2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文正文

目錄2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) I摘要： I第1章緒論 11.1逆變電源技術(shù)概述 11.1.1逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展 11.1.2恒頻、恒壓逆變電源結(jié)構(gòu)形式的演變 21.1.3逆變電源PWM控制技術(shù)的發(fā)展 21.2逆變電源輸出波形控制技術(shù)的發(fā)展概況 61.2.1PID控制(Proportional．IntegralandDifferentialContr01) 71.2.2狀態(tài)反饋控制(StateFeedbackContr01) 71.2.3重復(fù)控制(RepetitiveContr01) 71.2.4無(wú)差拍控制(DeadbeatContr01) 7滑模變結(jié)構(gòu)控制(SlidingModeVariableStructureContr01) 81.2.6智能控制(IntelligentContr01) 81.3本課題的提出 9第2章高頻逆變電源的主電路 102.1系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 102.1.1主電路的設(shè)計(jì)參數(shù) 102.2移相式PWM軟開(kāi)關(guān)高壓逆變電源的電路設(shè)計(jì)與分析 102.2.1電源的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 102.2.2逆變電源的主電路工作分析 122.2.3移相脈沖電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析 162.2.4系統(tǒng)構(gòu)成圖和主電路圖 172.2.5工作原理 182.3系統(tǒng)主電路的參數(shù)設(shè)計(jì) 182.3.1斬波器的設(shè)計(jì) 182.3.2逆變電路的工作原理 21第3章高頻逆變電源的控制電路 223.1總體設(shè)計(jì)框圖及原理 223.1.1總體設(shè)計(jì)框圖 223.1.2工作原理 223.2驅(qū)動(dòng)電路 233.2.1驅(qū)動(dòng)電路圖及工作原理 233.2.2參數(shù)計(jì)算及選擇 233.3逆變電路 243.3.1控制系統(tǒng)原理框圖及基本思想 243.3.2單相全橋逆變電路控制圖及參數(shù)計(jì)算 243.4斬波電路 263.4.1控制系統(tǒng)原理框圖及基本思想 263.4.2斬波控制電路圖及參數(shù)選擇 263.5PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 293.5.1基本原理 293.5.2參數(shù)選擇及計(jì)算 30第4章保護(hù)電路 314.1IGBT過(guò)壓的原因及抑制 314.1.1工作原理 314.1.2緩沖器回路的設(shè)計(jì) 324.2IGBT的過(guò)流保護(hù) 324.2.1IGBT過(guò)流保護(hù)的必要性 324.2.2造成短路的原因 334.2.3設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求 34致謝 36參考文獻(xiàn) 372kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì)摘要：本文在分析了IGBT(絕緣柵雙極晶體管)特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)容量為2kVA、頻率為20kHz的高頻逆變電源。給出了直流斬波電路及全橋逆變電路的工作原理，此高頻逆變電源可將75~130V的蓄電池直流電壓逆變?yōu)?10V,20kHz的交流電壓。對(duì)高頻逆變電源的控制主要分兩部分:逆變控制和斬波控制。斬波控制可將75-130V波動(dòng)的蓄電池直流電壓變成70V的直流電壓。逆變控制可將此直流電壓逆變?yōu)?0V,20kHz的交流電壓，最后經(jīng)變壓器得到110V,20kHz的交流電壓。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)的應(yīng)用更加易行。設(shè)計(jì)中說(shuō)明了各元件參數(shù)的計(jì)算和選擇方法，提出了對(duì)IGBT的短路保護(hù)方案。關(guān)鍵詞:IGBT;逆變電源;斬波器;短路

2kVAhighfrequencyinverterpowerdesignAbstract：ThispaperanalyzestheIGBT(insulatedgatebipolartransistors)characteristics,theauthordesignedacapacityfor20kHzfor2kVA,frequencyofhighfrequencyinverterpowersupply.Dcchopperisgivenandthewholebridgeinverterelectriccircuitprincipleofwork,thehighfrequencyinverterpowersupplycanbe130Vbattery75todcvoltageinverter,the20kHzfor110Vacvoltage.Thehighfrequencyinverterpowercontrolmainlydividedintotwoparts:invertercontrolandthechoppercontrol.Thechoppercontrolcanbe130Vfluctuationbattery75-70Vdcvoltageintothedcvoltage.Invertercontrolforthedcvoltageinverter,70V20kHzaclinevoltagetransformer,finallyobtainedby20kHz110Vacvoltage,the.Drivercircuitdesignmadethesystemapplicationmorefeasible.Inthedesignofeachcomponentparametersillustratescalculationandselectionmethod,putsforwardtheshortcircuitprotectionschemeofIGBT.Keywords:IGBT;Inverterpowersupply;Thechoppermanometers;short-circuit第1章緒論1.1逆變電源技術(shù)概述隨著控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用公用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過(guò)各種形式對(duì)其進(jìn)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)定度及其變化方式因用電設(shè)備的不同而不盡相同，如通信電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等，它們所使用的電能都是通過(guò)整流和逆變組合電路對(duì)原始電能進(jìn)行變換后得到的。小型化、數(shù)字化、高性能的逆變電源具有廣泛的應(yīng)用前景。電源技術(shù)主要研究如何利用電力電子技術(shù)對(duì)功率進(jìn)行變化和控制，它廣泛運(yùn)用現(xiàn)代逆變技術(shù)、電磁技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的理論，具有較強(qiáng)的綜合性。本課題主要研究逆變電源輸出電壓的波形控制技術(shù)?，F(xiàn)代逆變技術(shù)是電源技術(shù)的基礎(chǔ)，它是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的一門(mén)科學(xué)，是建立在現(xiàn)代控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門(mén)實(shí)用技術(shù)?。采用逆變技術(shù)有很多優(yōu)越性，通過(guò)控制回路，可以控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間比例，從而使輸出電壓或者電流的頻率和幅值按照設(shè)備工作的要求來(lái)靈活的變化。逆變電源是將一次電源送來(lái)的交流電變換成其他形式的交流電，不間斷電源是在電網(wǎng)斷電時(shí)，將蓄電池中的直流電逆變成交流電，這樣就不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)波動(dòng)或者斷電而影響設(shè)備的正常運(yùn)行。由于逆變電路的工作頻率高，調(diào)節(jié)周期短，使得電源設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性很好。具體表現(xiàn)為：對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)(源效應(yīng)好)，負(fù)載效應(yīng)好，啟動(dòng)沖擊電流小，超調(diào)量小，恢復(fù)時(shí)間快，輸出穩(wěn)定，紋波小等。與此同時(shí)，加快了控制速度和對(duì)保護(hù)信號(hào)的反應(yīng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。1.1.1逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展逆變電源中實(shí)現(xiàn)電能變換的關(guān)鍵部件是電力電子開(kāi)關(guān)器件，其特性對(duì)變流電路的性能起著至關(guān)重要的作用。只有具備高性能的開(kāi)關(guān)器件，才能通過(guò)研究與之相適應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)控制方式，構(gòu)造出性能優(yōu)良的變流裝置。因此，從某種意義說(shuō)，電力開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展決定著電力電子技術(shù)的發(fā)展。1.1.2恒頻、恒壓逆變電源結(jié)構(gòu)形式的演變?cè)缙诘哪孀冸娫?，無(wú)論是交一交逆變電源還是交一直一交逆變電源，其中的逆變橋功率元件主要由快速晶閘管組成，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)整流管導(dǎo)通角的大小，改變直流環(huán)電壓，最終實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒頻、恒壓輸出。這種電源結(jié)構(gòu)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn):一是關(guān)斷晶閘管必須另外加裝電感、電容或輔助開(kāi)關(guān)器件組成的強(qiáng)迫換流電路，因而電路的控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，并使得整機(jī)體積重量加大，效率降低;二是這種電路主要立足于分離元件控制，工作頻率的提高也受到限制?，F(xiàn)在，這種電源結(jié)構(gòu)己經(jīng)逐漸被其它新型的電源結(jié)構(gòu)所替代。隨著以IGBT為典型代表的高性能電力電子器件的發(fā)展，與之相適應(yīng)的逆變電源結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。脈寬調(diào)制即（PWM控制方法）具有在一個(gè)功率級(jí)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓以及調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而在逆變電源控制中得以廣泛應(yīng)用，這種控制電路中，運(yùn)用PWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒頻、恒壓輸出。PWM控制技術(shù)雖然有開(kāi)關(guān)頻率高造成開(kāi)關(guān)損耗大的缺點(diǎn)，但這一缺點(diǎn)由于功率開(kāi)關(guān)器件性能的不斷提高能夠得以逐漸克服。軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)的研究，不但解決了硬開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中存在的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的能量損耗問(wèn)題，而且也使得逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。一種由場(chǎng)控晶閘管組成的有源鉗位逆變電源結(jié)構(gòu)。電路中，利用諧振元件Lr、Cr以及諧振控制開(kāi)關(guān)Sr的協(xié)同工作，在逆變器輸入的直流電壓電路中產(chǎn)生諧振，從而把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)化為一系列高頻脈沖電壓波供給逆變橋，最終實(shí)現(xiàn)逆變橋所有器件的ZVS開(kāi)關(guān)工作。這種電源結(jié)構(gòu)形式的突出優(yōu)點(diǎn)是器件開(kāi)關(guān)損耗低、電源能量轉(zhuǎn)換效率高，是當(dāng)前逆變電源領(lǐng)域的熱點(diǎn)1.1.3逆變電源PWM控制技術(shù)的發(fā)展PWM脈沖，可通過(guò)多種方法，產(chǎn)生，用正弦參考波和三角形載波比較產(chǎn)生PWM制和雙極性調(diào)制。單極性調(diào)制使用單極性三角波和參考波比較產(chǎn)生，而雙極性調(diào)制波形是通過(guò)雙極性三角波和參考波比較產(chǎn)生。圖1一4是單極性調(diào)制波形，圖1一5是雙極性調(diào)制波形。參考波除用正弦波外，還可以采用矩形波、梯形波等，載波信號(hào)也可用鋸齒波。不同載波和參考波組合時(shí)輸出波形的特點(diǎn)總結(jié)如下:1.載波為三角波或鋸齒波，參考波為正弦波時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于參考波頻率的奇次倍諧波。2.載波為三角波或鋸齒波時(shí)，基波的振幅和調(diào)制度成正比。3.當(dāng)載波為鋸齒波時(shí)，有Ws士2Wo，2Ws，等諧波，。Ws為載波角頻。而載波為三角波時(shí)這些諧波不存在。4.三相PWM時(shí)，三相共用一相載波與三相分別有自己對(duì)應(yīng)的載波所輸出的諧波不同。與單相載波比較，三相載波時(shí)，雖然Ws士2Wo，2Ws，沒(méi)有了，但2Ws分量卻增加了。5.三相PWM時(shí)，利用線(xiàn)電壓進(jìn)行控制可以提高直流電源的利用率，并且減小開(kāi)關(guān)頻率。6.載波和參考波的頻率對(duì)PWM性能也起著至關(guān)重要的作用。若載波與參考波的相位不同步，則相鄰參考波周期內(nèi)的脈沖將是不同的。當(dāng)載波頻率大大小于參考波頻率時(shí)，這種不同步造成的影響可以忽略;當(dāng)兩者頻率接近時(shí)，此時(shí)應(yīng)該用鎖相電路，使參考波與載波之間有固定的相位關(guān)系來(lái)克服頻率跳動(dòng)。傳統(tǒng)的PWM技術(shù)重點(diǎn)研究如何通過(guò)恰當(dāng)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變電源輸出頻譜的優(yōu)化，并沒(méi)有考慮信號(hào)傳輸過(guò)程中開(kāi)關(guān)點(diǎn)的變化，而且通常只能通過(guò)反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值或平均值。在閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制的逆變電源系統(tǒng)中，要求能在瞬時(shí)或周期性的負(fù)載變動(dòng)下，輸出低諧波含量的波形:最有效地改善輸出波形及其動(dòng)態(tài)性能的方案是根據(jù)輸出波形的變化情況來(lái)對(duì)1鄧加開(kāi)關(guān)點(diǎn)加以調(diào)整，從而抑制開(kāi)關(guān)死區(qū)和負(fù)載諧波電流對(duì)輸出電壓的影響。近年來(lái)，主要有以下幾種方案來(lái)研究:l)電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)‘2)無(wú)差拍控制法3)自適應(yīng)控制法4)實(shí)時(shí)消除諧波控制法電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)即CCTSM(CurrcntControlledTwoStateModulation)控制技術(shù)，該方法是讓輸出端的電壓、電流跟蹤給定參考電壓、電流，最終輸出誤差信號(hào)去控制開(kāi)關(guān)器件，使輸出電壓、電流在給定值的附近變化，與給定值的誤差取決于滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度。電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，而且性能很好。2)基于這種技術(shù)控制的電源系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。由于采用了兩個(gè)反饋環(huán):電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)，使得調(diào)制系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù)的敏感性大大降低，魯棒性明顯提高;而且，由于內(nèi)環(huán)的高度穩(wěn)定性，及電壓環(huán)的高增益，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也得到了提高。3)采用這種系統(tǒng)的逆變器可以很好地并聯(lián)運(yùn)行。只需要簡(jiǎn)單地將其中一個(gè)誤差放大器的輸出作其它并聯(lián)的受控電流放大器的輸入，電流內(nèi)環(huán)就能保證各并聯(lián)裝置平均分配工作電流。4)這種系統(tǒng)具有內(nèi)在的限流保護(hù)能力。由于功率開(kāi)關(guān)上的電流被直接反饋回去調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并且由于電流內(nèi)環(huán)的快速響應(yīng)能力，使得功率開(kāi)關(guān)上的電流完全受控于電流內(nèi)環(huán)的給定值，而這個(gè)給定值由限幅放大器輸出，因此流過(guò)功率開(kāi)關(guān)的最大電流正比于限幅放大器的限定值，可以使功率開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)過(guò)載甚至短路時(shí)得到保護(hù)，可靠性大大提高。無(wú)差拍控制方法是、一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的PWM方案。其控制的基本思想是:將輸出正弦參考波等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期，根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，用電路理論計(jì)算出關(guān)于取樣周期中心對(duì)稱(chēng)的方一波脈沖作用下，負(fù)載輸出在取樣周期末尾時(shí)的值。這個(gè)輸出值的大小，與方波脈沖的極性與寬度有關(guān)，適當(dāng)控制力一波脈沖的極性與寬度，就能使負(fù)載上的輸出在取樣周期的末后與輸出參考波形相重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)力一波脈沖的極性與寬度，就能在負(fù)載上獲得諧波失真小的輸出。無(wú)差拍控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn):l)快速消除系統(tǒng)誤差。它能在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)實(shí)時(shí)地修正取樣周期內(nèi)方波脈沖的寬度，以期在取樣周期的末尾盡可能地接近輸出波形。由此可見(jiàn)，這種方法調(diào)節(jié)時(shí)間僅為一個(gè)取樣周期，對(duì)誤差消除動(dòng)作非?？?。2)由于無(wú)差拍控制方程中包含有直流電源電壓E的作用，這為消除直流電源彎化給逆變器輸出造成的影響提供了可能性。自適應(yīng)控制技術(shù)是指具有適應(yīng)能力的控制器，它適用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知，或者運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化的情況。在具體工作中，控制器通過(guò)連續(xù)地或周期地對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行在線(xiàn)辨識(shí)，然后根據(jù)所獲得的信息，將當(dāng)前的系統(tǒng)性能與期望的或者最優(yōu)的性能相比較，判斷決定所需的控制器參數(shù)或所需的控制信號(hào)，最后通過(guò)修正裝置實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)決策，從而使系統(tǒng)趨向所期望的性能。自適應(yīng)控制具有以下優(yōu)點(diǎn):l)自適應(yīng)控制能有效地消除由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化而對(duì)系統(tǒng)輸出造成的影響。2)自適應(yīng)校正控制具有較快的誤差收斂速度，而且能夠保證系統(tǒng)在人的負(fù)載擾動(dòng)下的穩(wěn)定性3)自適應(yīng)控制在設(shè)計(jì)時(shí)不必知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而只需要在應(yīng)用中用實(shí)時(shí)辨識(shí)的模型代林，這使得這種控制方案尤其適用那些系統(tǒng)模型未知或者運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化的情況。自適應(yīng)控制具有以下優(yōu)點(diǎn):實(shí)時(shí)消諧PWM控制是一種經(jīng)過(guò)計(jì)算的控制策略，其基本方法是:通過(guò)PWM控制的傅立葉級(jí)數(shù)分析，得出傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某此特定的諧波為零，便得到一個(gè)非線(xiàn)性方程組，該方程組即為消諧PWM模型。按模型求解的結(jié)果進(jìn)行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。實(shí)時(shí)消諧策略，只需要較少的開(kāi)關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好地濾波效果，同時(shí)具有開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點(diǎn)。和其它1擬從控制技術(shù)相比，一方面能夠克服高頻p叫技術(shù)為消除低次諧波而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率高的缺點(diǎn);另一方面能克服大功率逆變電源中運(yùn)用的波形重構(gòu)技術(shù)為降低諧波含量而導(dǎo)致主電路和控制電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但是，上述控制方案也有一此不足之處，主要表現(xiàn)在:電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)，電路的開(kāi)關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開(kāi)關(guān)頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機(jī)分布，故不利于在大功率逆變器中應(yīng)用。無(wú)差拍控制方法是基于電路計(jì)算的一種方法，因而對(duì)電路中元器件參數(shù)的精度要求很高，故不適于應(yīng)用在負(fù)載經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合。自適應(yīng)控制由于是一種非線(xiàn)性控制方案，其反饋控制的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)模型及穩(wěn)定性分析也非常困難。實(shí)時(shí)消諧控制技術(shù)由于要求實(shí)時(shí)求解消諧模型，因而對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求極高，目前還未有實(shí)際應(yīng)用。七十年代以來(lái)，飛速發(fā)展的集成電路微細(xì)加工技術(shù)被引入到電力半導(dǎo)體器件制造中來(lái)，是使之同高電壓、大電流的設(shè)計(jì)制造技術(shù)相結(jié)合，跨入了功率集成的層次，從而使以晶閘管應(yīng)用為代表的低頻電力電子技術(shù)發(fā)展到高頻電力電子技術(shù)，成為舉世矚目的一種節(jié)能省財(cái)?shù)母呒夹g(shù)?？梢哉f(shuō)，70年代電力電子器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即電流*電壓。80年代電力電子器件發(fā)展的主要目標(biāo)是高頻化，評(píng)價(jià)期的標(biāo)準(zhǔn)是功率*頻率。到90年代電力電子器件發(fā)展的主要標(biāo)準(zhǔn)則是高性能，即大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗。因此，評(píng)價(jià)器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開(kāi)關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。[1][2]作為在國(guó)際上已取得廣泛應(yīng)用電力電子期的前期產(chǎn)品GTO、GTR、MOSFET正向著產(chǎn)品多樣化、結(jié)構(gòu)模塊化、復(fù)合化，特性參數(shù)高電壓、大電流等特點(diǎn)發(fā)展，適用于大容量設(shè)備，但由于其電流增益太低，所需驅(qū)動(dòng)功率也較大，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，應(yīng)用受到一定局限。GTR器件已模塊化，在中小容量裝置中得到推廣，但其驅(qū)動(dòng)功率也較大，開(kāi)關(guān)速度慢，影響了逆變器的工作頻率與輸出波形；MOSFET器件開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，但器件功率等級(jí)低，導(dǎo)通壓降大，限制了逆變器的容量。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的功率電子元件。絕緣柵雙集型晶體管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）便是在GTR和MOSFET之間取其長(zhǎng)，避其短而出現(xiàn)的新器件。它實(shí)際上是用MOSFET驅(qū)動(dòng)雙集型晶體管，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)。即高電壓、大電流、開(kāi)關(guān)速度快、電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，可采用低成本的集成驅(qū)動(dòng)電路控制，具有安全工作區(qū)寬，較高的耐短路電流的能力，是一種理想的新型電力電子器件。由于IGBT的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。所有這些表明，對(duì)于需要高中壓大電流密度并且開(kāi)關(guān)頻率在20至50kHz的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，IGBT是一種很好的選用器件。電力電子技術(shù)是一門(mén)利用電力電子器件對(duì)電能控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膶W(xué)科，它由電力電子器件、交流電路和控制電路三部分組成，它涉及電力、電子、控制三大電氣工程領(lǐng)域，又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門(mén)多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。各種高頻化全控型器件的不斷問(wèn)世和迅猛發(fā)展使得電力電子變流電路及其控制系統(tǒng)不斷革新。如，各種脈寬調(diào)制（PWM）電路、零電壓零電流開(kāi)關(guān)諧振電路以及高頻斬波電路等已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分。這些新型電路的主要作用是使直流逆變成各種頻率的交流。電力電子技術(shù)已由當(dāng)年的整流時(shí)代進(jìn)入逆變時(shí)代。逆變電源是由電力電子器件、變流電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路三部分組成。電力電子器件是逆變電源的功率器件，是面向負(fù)載的一端；驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是微電子器件，是面向電子控制的一端；而變流電路則是把兩者結(jié)合在一起進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的部分。逆變電源一般分為兩種：一種為恒壓恒頻電路，用于UPS及特種用途等電源裝置；另一種為調(diào)壓調(diào)頻電路，用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)頻作為逆變器的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有了較大的發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，已形成了較完整的電力變頻產(chǎn)業(yè)體系。目前，逆變電源正朝向小型化、低噪聲、多功能、智能化、多用途和高可靠性發(fā)展。逆變電源輸出波形控制技術(shù)的發(fā)展概況目前隨著工業(yè)用的高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展，正弦波逆變器的控制方案也由傳統(tǒng)的模擬控制向現(xiàn)代數(shù)字化控制的方向發(fā)展。采用數(shù)字化控制，不僅可以大大降低控制電路的復(fù)雜程度，提高電源設(shè)計(jì)和制造的靈活性，而且可以采用更先進(jìn)的控制策略，從而提高逆變電源系統(tǒng)輸出波形的質(zhì)量和可靠性。在正弦波逆變電源系統(tǒng)的數(shù)字控制方案中，目前有以下幾種：1.2.1PID控制(Proportional．IntegralandDifferentialContr01)PID控制是一種具有幾十年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的控制算法，它在模擬控制正弦波逆變電源系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。該控制算法具有較快的動(dòng)態(tài)晌應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒性。將其數(shù)字化后應(yīng)用到數(shù)字控制的正弦波逆變電源系統(tǒng)中，由于空載的PWM逆變器近似于一個(gè)臨界振蕩環(huán)節(jié)，積分作用又增加了相位滯后，這樣為保證系統(tǒng)穩(wěn)定對(duì)比例系數(shù)P必須有所限制，因此快速性不是很理想。1.2.2狀態(tài)反饋控制(StateFeedbackContr01)狀態(tài)反饋控制可以任意配置閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了逆變電源控制系統(tǒng)極點(diǎn)的優(yōu)化配置，有利于改善系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)和較低的諧波畸變率。但在建立逆變狀態(tài)模型時(shí)很難將負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性考慮在內(nèi)，因此狀態(tài)反饋控制通常只能針對(duì)空載和已知的負(fù)載進(jìn)行建模。由于狀態(tài)反饋控制對(duì)系統(tǒng)模型參數(shù)的依賴(lài)性很強(qiáng)，使得系統(tǒng)在參數(shù)和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)易導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差的出現(xiàn)以及動(dòng)態(tài)特性的改變。例如對(duì)于菲線(xiàn)性的整流負(fù)載，其控制效果就不是很理想。1.2.3重復(fù)控制(RepetitiveContr01)重復(fù)控制是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型逆變電源控制方案，它基于內(nèi)?？刂圃?，在重復(fù)信號(hào)發(fā)生器的作用下，輸出對(duì)輸入信號(hào)逐周期累加，當(dāng)指令波形與反饋波形不一致時(shí)，控制量的幅度會(huì)逐周期無(wú)限制的增加。若系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則可以使得穩(wěn)態(tài)誤差為零，即反饋波形和指令波形重合，既沒(méi)有幅值偏差也沒(méi)有相位滯后。該控制方法具有良好的穩(wěn)態(tài)輸出特性和非常好的魯棒性，但該方法在控制上有一個(gè)周期的延遲，因而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。1.2.4無(wú)差拍控制(DeadbeatContr01)無(wú)差拍控制是一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的PWM方案，它根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)來(lái)計(jì)算逆交器的下～個(gè)采樣周期的脈沖寬度，80年代末期弓入到正弦波逆變電源控制系統(tǒng)中。對(duì)于線(xiàn)性負(fù)載來(lái)說(shuō)，該控制方法具有很好的穩(wěn)態(tài)特性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其缺點(diǎn)也十分明顯：它對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)反應(yīng)靈敏，即魯棒性較差。一旦系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)較大波動(dòng)或系統(tǒng)模型建立不準(zhǔn)確時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)很強(qiáng)的振蕩。為此，在無(wú)差拍控制之中引入智能控制是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。1.2.5滑模變結(jié)構(gòu)控制(SlidingModeVariableStructureContr01)滑模變結(jié)構(gòu)控制利用不連續(xù)的開(kāi)關(guān)控制方法來(lái)強(qiáng)迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量沿著相平面中某一滑動(dòng)模態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)參數(shù)變化及外部干擾的不敏感性，即強(qiáng)魯棒性，加上其固有的開(kāi)關(guān)特性，特別適用于電力電子系統(tǒng)的閉環(huán)控制。但滑模變結(jié)構(gòu)控制也存在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效果不佳、理想滑模切換面難于選取、控制效果受采樣率的影響等弱點(diǎn)。如今逆變電源的滑模變結(jié)構(gòu)控制的研究方興未艾，特別是滑?？刂坪推渌悄芸刂撇呗韵嘟Y(jié)合所構(gòu)成的復(fù)合控制策略的研究倍受關(guān)注。1.2.6智能控制(IntelligentContr01)智能控制技術(shù)主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)等。對(duì)于高性能的逆變電源系統(tǒng)，模糊控制器加有著以下優(yōu)點(diǎn)：①具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性，模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型i②查找模糊控制表占用處理器的時(shí)間很少，因而可以采用較高采樣率來(lái)補(bǔ)償模糊規(guī)則的偏差。理論上，模糊控制能以任意精度逼近任何非線(xiàn)性函數(shù)，但模糊變量的分檔和模糊規(guī)則數(shù)都受到一定的限制，隸屬函數(shù)的確定帶有一定的人為因素．因此模糊控制的精度有待于迸一步提高。目前，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引和專(zhuān)家系統(tǒng)出現(xiàn)了相互融合的趨勢(shì)，展示了三者相輔相成、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的強(qiáng)大生命力。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定隸屬函數(shù)，優(yōu)化模糊規(guī)則和進(jìn)行模糊推理等研究已取得一定的成果，各種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和算法也不斷涌現(xiàn)。模糊控制和專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)合，可充分利用專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)推理機(jī)制和知識(shí)獲取能力?？梢灶A(yù)見(jiàn)，模糊控制必將成為逆變電源的核心控制技術(shù)之一。目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選取、學(xué)習(xí)方法的優(yōu)化等方面已有了一些研究成果，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)還沒(méi)有突破，因此未能成功地應(yīng)用于逆變電源的控制之中。綜上所述，每一種控制方案都有其特長(zhǎng)，如果將這些控制方案有選擇性地組合在～起，構(gòu)成新的復(fù)合控制方案，使它們彼此取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，就能夠更好地滿(mǎn)足逆變電源的控制要求。因此，復(fù)合控制是逆變電源輸出電壓波形控制的一種發(fā)展趨勢(shì)。1.3本課題的提出當(dāng)今，交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)已遍及世界各大洲，德國(guó)、瑞士等國(guó)已經(jīng)停止直流機(jī)車(chē)的生產(chǎn)。而目前在我國(guó)的鐵路上，牽引機(jī)車(chē)以直流傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)為主，其次是直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)，還有少量的蒸汽機(jī)車(chē)。這與國(guó)際上的先進(jìn)水平相比有著巨大的差距，為了追趕先進(jìn)，縮小差距，鐵道部制定的未來(lái)發(fā)展科技政策是：大力發(fā)展電力機(jī)車(chē)，合理發(fā)展內(nèi)燃機(jī)車(chē)，特別要發(fā)展交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)。這是因?yàn)榻涣鱾鲃?dòng)相比直流傳動(dòng)有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，其效率約高8%，而且，維修費(fèi)用大約是直流傳動(dòng)的35%。我國(guó)是一個(gè)能源相對(duì)缺乏的過(guò)家，發(fā)展交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)對(duì)緩解能源緊張，提高經(jīng)濟(jì)效益很有好處。因此，發(fā)展交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)成為科研攻關(guān)的重點(diǎn)，本課題就是在這樣的背景下提出的。

第2章高頻逆變電源的主電路2.1系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 2.1.1主電路的設(shè)計(jì)參數(shù)課題主要技術(shù)要求如下:直流側(cè)輸入電壓:75-130V波動(dòng)輸出交流電壓:110V輸出交流電頻率:20kHz容量:2kW2.2移相式PWM軟開(kāi)關(guān)高壓逆變電源的電路設(shè)計(jì)與分析2.2.1電源的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逆變電源的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖如圖2一1所示，現(xiàn)將工作原理簡(jiǎn)要介紹如下:三相38OV工頻交流電整流濾波后，變成O一500V可調(diào)直流電壓，然后該直流電壓經(jīng)IGBT逆變后，再由功率變壓器升壓輸出。電路中整流部分采用三相全橋可控整流，通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角而得到0一500V直流可調(diào)電壓，從而達(dá)到控制輸出功率與方便調(diào)試的目的。其主要電路圖如圖2-2所示。工作原理在這里不詳述。圖2-1逆變電源的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖圖2-2三相全橋整流電路IGBT全橋逆變電路結(jié)構(gòu)如圖2一2所示，采用移相式PWM控制方式，可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通與關(guān)斷，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗很小，其詳細(xì)的工作原理將在下一節(jié)分析。移相脈沖是利用MicroLinear公司的專(zhuān)用移相控制芯片ML4818產(chǎn)生的。該芯片是單電源供電，具有四路脈沖輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻阻值可以方便地調(diào)制四路脈沖的相位、頻率與寬度，因此，ML4818是一種理想的全橋逆變驅(qū)動(dòng)脈沖控制芯片。為了提高IGBT的抗干擾與驅(qū)動(dòng)性能，其驅(qū)動(dòng)采用了瑞士的315專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊驅(qū)動(dòng)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，具有過(guò)電流軟關(guān)斷功能。過(guò)電流保護(hù)部分中的電流檢測(cè)采用霍爾電流檢測(cè)元件。該元件反應(yīng)速度快，可達(dá)us級(jí)，設(shè)計(jì)方便，只需外接一電阻即可將電流信號(hào)線(xiàn)形轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。執(zhí)行元件采用固態(tài)繼電器。詳細(xì)的電路與工作原理見(jiàn)3.2.4節(jié)2.2.2逆變電源的主電路工作分析逆變電源的主電路，采用移相式PWM控制，開(kāi)關(guān)器件為零電壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗很小。其工作原理是利用變壓器的漏感和開(kāi)關(guān)器件的寄生電容，通過(guò)諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。VD1一VD4;分別為VTI一VT4的內(nèi)部寄生二極管，C1一C4;分別是VT1，一VT4的寄生電容，Lr是諧振電感(包括變壓器的漏感)。驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)在分析電路之前，先作如下假設(shè):①所有開(kāi)關(guān)管，二極管均為理想器件;②所有電感，電容和變壓器均為理想元件;③C1=C2=Clag，C3=C4=Clag:;下面詳細(xì)分析一下其工作過(guò)程:(1)模態(tài)[to-t1]圖2一3(a)在這期間，VTI和VT4同時(shí)導(dǎo)通，原邊電流電流從電源正端經(jīng)VT1，一Lr~變壓器原邊繞組一VT4，最后回到電源負(fù)端，向負(fù)載輸出功率。(2)模態(tài)2[t1-t2]圖2一3(b)在tl時(shí)刻，VTI關(guān)斷，而VT4延遲到七時(shí)刻關(guān)斷。原邊電流從VTI轉(zhuǎn)移到C3和C1支路中，給C，充電，同時(shí)C3放電，由于C1兩端電壓不能突變，故VT1是零電壓關(guān)斷。在此時(shí)候，因有Lr的續(xù)流作用，可以近似認(rèn)為原邊電流ip不變，類(lèi)似于一個(gè)電流源，于是ip和Cl，C3的電壓為:i=ip(t0)=I，uci(t)=I1t/(2Clag)uc3(t)=uin一I1t/(2Clag)C3上的電壓下降到零的時(shí)間為:a=(3)模態(tài)2[t2~t3]圖2一3(c)當(dāng)C3的電壓下降到零時(shí)，VT3的反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通，當(dāng)VD3導(dǎo)通后，在T2時(shí)刻，控制VT3導(dǎo)通，因VD3的箱位作用，故VT3為零電壓開(kāi)通。此時(shí)，雖然VT3在VD3導(dǎo)通后被開(kāi)通，但VT3中并沒(méi)有電流流過(guò)，ip仍由VD3流通。(4)模態(tài)3[t3~t4]圖2一3(d)在t3時(shí)刻，VT4關(guān)斷，由于C4的作用，為零電壓關(guān)斷。由C2和C4兩條路徑提供ip即ip用來(lái)抽走C2上的電荷，同時(shí)，又給C4充電，iP開(kāi)始減小。此時(shí)段iP和C2，C4的電壓為:ip=i2coswtuc2(t)=Zpi2sinwtuc2(t)=uin一Zpi2sinwt在t4時(shí)刻，當(dāng)C4的電壓上升到Uin，VD4自然導(dǎo)通。(5)模態(tài)4[t4一t5]圖2一3(e)在t4時(shí)刻，VD2自然導(dǎo)通，將VT2的電壓鉗位在零位，此時(shí)，VT2為零電壓開(kāi)通，ip在劫時(shí)刻開(kāi)始反向增加，此后，VT2和VT3中將流過(guò)電流，開(kāi)始另一半周，其工作情況類(lèi)似于上述半個(gè)周期。2-3(a)2-3(b)2-3(c)2-3(d)2-3(e)2.2.3移相脈沖電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析逆變電源的移相脈沖的產(chǎn)生采用ML4818專(zhuān)用移相控制芯片，與大多數(shù)普通的PWM控制集成芯片(如SG3525，TL494等)一樣，該芯片內(nèi)部含有基準(zhǔn)電源，振蕩器及誤差放大器，并設(shè)有軟啟動(dòng)與過(guò)電流禁止輸出功能不同的地方是該芯片有四路脈沖輸出，并可以對(duì)四路輸出進(jìn)行相位調(diào)制和延時(shí)控制，這也是ML4818的主要特點(diǎn)。其管腳功能如圖2一4所示。圖2-4管腳功能ML4818的工作原理，是其相位調(diào)制邏輯關(guān)系和波形圖運(yùn)放N1的同相端是鋸齒波，反相端是誤差放大電平，比較結(jié)果經(jīng)過(guò)或門(mén)去觸發(fā)器的置位端S。運(yùn)放N:是電流反饋放大器。當(dāng)同相端ILIM超過(guò)IV時(shí)輸出為高電平，也經(jīng)過(guò)或門(mén)去觸發(fā)器的S端。時(shí)鐘OSC輸出后分別加在基本R-S觸發(fā)器的R端和觸發(fā)器的T端，輸出端A1、A2和B1、B2的波形如圖2.2.4系統(tǒng)構(gòu)成圖和主電路圖降壓斬波穩(wěn)壓全橋逆變輸出變壓器電壓反饋降壓斬波穩(wěn)壓全橋逆變輸出變壓器電壓反饋圖2-5系統(tǒng)構(gòu)成圖圖2-6主電路圖2.2.5工作原理如圖2-6所示，75-130V的直流電輸入后，經(jīng)降壓斬波器斬波變成70V,20kHz的直流方波信號(hào)，送給IGBT逆變電路，逆變產(chǎn)生20kHz的交流方波電壓，此電壓經(jīng)高頻升壓變壓器生壓為110V，然后，整流濾波供給負(fù)載。本主電路可經(jīng)電壓傳感器獲得電壓反饋信號(hào)。采用全橋逆變電路使開(kāi)關(guān)管在承受同樣的耐壓和電流下，逆變器有更大的功率輸出。2.3系統(tǒng)主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)2.3.1斬波器的設(shè)計(jì)1斬波器的工作原理斬波器工作如下:在T=0時(shí)觸發(fā)IGBT，因負(fù)載中有電阻和電感，負(fù)載電流按指數(shù)曲線(xiàn)上升，IGBT導(dǎo)通期間，負(fù)載電壓等于電源電壓E。當(dāng)T=TK時(shí)刻，通過(guò)換流電路的作用，使IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流通過(guò)二極管續(xù)流，負(fù)載電流按指數(shù)曲線(xiàn)下降。為了減小負(fù)載電流的脈動(dòng)，串接較大值電感L，使負(fù)載電流能連續(xù)，到一周期再觸發(fā)IGBT，重復(fù)上述工作。到穩(wěn)態(tài)時(shí)，一周期內(nèi)電流的初值與終值應(yīng)相等。負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載端直流輸出電壓的平均值為:式中t1為IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，t2為IGBT的斷電時(shí)間，a為導(dǎo)通比，小于1，它與U。成正比關(guān)系，改變導(dǎo)通比a，就可以使U。從零到E之間連續(xù)變化。2斬波器中儲(chǔ)能電感的計(jì)算在儲(chǔ)能電感L中流過(guò)的電流具有較大的直流分量，并疊加一交變分量。一般情況下，交變分量的平均值比支流分量小得多。直流分量在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生較大的支流磁偏量，使鐵芯飽和，所以鐵芯必須加氣隙，由于交變磁化分量較小，一般情況下，△B<<Bm-Br，局部磁滯回線(xiàn)包圍的面積較小。鐵芯儲(chǔ)能最大值：Wm=1/2*L*Im2=1/2*μ*N2*Sc/Lc*(Hm*Lc/N)2=1/2*Bm*Hm*Vc公式中Vc=Sc*Lc為鐵芯體積；Bm=μe*Hm由上式可見(jiàn)，對(duì)于一定的鐵芯材料來(lái)說(shuō)，只有加大鐵芯體積來(lái)增大鐵芯儲(chǔ)能。降壓斬波電路中，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)設(shè)電流線(xiàn)形變化，U1=L*△I/TonL=U1*Ton/△I已知輸出電壓U2=70V，輸出功率P2=2000W，T=50μs（1）最大輸出電壓U=130Va=T=T*as取△I=10%I=10%*L=U1*T（2）最小輸入電壓U1=75V時(shí)，同理可求得加氣隙后的電感值：由于鐵芯材料μr〉〉1,鐵芯加氣隙后，等效的相對(duì)磁導(dǎo)率：=加氣隙后的電感值：L=S取N=50（匝），可求得3高頻變壓器的設(shè)計(jì)（1）高頻變壓器的作用高頻變壓器的作用是電壓變換，功率傳遞以及實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的隔離。（2）高頻變壓器的特點(diǎn):電源電壓非正弦波，而是交流方波，鐵芯損耗比普通變壓器大，在確定鐵芯損耗時(shí)應(yīng)考慮高次諧波;為了保證波形不失真或少失真，應(yīng)盡可能減小變壓器漏感，因此變壓器采用環(huán)行結(jié)構(gòu);分析普通變壓器所用的向量圖和等值線(xiàn)路在此不適用。（3）高頻變壓器鐵心材料的選擇:本裝置的輸出高頻變壓器采用超微晶鐵芯，鐵芯的形狀為環(huán)形，以保證其漏感最小。BB=變壓器原邊繞組電流：I=45.7AS=導(dǎo)線(xiàn)直徑:R=D變壓器原邊匝數(shù)：N=f工作頻率20KHZBS變壓器有效截面積，SN=（匝）Nn=N=變壓器次邊電流：S=R=D2.3.2逆變電路的工作原理圖2-7系統(tǒng)的逆變電路圖穩(wěn)定的70V直流經(jīng)全橋逆變器，逆變成20kHz的交流方波。當(dāng)TI,T4這一對(duì)IGBT導(dǎo)通時(shí)，70V電壓加在高頻變壓器原邊，極性上正下負(fù);當(dāng)T2,T3這一對(duì)IGBT導(dǎo)通時(shí)，70V反向加在高頻變壓器的原邊，極性上負(fù)下正。逆變時(shí)，必須保證T1,T4導(dǎo)通時(shí)，T2,T3可靠關(guān)斷;反之亦然。因此，在兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間，要有一定的死區(qū)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，T1—T4管均關(guān)斷，依此來(lái)保證上述要求。

第3章高頻逆變電源的控制電路3.1總體設(shè)計(jì)框圖及原理3.1.1總體設(shè)計(jì)框圖圖3-1總體設(shè)計(jì)框圖3.1.2工作原理如圖4-1所示，高頻逆變電源的控制電路主要為兩大部分:斬波控制和逆變控制。給定電壓Vg*與反饋電壓Vf疊加后的信號(hào)V=Vg*-Vf經(jīng)調(diào)節(jié)器后與振蕩器的三角波信號(hào)相比較，再經(jīng)過(guò)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和光電耦合隔離，驅(qū)動(dòng)斬波器的IGBT，對(duì)斬波器進(jìn)行控制。使其將75-130V的直流電斬波變成70V,20kHz的直流方波。振蕩器產(chǎn)生的三角波信號(hào)同時(shí)經(jīng)另外兩個(gè)比較器(比較器II、比較器III)后，經(jīng)微型逆變器，控制單向全橋逆變電路(詳見(jiàn)圖4.4)，最后產(chǎn)生的20kHz,70V的交流電經(jīng)升壓變壓器后，變成110V,20kHz的交流電。3.2驅(qū)動(dòng)電路3.2.1驅(qū)動(dòng)電路圖及工作原理圖3-2驅(qū)動(dòng)電路圖按圖4.2所示的驅(qū)動(dòng)電路圖，其工作原理如下:當(dāng)光敏二極管有3-5mA的電流流過(guò)時(shí)，光耦6N137導(dǎo)通，輸出低電平，從而V1截止，使A點(diǎn)電位上升至近20V,V2導(dǎo)通，V3截止;電路通過(guò)V2及柵極電阻R6向IGBT提供電流使之迅速導(dǎo)通。當(dāng)光敏二極管無(wú)電流流過(guò)時(shí)，光耦6N137不導(dǎo)通，電源經(jīng)R1,R2給V1提供基極電流，V1導(dǎo)通，A點(diǎn)電位迅速下降至0V,V2截止，V3導(dǎo)通，IGBT柵電荷通過(guò)V3迅速放電，因?yàn)?5V關(guān)柵電壓的存在，可使IGBT迅速可靠關(guān)斷。3.2.2參數(shù)計(jì)算及選擇R1為限流電阻，因?yàn)閂取+20V，為保證光耦正常工作，經(jīng)估算R取50K，此時(shí)I==0.4mA.R,R為柵極電阻，取R=R=100為保證V1正常工作，取R=10K則流過(guò)V1的最大電流I==2mA,因?yàn)閂的參數(shù)為1/2,+5V,可承受的電流為I=0.1A，為使其可靠工作R5>()，取R=330。R為IGBT柵極電阻，一般為幾十歐~幾百歐，取R=100,R=(1000~5000)R=300K。3.3逆變電路3.3.1控制系統(tǒng)原理框圖及基本思想圖3-3逆變電路系統(tǒng)框圖 控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.3所示。其基本思想是應(yīng)用一個(gè)電壓控制振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)積分后得到一個(gè)三角波，然后與一個(gè)可變幅值的直流電壓經(jīng)兩個(gè)比較器比較輸出兩個(gè)相位可變的方波信號(hào)。全橋逆變控制電路的功能是:把70V直流電壓逆變成20KHZ交流方波電壓。3.3.2單相全橋逆變電路控制圖及參數(shù)計(jì)算1單相全橋逆變電路控制電路圖，。2參數(shù)選擇及計(jì)算NE555產(chǎn)生的三角波經(jīng)過(guò)兩極RC直流濾波，成為交變?nèi)遣?，頻率20KHz，一路輸入LM319高速比較器的同相輸入端，與一個(gè)正的參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)光電耦合器6N137隔離，再利用三極管變換成驅(qū)動(dòng)信號(hào);另一路三角波輸入LM319高速比較器的反相輸入端，與一個(gè)負(fù)的參考電壓比較，產(chǎn)生控制信號(hào)，同樣經(jīng)過(guò)光電耦合器6N137隔離和三極管變換成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。顯然，這兩路信號(hào)是相反的，而且因正負(fù)參考電壓的設(shè)置，自動(dòng)形成“死區(qū)時(shí)間”，以保證全橋逆變時(shí)不會(huì)出現(xiàn)橋臂直通短路現(xiàn)象。通過(guò)改變正負(fù)參考電壓值來(lái)調(diào)整“死區(qū)時(shí)間”。從光電耦合器至IGBT的柵源極，這部分電路與斬波控制驅(qū)動(dòng)電路相同，元件參數(shù)選擇也相同。圖3-4系統(tǒng)控制電路圖3.4斬波電路3.4.1控制系統(tǒng)原理框圖及基本思想1系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器比較器驅(qū)動(dòng)電路光電耦斬波器壓控振蕩器積分器直流Vg*-Vf圖3-5斬波電路系統(tǒng)框圖2基本思想在無(wú)差調(diào)節(jié)自控系統(tǒng)中比例積分調(diào)節(jié)器得到十分廣泛的應(yīng)用。為了保證整個(gè)電路的穩(wěn)定性及輸出110V交流電的可靠性引入PI調(diào)節(jié)器，信號(hào)輸出后與壓控振蕩器的方波信號(hào)經(jīng)積分器后的三角波進(jìn)行比較，輸出穩(wěn)定的方波，再經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)斬波器進(jìn)行控制。降壓斬波控制驅(qū)動(dòng)電路的功能是:把75-130V直流電壓通過(guò)PWM控制方式穩(wěn)定在70V直流電壓。3、降壓斬波控制電路的工作原理由NE555外加電位器和電容構(gòu)成三角波發(fā)生器，產(chǎn)生20kHz三角波與反饋穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的電壓相比較，產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈沖，然后經(jīng)過(guò)6N137隔離，再進(jìn)行功率放大，形成+15V開(kāi)通電壓和-5V關(guān)斷電壓，控制斬波IGBT的開(kāi)斷。3.4.2斬波控制電路圖及參數(shù)選擇1控制電路圖，。2參數(shù)選擇（1）三角波產(chǎn)生原理圖3-6NE555定時(shí)器電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化原理圖如圖4.6所示:NE555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)三角波，電源接通瞬間，電容C上的電壓為0,3端輸出為V。為高電平，電容充電;當(dāng)電容電壓上升至2/3Vcc，輸出電壓跳變?yōu)榈碗娖?，電容開(kāi)始放電;電壓降至1/3Vcc,輸出為高電平，電容又開(kāi)始充電。電容電壓大于1/3Vcc，小于2/3Vcc。輸出電壓保持高電平;電容充電至2/3Vcc時(shí)，輸出電壓為低電平，如此循環(huán)往復(fù)，6端可輸出三角波，最小電壓值為4V，最大電壓值為8V,如圖4.6所示。它包括兩個(gè)電壓比較器Cl和C2，一個(gè)RS觸發(fā)器，放電三極管T1,復(fù)位三極管T2，以及三個(gè)阻值為5千歐的電阻組成的分壓器。定時(shí)器主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電三極管T，的狀態(tài)。當(dāng)比較器C2的觸發(fā)輸入電壓V2<1/3VC。時(shí)，C:輸出為1，觸發(fā)器被置位，放電三極管T1截止;當(dāng)比較器C、的閥值輸入端電位高于2/3VC。時(shí)，C;輸出為1，觸發(fā)器又被復(fù)位，且放電三極管T,導(dǎo)通。此外，若復(fù)位端為低電平時(shí)，復(fù)位三極管T:導(dǎo)通，內(nèi)部參考電位強(qiáng)制觸發(fā)器復(fù)位，不管比較器輸出信號(hào)如何，因此當(dāng)復(fù)位端不用時(shí)，應(yīng)將其接高電平。綜合上述分析，NE555定時(shí)器基本功能如表4.1所示:表3-1NE555定時(shí)器基本功能輸入輸出閥值輸入觸發(fā)輸入復(fù)位輸出放電管TXX00導(dǎo)通<2/3Vcc<1/3Vcc11截止>2/3Vcc>1/3Vcc10導(dǎo)通<2/3Vcc>1/3Vcc1不變不變（2）NE555定時(shí)器外接電阻、電容的計(jì)算與選擇U=V(1-e)+=V-U=e=RCT=2RCln2T=50C，取R為5K（3）控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生原理三角波信號(hào)接入高速雙路比較器LM319反相輸入端，從反饋穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器出來(lái)的電壓信號(hào)接入同相輸入端，兩者比較，在7端輸出占空比變化、頻率為20KHZ、電壓幅值約為6V的控制信號(hào)。當(dāng)7端輸出6V電壓時(shí)，光電耦合器的光敏二極管有電流流過(guò)，輸出低電平，T1截止，T2飽和導(dǎo)通，T3截止，IGBT柵源極獲得+10V電壓;當(dāng)LM319輸出為0V電壓時(shí)，光敏二極管不導(dǎo)通，輸出為高電平，T1導(dǎo)通，T2截止，T3導(dǎo)通，IGBT柵源極獲得-5V電壓。由本章第二節(jié)己知6N137光電耦合器的內(nèi)部電路、管腳圖及特點(diǎn)。因?yàn)楣怦钶斎腚娏鱅F<5mA，取IF=4mA，而LM319的7端集電極開(kāi)路，工作時(shí)需加+12V的電源和電阻R50，經(jīng)過(guò)估算，取R50為1K,R51為1K.光電耦合器的7端為控制端，通過(guò)限流電阻接到+15V電源。這時(shí)，為了保證6端輸出高電平時(shí)，T1飽和導(dǎo)通，基極電流大些，取2mA選R53為5.1K電阻;RS為47歐電阻。穩(wěn)壓管通過(guò)R56接至+15V電壓，R56取為1K，流過(guò)穩(wěn)壓管電流為l0mA左右。RG一般取十幾至幾百歐，這里通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取47，RGE取300K。3.5PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.5.1基本原理圖3-7PI調(diào)節(jié)器的典型電路圖由圖4.7可見(jiàn):它是由高放大倍數(shù)直流運(yùn)放A和Rf.Cf反饋電路組成。運(yùn)放輸入端，輸入給定信號(hào)電壓Vi和副反饋信號(hào)Vf兩者進(jìn)行比較，其偏差量△V1對(duì)反饋電容Cf進(jìn)行充電或放電，對(duì)運(yùn)放的輸出電壓Vc進(jìn)行調(diào)節(jié)。在V=0時(shí)，比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為W(S)==K式中K=R/R進(jìn)一步簡(jiǎn)化W(S)=K(1+)=K+式中K=式中第一項(xiàng)Kc相當(dāng)于比例放大作用，第二項(xiàng)K/S相當(dāng)于以Ki為積分增益系數(shù)的積分作用，二者合成為比例積分控制。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。圖3-8控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.5.2參數(shù)選擇及計(jì)算調(diào)節(jié)反饋電阻Rf與電容Cf的大小，可改變調(diào)節(jié)器響應(yīng)的速度，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須對(duì)Rf和Cf進(jìn)行合理選擇。一般是參照相類(lèi)似系統(tǒng)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)一定的理論分析與計(jì)算，估算出近似值，然后在實(shí)際調(diào)試中進(jìn)行必要的修正。經(jīng)估算，取R=100K，Cf則=RfC=100*10*4.4*10取K=10，則R=10K第4章保護(hù)電路4.1IGBT過(guò)壓的原因及抑制圖4-1系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效逆變電路圖IGBT關(guān)斷時(shí)，由于主回路電流的急劇變化，主回路的雜散電感引起高壓，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)浪涌電壓，關(guān)斷時(shí)的電壓軌跡超過(guò)了RBSOA就會(huì)損壞元件。為了對(duì)這種過(guò)電壓進(jìn)行抑制，采用的緩沖器回路如:圖4-2緩沖回路圖4.1.1工作原理在IGBT導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)R1使C1充電到直流電源Ud。當(dāng)IGBT由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于主回路的雜散電感，電流I0將通過(guò)C1,D5流向變壓器原邊，管子兩端的電壓為電容電壓與二極管電壓之和，由于電容器C1上的電壓不能突變，所以主管兩端電壓將得到抑制。4.1.2緩沖器回路的設(shè)計(jì)（1）緩沖器電容的計(jì)算:當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，為維持負(fù)載電流的連續(xù)，電流I0將流過(guò)電容C1、D5、變壓器原邊、T4，雜散電感L中儲(chǔ)存的能量絕大部分將轉(zhuǎn)移到C1儲(chǔ)存，即:1/2LI02=1/2Cs1(VCEP一Ud)2這里:L主回路的雜散電感I0IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流VCEP一IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極一發(fā)射極電壓Ud--一直流電源電壓按經(jīng)驗(yàn)選取Cl=2μf.（2）緩沖器阻抗R的計(jì)算:對(duì)緩沖器阻抗的要求是使IGBT在關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前，將緩沖器電容上的電壓放至直流電壓Ud。若阻抗很小,會(huì)使電流波動(dòng)，IGBT開(kāi)通時(shí)的集電極電流初始值將增大，在滿(mǎn)足R<=的前提下，希望選取盡可能大的阻值，選取R=4緩沖電路中，電容要選為無(wú)感電容。電阻要選為無(wú)感電阻。（3）緩沖器二極管的選擇:要選擇超快恢復(fù)二極管，若二極管選擇不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，同時(shí)在二極管反向回復(fù)時(shí)期電壓波動(dòng)。這里選擇的二極管型號(hào)為MUR8100。由圖5.2可知:緩沖器二極管D5和緩沖器電容Cl的公共點(diǎn)是二極管的陽(yáng)極，所以圖5-2中二極管電壓為實(shí)際電壓的相反值，可以看出，在TI由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)Cl充電，所充電壓為，其中L為主回路的雜散電感。在T3導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，Dl不通并承受反壓，C1通過(guò)R1充電，所充電壓為

4.2IGBT的過(guò)流保護(hù)4.2.1IGBT過(guò)流保護(hù)的必要性前面在選擇IGBT的型號(hào)時(shí)，考慮了器件的工作電流及允許的過(guò)電流，然而在故障條件下，器件承受較大的故障浪涌電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護(hù)器件免受破壞。對(duì)于負(fù)載變化引起的過(guò)載，通過(guò)閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當(dāng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的過(guò)載，例如負(fù)載短接，逆變電路橋臂短接，變壓器原邊或副邊短接等等，故障電流將在IGBT管中急劇上升，這時(shí)就要給IGBT提