智能化逆变电源研制及其SPWM波软件生成.doc

智能化逆变电源研制及其SPWM波软件生成摘要：介绍了一种基于微处理器的中小功率逆变电源系统，讨论了系统的硬件、软件设计和正弦脉宽调制(SPWM)波的生成和输出稳压方案的设计，提出了一种软件实现SPWM波的新方法.实验数据表明，该系统具有良好的稳压性能和很小的波形失真，说明该设计是有效的.关键词：逆变电源；不间断电源；正弦脉宽调制；稳压分类号：TM 91；TM 464文献标识码：A 文章编号：1006-2467(2000)02-0273-03Development of Intelligent Inverter Supply and Generation of SPWM Wave by SoftwareTAN Zheng-huaHU Guang-ruiREN Xiao-lin（Dept. of Electronic Eng., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, China）Abstract：The paper introduced an inverter supply system realized by singlechip processor and discussed the design of hardware and software, espe cially the generation of SPWM wave and the design of voltage-stabilizing scheme . Furthermore it put forward a sort of new method realizing SPWM wave by softwar e. The experimental results show that the system has well performances in stabil ivolt and very minor wave distortion, and therefore, this design is effective.Key words：inverter supply; uninterruptable power system (UPS); s inusoidal pulse width modulation (SPWM); voltage-stabilizing逆变电源广泛地应用于各行各业，不间断电源(UPS)更是对计算机系统不间断地安全运行起 着至关重要的作用1.控制方式是其核心技术之一，主流方法是采用正弦脉宽调制(SPWM)控制.一般地，SPWM波形是利用较高频率的三角波与较低频率的正弦波相比较而得到的1，2，但其电路复杂，调试困难，而随着微处理器性价比的不断提高，逆变电源已进入了智能化阶段.智能化逆变电源除了利用计算机实现基本功能外，还能够：(1) 进行在线监控，自动显示运行参数；(2) 进行故障自诊断，具有自动的过流、过压、短路保护功能；(3) 实现网络化监控管理等.本文将最新单片机技术与SPWM技术相结合，设计了一种用软件产生SPWM波的方法，并通过改变调制深度(即采用不同的脉宽组)实现了良好的稳压控制.在此基础上，结合功率器件IGBT高速大电流的特点研制出超音频调制频率的逆变电源.系统能够进行自检测，具有过流、过压、过热和短路保护(报警并停止输出SPWM波)等功能，自动稳压性能好、输出波形失真小.另外，利用PIC单片机良好的串行通信能力，采用RS485接口标准与上位机通信，利用上位机对逆变电源进行监测，自动实现各种状态转换，显示各种参数，使逆变电源实现网络化监控.1系统的硬件设计逆变电源研制的核心是SPWM波的生成，智能化的逆变电源利用高速单片机通过软件来实现. 采用的PIC系列单片机是由美国Microchip公司推出的，业内首次采用RISC结构的高性价比嵌 入式控制器，其总线结构采取数据总线和指令线分离的哈佛(Harvard)结构，具有很高的流 水处理速度，故其优秀的性能近年来获得越来越广泛的应用.其中PIC16C73内含4 K程序存储 器、5路A/D及2路PWM波发生器，使其外围电路极其简单，是理想的单相逆变电源数字控制器 .系统硬件框图如图1所示.图1智能化逆变电源的系统硬件框图Fig.1The hardware diagram of intelligent inverter supply在智能化逆变电源中，单片机对整个电源系统进行控制.首先，软件产生两个相位相差180的SPWM波形，分别由两个脉宽调制(PWM)口输出(见图2).PWM1、PWM2各经两路高速光耦隔离输出四路控制信号，再由驱动电路转换为18 V的PWM波去驱动4只IGBT.IGBT既具备功率器件MOSFET的电压驱动和超高速开关特性，又具有双极性晶体管的大电流开关特性，是当今主流的大功率高速开关器件之一.图2两个相位相差180的SPWM波形Fig.2Two SPWM waves with 180 phase difference因为SPWM波调制的逆变电源是采用输入DC的电压值固定，而通过脉宽随正弦规律变化的SPWM 波控制功率开关器件的导通与截止来实现交流输出的，较之于小功率不间断电源(UPS)采用正弦波放大的方法具有效率高、体积小等一系列优点，但同时对驱动电路和开关器件也提出了较高的要求.例如10 kHz三角波调制50 Hz正弦(调制比为200)，PWM波周期为100 s，调制深度为1时，最宽的脉冲为100 s，而最窄的脉冲为100 ssin(1/2360/200) =1.57s，所以10 kHz调制却要求电源达到600 kHz的响应速度.当考虑稳压时将增加调制深度，从而使脉宽更窄.设计中采用超音频调制波(1620 kHz)，从而SPWM脉冲波的第一组谐波中心向高频端迁移，远离基波频率，使得输出滤波网络得以小型轻量化，且只有很小的噪声，动态品质也得以改善2.调制频率越高，所需的滤波电容、电感就越小，但驱 动脉宽也越窄.为适应高频的要求，采用高速光耦，光耦输出送至驱动电路，驱动部分采用 类似EXB841的结构，具有放大、过流保护等功能，是驱动IGBT的理想电路.利用单片机内置的A/D输入口进行输入电流、电压和输出电流采样，从而实现稳压、过流过 压保护，并具有温度采样以控制风扇，调整机内温度以免整机过热.另外，利用PIC单片机串行通信接口(SCI)模块，依据RS485接口标准与上位机通信，使逆变电源可实现网络化监控. 2系统的软件设计当今电源要求的是高质量的稳压、稳频、无干扰和波形失真度小的“全天候”正弦波供电系 统，而其核心是SPWM波的生成和稳压方案的设计，这是逆变电源的基础，也是程序设计的主要部分.SPWM法是采用脉冲宽度和脉冲之间的间隔均不同的一组脉冲来等效正弦波3，4. 其基本思想是能量等效法，即在一定的时间间隔内SPWM波的能量等效于正弦波所包含的能量.由脉宽数据到SPWM波的输出可参照三角波和正弦波比较而获得SPWM波的方法主要有四种：非对称自然采样、对称采样、两次采样和中值采样.相应地由单片机来实现，误差小的难度大、难度小的误差大，这里设计一种生成SPWM波的新方法，易于程序生成、误差较小，实验表明效果很好.如图3所示，将(0，180)区间内的正弦波分成十等份，每份为18，即区间中点的正弦值为参考，决定SPWM的脉宽.如第一个脉冲的宽度W1=dTsin(182) ，第二个脉冲的宽度W2=dTsin(18+182).其中：d为调制深度；T=1010=1 ms(50 Hz正弦，半个周期为10 ms，再10等份)，即每等份的时长，也是SPWM周 期.程序实现SPWM波时是采用定时器设定周期，在每个周期内由PWM发生器发出一个脉 冲.由图3可知，脉冲并不是在每个周期开始便发出的，这给编程带来一定的困难.为此，程 序采用脉宽固定、周期改变的方式.设第n个和第n-1个脉冲宽度分别为Wn和Wn-1， 若每次均由该脉冲上升沿至下一个脉冲的上升沿计为该脉冲PWM周期，则前后周期长度的差别为(Wn-Wn-1)/2，即该脉冲PWM周期为T-(Wn-Wn-1)/2.PIC16C 73具有两个捕捉/比较/脉宽调制(CCP)模块，在脉宽调制模式下，可输出高达10位的脉宽调制波形，脉宽置入CCPRIL寄存器及CCPICON54,PWM输出周期则由TMR2的周期寄存器PR2决定.因而在编程时只需按上述方式改变SPWM周期(即定时器2寄存器PR2的值)，而脉宽仍按表中查得的实际值，即可得图2中的SPWM波.图3SPWM调制波与正弦波对照Fig.3Contrast between SPWM wave and sinusoidal wave系统采用16 MHz晶振，指令周期为250ns，最小预分频时的最大PWM周期为64s，而对于6 0 Hz的正弦波，调制频率为18 kHz的三角波周期为55.6s，因而正好合适.这时的频率调制比N=18 000/60=300，采用高调制频率可以减小主回路的滤波电容、电感值，从而减小整机的体积和质量.SPWM波的第n个脉冲宽度值：其中：n=1,2,，75；f为三角调制波频率.由于PIC系列单片机采用精简指令集，不利于数值计算，但它有多条专为查表而设置的指令，因而采用离线计算(C语言编程)、在线查表取数的方法生成SPWM波.因为PWM波的正负半周对称，所以可取180内的脉宽值，而在180范围内前后90的脉宽值又互为对称，实际只需计算90范围内的300/4=75个脉宽值即可.这样数据存储量减小为1/4，大大节省了存储空间.输出交流的稳压功能也是通过程序查表取得不同的脉宽组而实现的，所以要达到良好的稳压 效果必须存储大量的脉宽数据组，但单片机的EPROM空间是有限的，因而程序中采取了一些技巧.即按1%的电压调整率存储25组数据(Wn:W76W100).再按25% 的调整率存储3组数据(W25，W50，W75)，从而可实现从1%100%的 以1%为电压调整率的全范围的稳压.计算如下：76%100%：W=Wn51%75%：W=Wn-W2526%50%：W=Wn-W501%25%：W=Wn-W75利用有限的存储空间实现各种调制深度，如果需要还可以将电压调 整率提高0.5%或0.25%等.为了适应输入电压和负载的上下变化，让逆变电源在额定工作状态时，调制深度设置为80%即可.3实验结果及结论依据上面的分析，设计出0.57.5 kW的系列电源，均取得良好的效果.在额定输出功率P的5%95%范围内，输出正弦波形失真度小于5%(凭人的视觉感觉不到失真)，完全空载和满负荷时有一定的失真，整机稳压度可达到2%，测试数据表明所进行的研究是有效的.作者简介：谭政华(1969)，男，讲师.作者单位：谭政华（上海交通大学 电子工程系，上海 200030）胡光锐（上海交通大学 电子工程系，上海 200030）任晓林（上海交通大学 电子工程系，上海 200030）参考文献：1刘树林，刘健， 严百平.单相逆变器SPWM控制的新方法J.电力电子技术，1998，32(4)：9698.2吴保芳，罗文杰，姚国顺，等.通用型IGBT变频电源的研制J.电力电子技术，19 98，32(4)：5154.3佟为明.变频电源谐波的分析与抑制J.电工技术杂志，199 7(5)：1214.4Peeran S M,Cascadden C W P.Application,design and specification of harmon ic filters for variable frequency drivesJ.IEEE Trans on Industry Application s,1995,31(4),841847机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发袁海.等机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发Design and Development of Mechatronics Ultrasonic Tealeaves Cleaning Machine衰 海 I 志 薪(上海交通大学电气工程系，上海200030)摘要:介绍了一种基于PIC单片机控制的超声波茶青清洗设备，给出了系统及结构的设计、单片机控制电路和功率放大电路的设计，并较详细地阐述了几种换能器的性能比较和控制器的工作原理及结构，使其具有(超声波加气泡发生器)的恒功率清洗功能，满足了茶青表面杂质清洗及去除农残的要求。经试验证明:超声波清洗速度快、效果好、容易实现工业控制，能保持恒定输出功率，且可以方便地调节关键词:超声波清洗茶青单片机中图分类号:TN702 文献标识码:AAbstract: The ultrasonic tealeaves cleaning equipment based。PIC single chip computer is introduced. The design of structure and systemand the design of single chip computer based control c9rnuit and power amplifier are presented. In addition, the comparison of the performanceof several energy converters and the operational principle and structure of controller ere described in detail. The equipment features constantpower cleaning function as generator of ultrasonic wave mid bubble. This meets the requirements of contamination cleaning and residual pesticideremoving on surface of tealeaves. The experiments prove that it possesses fast speed, excellent efect, easily implements the industrial contoland preserves constant output power as well as conveniently controls to clean by ultrasonic wave.Keywords;U ltrasonicc leaning Teatesves Singlec h币computer0 引言超 声 波是 一种超过人类听力频率范围的声波，具有频率高、方向性准、穿透能力强等特点，)一泛应用于清洗、即离测量、医学等领域。超声清洗始于20世纪50年代初，开始主要用于电子、光学和医药等领域，作为一项实用性很强的技术，其应用场所广泛，涉及到大的机械零部件，小半导体器件的清洗等，常常称作“无刷清洗”。超 声 波清 洗的主要特点是速度快、效果好、容易实现工业控制等。针对复杂工件表面，如空穴、凹凸处，普通清洗方法很难实现，而采用超声波就可以获得很好的效果。随着声化学的出现与应用，再配合使用适当的溶液，调节清洗液酸碱度等，清洗效果更好。1 超声波清洗原理超 声 波清 洗主要利用超声波在液体中的空化作用将物体表面的污物层剥离，从而达到清洗的目的。超声波在液体中产生的所谓超声空化，是指液体在超声波作用下产生大量的非稳态的微小气泡和空泡(直径约50一500 pat)，这些气泡和空泡随超声波的振动反复生成、闭合并迅速变大，闭合时会产二生压强高达几百乃至几千Pa的微激波，因剧烈碰撞导致突然爆裂，使气泡周围产生上千个大气压，这种现象称为“空化”现象。超声波在液体中产生的稳定空化和微声流可以在待清洗的物体表面提供一种溶解机制使沽染物溶解，从而在污染物和被清洗物体表面形成使污染层脱落的稳态空化泡。稳态空化和微声波有助于在水中把剥离下来的油脂乳化，瞬态空化有可能击碎污染层而将其剥落。由于空化作用极易在固体与液体交界面进行，且空化瞬间在局部产生5 000 K以上的热点和上千个大气压，不仅能把附着在物体表面和死角内的污物打散，而且振动加剧了溶液的脉动和搅拌，更加强化了清洗的作用效果因 为 茶青 为较松软的植物，且有吸波的作用。所以，采用“适当的超声波功率+气泡发生器”的形式。经过实验验证，表明这种方法比单纯地用超声波换能器能够更加有效地把空化作用扩散开，同时，在清洗茶青过程中进行搅拌，改善清洗效果。2 超声波清洗机系统及结构设计超声 波 清 洗机由清洗槽、槽盖、换能器、超声波电源、交流电流表、漩涡气泵、鼓泡管路、泄荷阀、空气流量计、电加热管、数字温度控制器、电器控制台等组成。其中，漩涡气泵作为气源;空气流量计用于采样、量化气泡强度;泄荷阀用于调节气泡强度;气泡管路用于在清洗槽中进行鼓泡，清洗槽由304不锈钢制作，作为清洗容PROCK c AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 27 No. 3 March 2006机电一体化某青超声波清洗机的设计开发袁海.等器;超声波换能器产生超声振动;超声波发生器设置定时器功率可调，产生合适的超声波信号;交流电流表，评估量化超声波电源功率;温度控制器冬夭温度较低时候，可以设定控制水温，作为恒温装置使用;电器控制台作为安放超声波发生器和电器控制装置的支架平台。超 声 波换 能器是由错钦酸铅压电陶瓷材料制造的夹芯式换能器，压电陶瓷材料具有在电场作用下发生尺寸变化的现象，在交变电场的作川下换能器会产生机械振动。设 计 时考 虑到方便改变换能器的频率，采用了投人式振子盒，安装在清洗槽的侧面，通过该装置向水中传播振动来达到清洗月的。在槽底，通过风泵往水中注人气泡，起到搅拌被清洗物并提高空化效果目的，如图1所示。3.1 控制器总体设计因为 茶 青 在水中搅拌时容易使换能器的负载发生变化(如图2所示)。采用Microchip公司的单片机PIC16C74B来跟踪频率，扫描步距2 Hz，通过采集换能器的电流和电压，当单片机扫描到振动子共振点时，即锁定。这时，振动子处于最佳工作状态。在换能器工作了一段时间之后，由于负载变化引起振动子导纳发生变化，流过振动子的电流随之下降。单片机通过A/D口随时监视着振动子工作状态，一旦采样电平低于预置的比较电平，单片机就又开始扫描，寻找新的共振点，再次锁定。如此不断循环，实现了频率跟踪。由于这种跟踪过程是靠软件来实现的，其寻找共振点的速度很快，能够弥补其他方案中反馈难以控制或锁相环失锁等不足。招声波转挽器图1 超声波换能器布置Fig.1 Structureo fu ltrasonice nergyc overter选择 换 能 器频率，因为频率越低，在水中产生的空化越容易，力度太大有可能把茶青击穿;相反，频率过高，超声波的方向性强，适合精细的物件清洗，但是力度太小，不容易去除茶青表面的“农残”。最后，选择28 kH:的超声频率。3 超声波清洗机控制器的设计换 能器 控 制的关键是要实现频率的跟踪。刚开始把超声波用在清洗场合时，用的比较广泛的是他激式的人工调节频率方式，这种方法不能达到实时跟踪频率，且输出功率随负载的变化而变化。随 后 ，又 推出了自激式超声波发生器，采用电跟踪方案或者声跟踪方案，简单且易于实现，但很难控制反馈信号的强弱。如果反馈信号太强，则振子的工作频率很容易偏离设定值;当反馈信号在临界状态时，系统又会停振，因此都不适合茶青清洗这种负载变化很大的应用场合。基 于 锁相 方式实现频率跟踪，其优点是易于实现，但容易失锁，尤其是在清洗茶青这类柔软、有吸波特性的植物时，这种现象更加容易出现。为此，我们通过实验，找出了一种比较理想的控制方法。自动化仪表第27卷第3期2006年3月图 2 整 体 设 计 框 图Fig .2 Bl ac kd ia gram ofi ntegratedd esign3.2 单片机控制器的设计通过 PIC 16C74h控制能白动跟踪锁定换能器的谐振频率，通过PWM恒功率电路保证输出功率的恒定。该 芯 片有 4k的存储空间，能满足控制所需的简单程序的存储;有两组PWM控制器，用来控制换能器的开断;八通道的A/D转换通道，可以用来采样最终到达换能器的电压和电流，以达到调整PWM波形和恒功率的目的。通 过 PI C16C74带有的三个A/D接口将电源电压和电流转换，并将电压、电流值进行相乘，再与设定的功率值比较，利用比较结果控制输出，输出恒功率，如图3所示这 种 自动 频率跟踪调节系统，理论上输出功率可以无级调节和确保任意点恒功率输出3.3 驱动电路的设计IGB T 具 有MOSFET场效应管”和GTR大功率三极管”的优点，输人阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单，又具有通态电阻低、耐压高、承受电流大等特点，特别适用于超声波发生源。在设计时，IGBT使用了西门子的相关模块，驱动保护电路用的是日本富士公司的EXB841EX B8 41 芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护等主要特点，是一种比较典型的驱动电路。功能比较完善，在国内得到了广泛应用，其工作原理如图4所示。机电一体化茶青超声波清洗机的设计开发袁海.等:图 3 单 片 机 控 制 器电路图Fig.3 Circuito fs inglec hipc omputerc ontroler图 4中 当 EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流通过时，EXB841通过栅极电阻Rg向IGBT提供电流，使之快速导通;当输人端脚14和脚15无电流通过时，EXB841的脚3电位迅速下降至OV，其相对于脚1低5 V,因此，使得IGRT关断。针 对 EX B841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的脚5和脚4间接一个可变电阻，脚4和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般用负偏压是一5V，也可以用一8V的负偏压。图 4 EX B 8 41 工 作 原 理 图Fig .4 O per at ion al p r incipleo fE XB84I驱动 电 路 中用Vz,起保护作用，避免EXB841的脚6承受过电压，通过V,、检测是否过电流，接Vz,的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。R 和C及氏接在+20 V电源上，以保证提供稳定的电压;Vz，和Vzi避免栅极和身引N出现过电压，飞用于防止IGBT误导通。针对 EX R841存在保护盲区的间题，将EXB841的脚6的超快速恢复二极管Vd。换成导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联的一个稳压二极管，也可以采用对每个脉冲限制最小脉冲，使其大于盲区时间，避免1GBT在脉宽太窄时输出大功耗。4 结束语机 电一 体化茶青超声波清洗机采用PIC16C74B单片机，并通过小步距扫描实现频率跟踪。经试验证明能够很好地使超声波换能器保持恒定输出功率，且可以方便地调节所需功率参考文献I 张明柱，朱锦洪，梁文林IGBT保护有效性与EXB841的合理应用 【J 电工技术，2000,( 10): 47 -492 李振民，刘事明EXB841驭动模块得改进用法LJj.电工技术，20 02,(7): 40- 42.3 白天珠，张福成功率超声在食品、医药等领域的应用U一声学S 由 子 一#! .990_(21.37 -40冬 ，张宏建_基J嵌人式的智能化与网络化J7白动化仪,2004,25(2):1 -4.哪表5 王子君，徐维胜，王中杰，等网络控制系统研究综述Jl自动化仪 表,2005,26(10): 1- 5.上 海市 科 委科技发展基金资助项目(编号:035258051)修 改 稿 收到日期:2005- 07- 2氏第一 作 者衰海，男,1982年生，现为上海交通大学电机与电器专业在读硕士研究生;主要从事机电系统拉制研究PROvFCS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.2 7 No.3 Macrh 2006_基于EXB841的IGBT驱动与保护电路研究时间：2009-02-19 10:47:34 来源：电源在线 作者：1 引 言 多绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种由双极型晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电能变换装置中得到了广泛应用。但是，IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、快开关损耗、承受短路电流能力及du/dt等参数，并决定了IGBT静态与动态特性。因此设计高性能的驱动与保护电路是安全使用IGBT的关键技术1,2。 2 IGBT对驱动电路的要求 （1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要陡峭； （2）栅极串连电阻Rg要恰当。Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大； （3）栅射电压要适当。增大栅射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，正偏压要适当，通常为+15V。为了保证在C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（510）V； （4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。 当然驱动电路还要注意像防止门极过压等其他一些问题。日本FUJI公司的EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内外得到了广泛2,3,4。 3 驱动芯片EXB841的控制原理 图 1 EXB841的工作原理 图1为EXB841的驱动原理4,5。其主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-5.1V的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管Vd7检测。当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由约6V上升，当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从而使IGBT的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管Vz2决定。 作为IGBT的专用驱动芯片，EXB841有着很多优点，能够满足一般用户的要求。但在大功率高压高频脉冲电源等具有较大电磁干扰的全桥逆变应用中，其不足之处也显而易见。 （1）过流保护阈值过高。通常IGBT在通过额定电流时导通压降Uce约为3.5V，而EXB841的过流识别值为7.5V左右，对应电流为额定电流的23倍，此时IGBT已严重过流。 （2）存在虚假过流。一般大功率IGBT的导通时间约为1s左右。实际上，IGBT导通时尾部电压下降是较慢的。实践表明，当工作电压较高时，Uce下降至饱和导通时间约为45s，而过流检测的延迟时间约为2.7s.因此，在IGBT开通过程中易出现虚假过流。为了识别真假过流，5脚的过流故障输出信号应延迟5s，以便保护电路对真正的过流进行保护。 （3）负偏压不足。EXB841使用单一的20V电源产生+15V和-5V偏压。在高电压大电流条件下，开关管通断会产生干扰，使截止的IGBT误导通。 （4）过流保护无自锁功能。在过流保护时，EXB841对IGBT进行软关断，并在5脚输出故障指示信号，但不能封锁输入的PWM控制信号。 （5）无报警电路。在系统应用中，IGBT发生故障时，不能显示故障信息，不便于操作。 针对以上不足，可以考虑采取一些有效的措施来解决这些问题。以下结合实际设计应用的具体电路加以说明。 4 驱动电路优化设计 本文基于EXB841设计IGBT的驱动电路如图2所示，包括外部负栅压成型电路、过流检测电路、虚假过流故障识别与驱动信号锁存电路，故障信息报警电路5,6,7。 外部负栅压成型电路 针对负偏压不足的问题，设计了外部负栅压成型电路。如图2所示，用外接8V稳压管Vw1代替驱动芯片内部的稳压管Vz2，在稳压管两端并联了两个电容值分别为105f和0.33f的去耦滤波电容。为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射极间并联了反向串联的16V（V02）和8V（V03）稳压二极管。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT 集电极的电压尖脉冲，需要在栅极串联电阻Rg。栅极串连电阻Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大。优化电路采用了不对称的开启和关断方法。在IGBT开通时，EXB841的3脚提供+16V的电压，电阻Rg2经二极管Vd1和Rg1并联使Rg值较小。关断时，EXB841内部的V5导通，3脚电平为0，优化驱动电路在IGBT的E极提供-8V电压，使二极管V01截止，Rg= Rg1具有较大值。并在栅射极间并联大电阻，防止器件误导通。 过流检测电路 偏高的保护动作阈值难起到有效地保护作用，必须合适设置此阈值。但由于器件压降的分散性和温度影响，又不宜设置过低。为了适当降低动作阈值，已经提出了采用高压降检测二极管或采用串联3.3V反向稳压二极管的方法。该方法不能在提高了负偏压的情况下使用，因为正常导通时，IGBT约有3.5V左右的压降，负偏压的提高使6脚在正常情况下检测到的电平将达到12V左右，随着IGBT的工作电流增大，强电磁干扰会造成EXB841误报警，出现虚假过流。本优化电路采用可调的电流传感器。如图2所示。L为磁平衡式霍尔电流传感器，可测量交流或直流电流，反应时间小于1s，输出电压Uout同输入电流有很好的线性关系。该电路通过调节滑动电阻Rw1设定基准电流幅值而完成保护，当电流传感器输出大于给定值时，比较器输出+15V的高电平至EXB841的6脚，使EXB841的软关断电路工作。 虚假过流故障识别与驱动信号锁存电路 当IGBT过流工作时，EXB841的6脚靠上文论述的过流检测电路检测到过流发生，EXB841进入软关断过程。内部电路（C3,R6）产生约3s的延时，若3s后过流依然存在，5脚输出低电平作为过流故障指示信号，高速光耦6N136导通，三极管Vs01截止，过流高速比较器LM319输出高电平，电容C03通过R06充电，若LM319输出持续高电平时间大于设定保护时间（一般为5s），C03的电压达到击穿稳压管Vs03的电压，使RS触发器CD4043的置1端为高电平，从而Q端输出高电平，Vs02导通，集电极输出低电平，利用由74LS09构成的与门封锁输入驱动信号。CD4043的信号延迟时间最大为几百个ns,而74LS09的信号延迟时间最大为几十个ns。因此，保护电路在信号响应上足够快。图2中，在RS触发器的R端加了复位按钮，发生故障时，RS触发器将Q端输出的高电平锁住，当排除故障后，可以按动复位按钮，接束对栅极控制信号的封锁。 Vs02的集电极输出同时接微处理器，可及时显示故障信息，实现故障报警。EXB841的软关断时间是由内部元件R7和C4的时间常数决定的，为了提高软开关的可靠性，在EXB841的4和5两端外加可调电阻Rw2，可调节软关断时间，在4和9脚两端外加电容 C01，可避免过高的di/dt产生的电压尖峰，但应合理选择二者的值，太大的值将增大内部三极管V3的集电极电流。 5 实验结果分析图3为实测典型驱动电路驱动波形，图4为实测优化驱动电路波形。通过两图的对比，不难看出，典型驱动电路的反向关断电压不到-5V，正向驱动电压小于14.5V。而优化驱动电路的反偏压则基本达到或接近于-8V，正向驱动电压更是超过了+15V，正反向驱动电压值得到调整的同时，前后沿陡度也得到极大改善。 原EXB841典型驱动电路应用到大功率高压高频脉冲电源中，电源逆变部分由于负偏压不足，容易引起桥臂直通，导致IGBT经常炸毁。又因为高频造成的强电磁干扰，致使IGBT电流较小时就产生虚假过流的故障保护，使得设备无法正常运行。优化电路应用到电源后，以上故障均得以很大程度上的消除。能够满足设备正常工作的要求。 6 结论 本文在对IGBT器件的驱动要求进行深入分析之后，在研究了EXB841驱动原理的基础上，指出了其存在的诸多不足。再结合这些问题设计了实用性较强的优化驱动电路。该电路具有较强的过流识别能力，并能够区分真假过流，从而对系统进行有效保护。将优化驱动电路应用于大功率高压高频脉冲电源中，证明了所设计的电路完全可以对IGBT进行有效驱动、控制和过流保护。注意事项及EXB841典型应用电路根据以上分析，有以下几个方面需要注意：1）EXB841只有1.5s的延时，慢关断动作时间约8s，与使用手册上标明的“对10s的过电流不动作”是有区别的2）由于仅有1.5s的延时，只要大于1.5s的过流都会使慢关断电路工作。由于慢关断电路的放电时间常数t2较小，充电时间常数t3较大，后者是前者的10倍，因此慢关断电路一旦工作，即使短路现象很快消失，EXB841中的脚3输出也难以达到ge15V的正常值。如果EXB841的C4已放电至终了值（3.6V），则它被充电至20v的时间约为140s，与本脉冲关断时刻相距140s以内的所有后续脉冲正电平都不会达到ge=15V，即慢关断不仅影响本脉冲，而且可能影响后续的脉冲。3）由图267可知光耦合器IS01由十5V稳压管供电，这似乎简化了电路，但由于EXB841的脚1接在IGBT的E极，IGBT的开通和截止会造成其电位很大的跳动，可能会有浪涌尖峰，这无疑对EXB841可靠运行不利。另外，从其PCB实际走线来看，光耦合器阴叮的脚8到稳压管VZZ的走线很长，而且很靠近输出级（V4、V5），易受干扰。4）IGBT开通和关断时，稳压管VZ2易受浪涌电压和电流冲击，易损坏。另外，从印刷电路板PCB实际走线看，VZ2的限流电阻R10两端分别接在EXB841的脚1和脚2上，在实际电路测试时易被示波器探头等短路，从而可能损坏VZ2，使EXB841不能继续使用。（3）驱动器的应用EXB850和EXB851驱动器分别能驱动150A/600V、75A/1200V、400A/600V、300A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟4s，适用于高达10kHz的开关电路。应用电路如图269所示。如果IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，可增大IGBT栅极串联电阻Rg来加以限制。EXB84O/EXB841高速型驱动器分别能驱动150A/600V、75A/1200V、400A/600V、200A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟ls，适用于高达40kHz的开关电路。它的应用电路如图270所示。（4）使用EXB系列驱动器应注意的问题l）输入与输出电路应分开，即输入电路（光耦合器）接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高的噪音阻抗。2）使用时不应超过使用手册中给出的额定参数值。如果按照推荐的运行条件工作，IGBT工作情况最佳。如果使用过高的驱动电压会损坏IGBT，而不足的驱动电压又会增加IGBT的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增加IGBT和二极管的开关噪声。3）IGBT的栅、射极回路的接线长度一定要小于lm，且应使用双绞线。4）电路中的电容器C1和C2用来平抑因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是作为电源滤波用。5）增大IGBT的栅极串联电阻Rg，抑制IGBT集电极产生大的电压尖脉冲。最后，再谈一下IGBT的保护问题。因为IGBT是由MOSFET和GTR复合而成的，所以IGBT的保护可按GTR、MOSFET保护电路来考虑。主要是栅源过压保护、静电保护、准饱和运行、采用RCVD缓冲电路等等。这些前面已经讲过，故不再赘述。另外应在IGBT电控系统中设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠工作。应该指出，必须保证IGBT不发生擎住效应。具体做法是，实际中IGBT使用的最大电流不超过其额定电流。图2-70EXB841典型应用电路欢迎投稿豁然斋挑剔坊与我争鸣！+ 联系接洽基于单片机与TC787芯片的三相半控整流电路设计日期：2008-12-25作者：未知来源：整流电路广泛应用在直流电机调速，直流稳压电压等场合而三相半控整流桥电路结构是一种常见的整流电路，其容易控制，成本较低本文中介绍了一种基于 PIC690单片机与专用集成触发芯片TC787的三相半控整流电路，它结合专用集成触发芯片和数字触发器的优点 获得了高性能和高度对称的触发脉冲它充分利用单片机内部资源 集相序自适应、系统参数在线调节和各种保护功能于一体可用于对负载的恒电压控制主电路采用了三相半控桥结构，直流侧采用LC滤波结构来提高输出的电压质量系统总体设计本系统通过PIC690单片机作为主控制芯片，用晶闸管作为主要开关器件设计的目标是保持输出的直流电压稳定，输出电压纹波小，交流输出测电流THD较低，性能可靠系统主要电路包括：三相桥式半控整流电路、同步信号取样电路、单片机控制电路、晶闸管触发电路首先，由同步信号取样电路得到同步信号并送集成触发芯片TC787，经过零检测，再进行相应的延时以实现移相单片机中的ADC负责采集直流母线电压，根据电压的设定值与实际值的偏差经过PI运算来调节给定输出PIC单片机将电压的参考值输出到TC787，由TC787实现对晶闸管的移相触发，以实现整流调压硬件电路的整体框图如图1所示图1 系统硬件整体框图主电路设计主电路采用三相桥式半控整流电路，直流测采用LC滤波电流结构，主电流原理图如图2所示半控桥选择SEMIKRON公司的SKDH146/120-L100模块，该模块额定电流140A，额定电压1200V直流侧采用LC滤波电路结构，比单独电容滤波效果好此外，还可以提高交流输入侧的电流THD直流侧主要的谐波含量为工频的6倍及6的整数倍，设计LC低通滤波时要避免含量较高的谐波引起的谐振在本设计中选取电感5mH，滤波电容480F图2 主电路结构从电网获得的三相电压经同步电路整形后，送给集成触发芯片TC787引脚18AT、引脚2 BT和引脚1CTTC787内部集成有3个过零和极性检测单元、3个锯齿波形成单元、3个比较器、1个脉冲发生器、1个抗干扰锁定电路和1个脉冲分配及驱动电路数字给定移相控制电压，能进行相序自动识别控制电路设计采用PIC16F690作为控制芯片PIC16F690单片机内部自带10位AD；宽工作电压（2.05.5V）；低功耗；带有PWM输出功能；内部自带晶振用芯片内部自带10位AD，对采集到的直流侧电压进行AD转换为了降低硬件成本，直接采分压电阻代替电压传感器来采集直流侧电压，分压电阻上的电压经过两个反向比例电路到单片机单片机的模拟地和信号地直接相连（也可以通过磁珠相连，以减小干扰）PIC16F690单片机通过一个IO口使能或禁止芯片TC787的输出，如图3所示当PIC单片机的I/O口RC3输出高电平（+5V）时，Lock口为低电平；当单片机I/O口RC3输出低电平时，Lock为高电平（+15V）选用一个IO口作为TC787参考电压的给定信号，采用PWM脉冲方式，调节占空比来调节输出电压， PWM波经过一个RC低通滤波器后为一个近似直流信号，用这个信号作为参考电压给定Uref，其范围为05V由于芯片TC787所需的给定输入范围为0-15V，所以PWM波要经过一个光耦进行电平转换，如图3所示图3 控制电路硬件结构电网电压经过同步变压器输入到TC787，TC787的6脚输出高时双脉冲或低时单宽脉冲12、11、10引脚分别为A、B、C的触发输出端，经过脉冲变压器输出到晶闸管触发驱动电路设计触发芯片选择高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787TC787可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置TC787的内部结构如图4所示图4 TC787芯片内部结构在本设计中，TC787采用15V供电，引脚4(Vr)：移相控制电压输入端该端输入电压的高低直接决定着TC787/TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出引脚5(Pi)：输出脉冲禁止端该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步输入电压连接端应用中，分别接输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787/TC788的工作电源电压VDD触发驱动电路主要由电网电压同步电路、TC787集成触发电路和脉冲放大隔离驱动电路组成图5中给出了同步电路和TC787的外围电路其前半部分为电压同步电路，采用这种设计方法需要加较多辅助元件而对RP1RP3三个电位器进行不同调节，可实现0 60的移相，从而适应不同主变压器连接的需要图5中，直接将同步变压器的中点接到(1/2)电源电压上，使所用元件得以简化TC787的引脚4输出单片机的给定电压（0+15V），引脚6为触发脉冲封锁引脚引脚1012为触发脉冲输出引脚，分别接到C、B、A相的隔离放到电路图5 同步电路与脉冲发生电路结构图图6 电压检测电路电压检测电路设计为了降低硬件成本，设计直流母线电压检测电路时采用了分压电阻的方法，而没有采用电压传感器采用这种分压电阻的方法结构简单，易于调试电路如图6所示通过分压电阻得到的电压为直流母线电压的1/31，该电压通过两个反向比例放大电路输入到PIC单片机的AD1输入口中，再通过PIC单片机的AD转换处理为数字量基于PIC单片机的SPWM控制技术发布时间:2006年9月26日 点击次数:2301 来源:中国电子设计网 作者:陈晓萍 王念春 马玉龙 引言 在UPS等电力电子设备中,控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波,谐波含量较高,滤波困难。SPWM技术较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法很多,汇总如下。 1）利用分立元件,采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂,实现困难且不易改进; 2）由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波,SA828是由规则采样法产生SPWM波的,相对谐波较大且无法实现闭环控制; 3）利用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计,实现数字式SPWM发生器; 4）基于单片机实现SPWM,此方法控制电路简单可靠,利用软件产生SPWM波,减轻了对硬件的要求,且成本低,受外界干扰小。 而当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展,尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有PWM功能的外围功能模块（CCP）,利用此模块更容易通过软件实现SPWM,且具有更快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法,利用面积等效法,并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的SPWM控制。 1 面积等效的SPWM控制算法 目前生成SPWM波的控制算法主要有4种。 1）自然采样法; 2）对称规则采样法; 3）不对称规则采样法; 4)面积等效法。 理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小,对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算,所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用面积等效法实现SPWM控制,其原理如图1所示。 图1 SPWM面积等效算法利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则,将正弦波的正半周分为N等分,则每一等分的宽度为/N弧度,利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值,将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中,以供程序调用。 脉宽产生的基本公式为 式中：M为调制度; N为载波比,即半个周期内的脉冲个数,实验中N取64; k取值为063。 由式（1）计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成64个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽,再由宽到窄的64个值的表。 2 软硬件结合试验系统 以PIC单片机内部的两个外围功能模块（CCP）为基础,利用该模块具有的PWM功能,软件控制两路SPWM波形的输出。再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路,经隔离放大后驱动IGBT逆变器,实现对输出的控制。 2.1 硬件设计 试验硬件系统如图2所示。选择PIC单片机的中档系列,该系列单片机的主要特点有： 1）具有高性能的RISCCPU; 2）除程序分支指令为两个周期外,其余均为单周期指令,且仅有35条单字指令; 3）8K14个FLASH程序存储器,3688个数据存储器（RAM）字节; 4）中断能力强,达到14个中断源; 5）外围功能模块丰富,含2个16位寄存器的CCP模块,具有PWM功能; 6）含3个定时器,其中与PWM功能相关的定时器2（即TMR2）带有8位周期寄存器,且带有8位预分频器和后