软件外，还包括信号采集、故障综合及分析、键盘及给定电位器输入、显示和通信等辅助功能软件。现代通用变频器功能强大，可设定或修改的参数达数百个，有多组压频比曲线可供选择，除了常用带低频补偿的恒压频比控制外，还有带S型或二次型曲线的，或具有多段加、减速功能，每段的上升或下降斜率均可分别设定，还具有摆频、频率跟踪及逻辑控制和PI控制等功能，以满足不同用户的需求。3.控制电路设计3.1控制电路原理图及分析图3-1 IGBT驱动电路原理图本系统中对逆变部分的控制采用以51单片机为核心的数字控制方式，由51单片机产生的PWM信号控制IGBT的导通与关断，但是51单片机输出的电压和电流较小，不满足驱动IGBT的最小要求，因此需要专门的IGBT驱动电路。IGBT的驱动电路如下列图所示。单片机从PWM1引脚发出PWM信号，输入TLP250，然后，TLP250从G1和E1输出IGBT的驱动信号，G1和E1分别接到IGBT的栅极和发射极。为了使IGBT可以加速关断速度，使系统运行更加可靠，当IGBT关断时，使栅极和发射极之间为负电压。在电路中，采用6V的稳压管2CW7C，供电电压为15V。当前端输入导通时，栅极和发射极之间产生9V电压，驱动IGBT导通；当前端输入关断时，栅极和发射极之间产生负6V的电压，加快了IGBT的关断，保证了系统的可靠运行。3.2 驱动电路设计（1） 光耦隔离的选型 在本设计中，IGBT的驱动采用了东芝公司的TLP250芯片。TLP250前端最小导通电流为5mA，供电电压为1035V，输出电流可达1.5A，隔离电压可达2500V，额定工作频率为25KHZ。并且外围电路简单，工作稳定可靠。 TLP250是8脚DIP封装，适用于栅极驱动的IGBT管和大功率MOSFET管输入阈值电流: IF=5mA(最大)电源电流(ICC): 11mA(最大)电源电压(VCC): 1035V输出电流(IO): 2.0A(最大)开关转换时间(tpLH/tpHL) : 0.5s(最大)隔离电压: 2500Vrms123456781234图3-2 管脚排列(俯视图) 1:空置 5:地4 2:正极 6:电压输出 3:负极 7:电压输出 4:空置 8:电源注：用一个0.1F瓷电容应该连接在8脚和5脚之间来获得稳定的放大增益。. 错误的走线绕线可能会 削弱开关的性能。电容和耦合器之间的总长度不能超过 1cm。（2） 稳压管及其它元器件选型 稳压管2CW7C的稳定电压为56.5V，最大稳定电流为38mA，低压侧电阻R1为820，当3“脚输入低电平时，导通电流约为6.1mA，满足5mA，还留有一定的裕量；当3“脚输入高电平时，此时电流为0.4mA，不满足最小导通电流；高压侧电阻为2，TLP250输出最大电流为1.5A，G1极最小电压为12V，与E1形成压差为正，能够较快的驱动IGBT导通；原理图中0.1uf的电容起滤波作用，一个对地端滤波，一个对供电侧滤波，以便获得稳定的放大增益。（3） 控制规律当TLP“3脚输出高电平时，前端关断，此时栅极G1与集电极E1之间压差为负，IGBT关断，当TLP“3脚输出低电平时，前端导通，此时栅极G1与集电极E1之间压差为正，IGBT导通。本系统中涉及到CFPWM、SPWM、SVPWM三种方式的控制，控制规律以上已给出。（4） IGBT驱动电路在本系统中的应用在本系统中，IGBT驱动电路还在逻辑保护电路中应用到，即过流，过压，欠压，过热信号经过与或非逻辑门电路后，输出高低电平来封锁6个IGBT，使异步电动机停车，实现保护功能。3.3几种PWM控制方式的实现方法（1） CFPWM控制的基本思路设比较器的滞环宽度为h，当输出电流ia比给定电流i*a大时，且误差大于0.5h时，滞环比较器输出负电平，驱动开关器件VT1关断，VT4导通，使实际电流减小。当减小到与给定电流相等时，滞环比较器仍保持负电平输出，VT1保持关断，实际电流继续减小，直到误差大于0.5h时，滞环控制器翻转，输出正电平信号，开关器件VT1导通，VT2关断，使实际电流增大，一直增大到带宽的上限。以上过程重复进行，这样交替工作，实际电流与给定电流的偏差保持在-0.5h+0.5h之间，并在给定电流上下作锯齿状变化，达到跟踪电流的目的。（2） SPWM控制的基本思路硬件调制法:硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。软件生成法：由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法：即自然采样法和规那么采样法. 自然采样法：以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。规那么采样法：规那么采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)的位置是对称的，这种方法称为对称规那么采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规那么采样。 规那么采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规那么采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制围较小。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中。低次谐波消去法：低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u(t)=ansinnt,首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。（3） SVPWM控制的基本思路 是利用逆变器的功率开关器件的不同开关组合合成有效电压矢量来逼近基准圆，普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来同一个桥臂的上下半桥的信号相反共有8种安全的开关状态. 其中000、111这里是表示三个上桥臂的开关状态这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流。因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度的任何矢量。 当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这两个基本矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。用电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量。从而保证生成电压波形近似于正弦波。三种控制方式的具体算法见算法。4.实验总结本次作为硬件组的小组长之一，负责系统的控制电路部分，参与设计了单片机外围电路、采样电路、同步信号检测电路、保护电路的设计并主导设计了光耦隔离及驱动电路。通过这次的设计，提高了自己的全局意识，从系统整体的把控到各个环节的落实及细节的琢磨都有了尝试，与此同时，本次设计也遇到了诸多的问题：1由于程序部分基础薄弱，导致对系统的核心实现部分没有宏观的把控，以至于刚开始陷入了很多误区，比如PWM的产生，在以往的经历中，有用硬件实现PWM的实例，正是因为这样，才导致一开始拘泥于PWM的产生用怎样的硬件产生？使整个的进度都比骄慢，后来查阅了一些论文和相关的资料，了解到三种PWM的产生方式。2交流采样和直流采样的区别：在先前的接触到的直流采样直接是由采样电路采样就行了，不用其他一些附加的电路，在本系统中因为涉及到交流的采样，我们知道输出波是正弦波，怎样才能采出一个完整的正弦波波形，如果信号不同步即相位，幅值那么很难判断系统的运行状态，所以需要添加一个同步信号采样电路，当然本系统中我们采用的是硬件电路实现同步信号监测，从而辅助我们得到一个有效的正弦波形。 总而言之，本次的收获还是比较大，在今后的学习中，我还要多注重软硬结合，争取能够更全面的去理解一个系统。5.成绩评定：指导教师评语：指导教师签字： 年 月 日项目评价项目评价调查论证工作量、工作态度实践能力分析、解决问题能力质量创新得分设计80%总评答辩20%6.答辩记录： 年 月 日参考文献1伯时,阮毅.电力拖动自动控制系统运动控制系统第四版M.:机械工业 2康华光.电子技术基础模拟部分第五版M.:高等教育3王兆安,进军.电力电子技术第五版M.:机械工业 4洪圳.蓄电池组智能在线监测与活化系统研制D.:工程大学 5任宝华.基于DSP的异步电动机变频调速系统与控制算法研究J 6承慧,纳新,珂.交流电机变频调速及其应用M.:机械工业 -