pwm逆变器电气工程及其自动化专业毕业设计毕业论文

pwm逆变器电气工程及其自动化专业毕业设计毕业论文内容摘要：

开关管驱动的集成电路的比较，把逆变单元 IGBT 的驱动和主电路电流的检测分 别由不同的电路来完成，既可以提高逆变器的性能，又可以提高 IGBT的工作效率，使得 IGBT 更好地在安全工作区工作。 因此，本设计采用了富士公司生产的 EXB8 系列的 EXB841 驱动集成芯片。 EXB841 集成芯片是专用于 IGBT 的集驱动、保护等功能域一体的复合集成电路， EXB841 属于高速型，可以驱动 400A、 600V的功率 IGBT 模块，驱动电路中的信号延迟 ≤，具有以下特点： (1)可用于达到 40kHz 开关频率工作的 IGBT。 (2)内置的光耦可隔离高达 2500V/min 的电压。 (3)单电源的供电电压使 其应用起来更为方便。 毕业设计 15 (4)内置的过流保护功能使得 IGBT 能够 更加安全地工作。 (5)具有 过流检测输出信号。 (6)单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式 [7]。 图 210 EXB841 封装引脚图 如图 210 所示， EXB841 为单列直插厚膜封装，有 15 个外部引脚 (引脚 12 和 13为空 )。 引脚名称及功能详见表 21。 表 21 管脚名称类型 及 功能说明 引脚号 名称 功能或用法 1 驱动脉冲输出相对地端 使用中接被驱动的 IGBT 发射极 2 输出功率放大级电源连接端 使用中接用户提供的 +20V 电 源 3 驱动脉冲输出端 接被驱动的 IGBT 的栅极 11 空端 使用中悬空 5 过电流保护动作信号输出端 接用户外接报警光耦合 器一次侧二极管的阴极 6 过电流保护取样信号连接端 通过一个快恢复二极管接被动的 IGBT 集电极 9 驱动输出级电源地端 接 +20V 电源地端，该地应与引脚 14 与 15 脉冲的参考地端电位隔离 14 驱动信号输入连接负端 接用户脉冲形成部分的地 (或脉冲形成部分的输出端 ) 15 驱动信号输入连接正端 通过一个电阻接用户脉冲形成部分的脉冲输出端(或脉冲形成部分的正电 源 ) 毕业设计 16 图 211 EXB841内部功能框图 如图 211所示， EXB841的内部功能模块主要分为以下几部分： (1)信号隔离电路：在驱动信号输入脚 (引脚 14和 15)之间，有一个高隔离电压的光耦合器，可以承受 2500V/min的故障电压。 当驱动电路端发生故障击穿时，与之连接的控制电路由于光耦合器的隔离作用而不会损坏。 (2)过 流保护电路：过流保护电路分为两块：过流检测电路和过流软关断电路。 过流检测电路： IGBT仅能抵抗 10181。 s的短路过流，所以必须有极快的保护电路。 在EXB841内部装有一个过流检测 电路，采用集电极电压检测法来监控过流的发生。 引脚 6通过一个快速二极管连接到 IGBT的集电极，用于过流的检测。 图 212描述 EXB841的过流检测逻辑。 图 212 集电极电 流 检测法逻辑图 由图 212可知，当且仅当 IGBT处于导通状态时，集电极电压 VCE为高时， EXB841判断为出现过流，过流软关断电路同时进入工作状态。 (3)过流软关断电路： 当 IGBT出现过流故障时，如果以正常速度关断 IGBT，在大电流的情况下 (特别是带有感性负载时 )由于 /di dt 很大，易 发生擎住效应而使 IGBT损坏。 因此，在出现过流时，应该采用软关断的策略，即延长 IGBT的关断时间，减小 /di dt ，避免擎住效应的发生。 在过流软关断电路动作的同时，引脚 5向外输出过流保护信号，便于外围电路的协同工作。 毕业设计 17 驱动电压产生电路： IGBT是电压控制型器件，推荐的开通和关断驱动电压为+15V和 5～ 10V。 引脚 14和 15接受来自控制电路发出的 IGBT开断信号，通过其内部电路的转换，输出控制 IGBT开通与关断的电压信号 [8]。 EXB841内部电路原理图如图 213所示 ： 图 213 EXB841内部电路原理图 当 EXB841的 14脚和 15脚有 10mA 的电流流过 1μs以后 IGBT正常开通， VCE下降至3V左右， 6脚电压被钳制在 8V左右，由于 VS₁稳压值是 13V，所以不会被击穿， V₃不导通， E点的电位约为 20V,二极管 VD₁截止，不影响 V₄和 V₅正常工作。 当 14脚和 15脚无电流流过，则 V₁ 和 V₂导通， V₂的导通使 V₄截止、 V₅导通， IGBT栅极电荷通过 V₅迅速放电，引脚 3电位下降至 0V，是 IGBT栅 射间承受 5V左右的负偏压， IGBT可靠关断，同时 VCE的迅速上升使引脚 6“悬空”。 C₂的放电使得 B点电位为0V，则 VS₁仍然不导通，后续电路不动作， IGBT正常关断。 如有过流发生， IGBT的 VCE过大使得 VD₂截止，使得 VS₁击穿， V₃导通， C₄通过R7放电， D点电位下降，从而使 IGBT的栅 射间的电压 VGE降低，完成慢关断，实现对IGBT的保护。 由 EXB841实现过流保护的过程可知， EXB841判定过电流的主要依据是 6脚的电压， 6脚的电压不仅与 VCE有关，还和二极管 VD₂的导通电压 Vd有关 [9]。 毕业设计 18 表 21 EXB841的 电气特性 项目 符号 EXB841(高速 ) 单位 Min Typ Max 导通时间 1 ont 181。 s 导通时间 2 oft 181。 s 过流保护电压 ocpU 181。 s 过流保护延迟时间 ocpt 10 181。 s 报警延迟时间 ALt 1 181。 s 反向 偏置电源电压 RBU 5 181。 s 表 21列举了 EXB841的电 气 特性。 使用时必须严格遵照和考虑这些参数，才能使EXB841的功能得到完善的应用。 图 214 EXB841构成的 IGBT驱动电路和保护电路图 图 214 中 EAR10 是反向恢复时 间为 150ns 的快速恢复二极管， 正向导通压降为毕业设计 19 3V。 如果采用其他不满足这种性能指标的二极管，将会降低驱动保护电路过流保护的速度，造成过流保护的失败。 图中 RS 触发器采用 CD4043 构成，与门采用 74LS09构 成， TLP521 为快速光耦。 保护电路部分中， TLP521 的信号延迟时间为 23181。 s，CD4043 的信号延迟时间最大为几百个 ns。 因此，保护电路在信号响应上是足够快的。 当 IGBT 发生过流时， EXB841 的 5 脚电平由高变低， RS 触发器 S 端变为高电平，输出端 Q 输出高电平，经过三极管，加到与门上的电平为低电平，封锁 EXB841 的输入信号，达到及时撤出栅极信号、保护 IGBT 的目的。 图 214 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，解除对栅极控制信 号的封锁。 滤波电路设计 滤波电路的 要求 逆变器和交流变换器的输出电压波形，除了基波分量外还含有谐波分量。 方波中含有各次奇次谐波，其中 THD（电流的总谐波畸变） 为 48%；阶梯波中含有 2kn177。 1次谐波；脉宽调制波消除了低次谐波，但含有高次谐波。 为了使输出电压波形正弦化和 THD 或单次谐波含量降低到允许值，必须设置输出滤波器。 如果负载恒定，滤波器的设计容易；如果负载变化范围宽且要求谐波含量低，滤波 器的设计就困难，其体积和重量将很大 [10]。 对滤波器设计的基本要求是： (1)输入电流和输出电 压 THD 或单次谐波含量均应降低到允许的范围。 (2)不至过分增加整体的设计容量，即滤波容不会过多增加功率开关电流。 (3)滤波电感基波压降小，负载变化所引起的输入、输出电压波动小。 (4)滤波器体积小、重量小、成本低。 输出滤波器的设计 本设计的输出滤波器采用 单级 LC 低通滤波器 ,其原理图如图 215 所示。 单级 LC 交流输出滤波器由三个单相滤波器组成，具体分析单相 LC 滤波器就可以完成三相滤波器的设计，图 216 为单相 LC 滤波电路，也叫常 K 型 Г 型低通滤波器。 串臂阻抗 Z₁与并臂阻抗 Z₂的乘积 1 2 f f f f(1 / ) /Z Z j L j C L C K  ，一旦 fL ， fC值确定后， K 为常数、不随频率变化。 毕业设计 20 图 215 单级 LC交流输出滤波 器 由于 ff/LC具有阻抗平方量纲，故常数 K 也可用滤波器的另一重要参数 R 表示： 2ff/L C K R (26) ff/R L C (27) 四端网络在输入端、输出端均处于阻抗匹配时工作最好，图 216 所示的四端网络的输入端、输出端特性阻抗分别 表示为 为 式 (28)、式 (29)： 22C1 1 2 1 2 f f f f f f1 / / 1 1Z Z Z Z Z L C L C R L C      (28) 22C2 1 2 1 2 f f f f f f1 / / 1 1Z Z Z Z Z L C L C R L C      (29) 当 ω=0 时， C1 C2 f f/Z Z L C ，故 R 是频率为零时的特性阻抗，称之为标称特性阻抗。 传通条件为 121 / 0ZZ   ，即 2f1 ( / ) 0j L R  ，故可得 式 (210)： f0 LR (210) 当 1f0ZL   时， ω必定为零，此为通频带的最低角频率： 当 1fZ L R   时，则fC/RL， 此 为 通 频 带 的 最 高 角 频 率 ， 即 为 滤 波 器 截 止 频 率。 因C f f f/ 1 / /R L L C  ，可得滤波器的截止频率 如式 (211)： f f f/ ( 2 ) 1 / ( 2 )cf R L L C （ 211） 毕业设计 21 因此，当时 0 cff ，滤波器的衰耗为零；当 cff 时，滤波器开始有衰耗， 衰耗常数为 式 (212)： 1 2 1 2 1 2l n l n ( 1 / / )b U U Z Z Z Z      (212) fL 和 fC 值的确定：由式 2 211 可得 f / (2 )cL R f (213) 2f f f f/ / ( 2 ) 1 / ( 2 )ccC L R L f L R f R   (214) fL 与 fC 的值，取决于 cf 与 R 的选择。 实际中 cf 的选取要低到三次或二次谐波频率才能得到满意的正弦波形状。 当输出电压基波频率为 50Hz 时， cf 通常选在 100~400Hz 左右。 R 的选取则为R=(~)RL(负载电阻 )。 当逆变器的输出功率和输出电压已知时， RL就是已知量，则滤波器的标称特性阻抗 R 即可选定，将其带入式 21 214 即可确定 fL 与 fC 的值。 从而可以确定三相输出滤波器的构成 [11]。 图 216 单相 LC低通滤波 器 毕业设计 22 第 3 章 PWM 控制电路的设计 脉宽调制 (PWM)技术 PWM 基本脉宽调制原理 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形 (含形状和幅值 )。 （ a） (b) (c) (d) 图 31 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量即指窄 脉冲的面积。 这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 例如图 31(a),(b),(c)所示的 3 个窄脉冲形状不同 ,其中图 31(a)为矩形脉冲，图 31(b)为三角形脉冲，图 31(c)为正弦半波脉冲，但他们的面积 (即冲量 )都等于 1，那么，当他。