基于单片机控制的逆变稳压电源设计与仿真研究.docx
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基于单片机控制的逆变稳压电源设计与仿真研究
沈阳工业大学本科生毕业设计(论文)
论文题目:
基于单片机控制的逆变稳压电源设计与仿真研究
DesignandSimulationofInvertManostatBasedonSingle-chipMicrocomputerControl
学院:
电气工程学院
专业班级:
电气工程及其自动化0703班
学号:
070301094
学生姓名:
林志伟
指导教师:
孙鹏(教授)
2011年5月11日
摘要
逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。
随着电力电子技术的发展,逆变电源的应用越来越广泛,但应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求,因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。
在这中情势下,逆变电源的数字化控制便应运而生。
数字化控制以控制简单、灵活,输出性能更稳定,可以实现模拟控制所不能达到的控制等诸多优势成为电源研究领域的一大热点。
随着数字信号处理技术的发展,以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。
本文介绍的SPWM逆变电源就是采用PIC单片机来实现SPWM控制和正弦波方式输出,而且电路简单,性能安全可靠,灵活性强,同时可以降低谐波,提高效率。
论文首先介绍了SPWM基本原理及其控制方式、SPWM的生成方法,并结合本课题给出了查表法生成SPWM波的一般方法。
分析电路特点,建立PWM逆变器的电路模型,在此数学模型基础上,针对逆变器研究分析了用于逆变器设计的各种数字控制技术、控制方案,并介绍了IGBT的驱动模块。
最后,对SPWM波发生器的使用和编程以及系统的软件设计过程进行了简单介绍。
利用仿真工具软件对所设计的电力电子设备进行仿真,有利于缩短产品的设计时间,有利于提高产品的可靠性,在本文中,主要应用PROTUES软件进行仿真分析。
关键词:
逆变电源;SPWM;单片机控制;IGBT
Abstract
Invertermanostatisadevicewhichusedpowerelectronicstechnologytoconvertelectricity.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,theapplicationofinverterpowersupplymoreandmorewidely,buttheapplicationofinverterpowersupplysystemoftheoutputvoltagewaveformcharacteristicsalsosubsequentlyputforwardmoreandmorehighdemand,becausethepoweroutputwaveformqualitydirectlyrelatestothewholesystemsafetyandreliabilityindex.Inthiscase,digitalcontrolofInvertermanostatcomeintobeing.
Digitalcontrolstrategyhasbeenemployedinstudyanddesignofpowersupplybecauseoftheadvantagessuchassmartcontrolmethod,steadyoutputperformanceandhighcontrolaccuracycomparingwithanaloguecontrolstrategy.Alongwiththedigitalsignalprocessingtechnologydevelopment,thecontrolmodedesignwithSPWMinverterpowersupplymoreandmorebefavored.
ItfirstlyintroducesthebasicprincipleanditscontrolmethodSPWM,ThemethodofgeneratingSPWM,AndwiththistopicqueryingmethodaregiventhegeneralmethodofgeneratingSPWMwave.Analysisthecircuitfeatures,buildaPWMinvertercircuitmodel,basedonthismathematicsmodel,thestudyanalyzedtheinvertersareusedfordesignofinverterdigitalcontroltechnology,controlplan,andintroducesIGBTdrivemodule.Finally,SPWMwavegeneratorfortheuseofthesoftwareandsystemprogramminganddesignprocessareintroducedinbrief.
Usingsimulationtoolsoftwarethedesignofpowerelectronicequipment,andsimulationshortenproductdesigntime,improvethereliabilityoftheproduct,inthispaper,weusethePROTUESsoftwaresimulation.
Keywords:
InvertManostat;SPWMwave;Single-chipmicrocomputercontrol;IGBT
第一章绪论
1.1论文研究背景、目的及意义
1.1课题研究背景、目的及意义
电源是电力电子技术的主要应用领域之一,随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用,逆变电源技术得到越来越广泛的应用。
电源技术的发展,大体经历了几个阶段:
由磁放大式到硅二极管整流式,再到可控硅(晶闸管)整流式,直到发展到逆变式(开关式)。
现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学[2]。
这们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制(PWM)技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。
通常,把交流电变成直流电的过程叫做整流;完成整流功能的电路叫做整流电路。
与之相对应,把直流电变成交流电的过程叫做逆变,完成逆变功能的电路则称为逆变电路,而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。
采用逆变技术,可使所设计的电源具有许多方面的优越性:
1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率
通过控制回路,我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例,从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。
2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电,这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。
3.可明显地减小用电设备的体积和重量,节省材料
在很多用电设备中,变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量,如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高,则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小,变压器的体积和重量明显地减小了。
4.采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性,表现在如下几个方面[3]:
1)在许多应用交流电动机的场合,在其负载变化时,传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例,这样电动机就会频繁地制动、起动。
而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大,如使用变频电源来调节电动机做功的量,则可节约很大一部分能量。
2)采用逆变技术的电源,其变压器的体积和重量大大减小了,也即减小了铁心横面积和线圈匝数。
变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗,铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。
因此,采用逆变技术大大提高变压器的工作频率,使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多,从而达到节能的目的。
3)传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间,这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。
在逆变电源中,如果用功率因数校正技术,能使输入电流的谐波成分变得很小,从而使功率因数约为1,节能的效果非常明显。
5.动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高,调节周期短,使得电源设备的动态响应或者说动态特性好,表现为:
对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、输出稳定、纹波小。
6.电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快,对保护信号反应快,从而增加了系统的可靠性。
另外,现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求,一个特定用途的电源,应当具有特定的负载性能要求和外特性,同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点,另外,无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。
1.2国内外研究现状及趋势
逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的,器件的发展带动着逆变电源的发展。
逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代,到目前为止,它已经历了三个发展阶段[5]。
第一代逆变电源是采用品闸管(SCR)作为逆变器的开关器件,称为可控硅逆变电源。
可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转刑变流机组,但由于SCR足一种没有自关断能力的器件,因此必须增加换流电路来强迫关断SCR,但换流电复杂、噪声大、体积大、效率低等原意却限制了逆变电源的进一步发展。
第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件[3]。
白20世纪70年代后期,各种自关断器件相运而生,它们包括可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管
(GTR)、功率场效应品体管(MOSFET)、绝缘栅双极型品体管(IGBT)等。
自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的一性能,逆变器采用自关断器件的好处是:
①简化了主电路。
由于自关断器件不需要换流电路,因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高;
②提高了性能。
由于自关断器件的使用,使得开关频率得以提高,从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低,因而使输出滤波器的尺寸得以减小,逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。
在自关断器件当中,IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。
IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。
第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的SPWM控制技术。
图1-1是第二代逆变电源典型控制方法示意图,输出电压有效值或平均值反馈控制使逆变电源输出电压幅值稳态无差。
X
变压器
LC
滤波器
PWM
逆变器
PI
U*+
-
Uf
Sin(ɷt)
三角波
K
电压有效值
图1-1逆变电源典型控制方法示意图
第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点,但由于它所采用的SPWM控制技术只注重如何通过恰当设汁开关模式来实现逆变器输出频谱的优化,没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响,所以存在以下缺点:
①对非线性负载的适应性不强。
当逆变电源输出带非线性负载时,负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻。
引起输出电压波形畸变;②死区时间的存在将使SPWM波中含有不易滤掉的低次谐波,使输出电压波形发生畸变;③动态特性不好。
负载突变时输出电压调整时间长。
之所以出现这种情况,是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈,而没有瞬时值反馈;④给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大。
在三相电源中,三相输出之间的相差不易满足120°要求。
第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术,使逆变电源的性能得到提高。
实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的,它是近几年来发展起来的新型电源控制技术,目前仍在不断地完善和发展之中,实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。
实时反馈控制技术多种多样,主要有以下几种;①重复控制;②谐波补偿控制;③无差拍控制;④单一的电压瞬时值控制;⑤带电流内环的电压瞬时值反馈控制。
其中以第五种控制方法因实现方便,逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。
1.3论文的主要工作
本文主要论述了基于单片机控制逆变稳压电源的基本原理、结构和设计过程,并且在搭接实验电路之前,利用仿真工具软件对所设计的电路进行仿真,验证电路的可行性。
1.3.1论文的主要任务
本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用,并用电源的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型逆变稳压电源,先用PROTUES对所设计的系统进行仿真,分析其可行性,在此基础上,对所设计的电源系统进行调试,故本课题的名字为:
基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计与仿真。
本课题所设计逆变电源的参数要求:
(1)输入电压:
输入电源590VDC;
(2)输出电压:
输出为单相220VAC(有效值)、频率为50Hz的稳压电源;
(3)输出功率:
3KW,允许过载10%。
1.3.2本选题的意义
现在,电源技术的发展使得用新型、高效的开关电源取代传统电源己成为必然。
传统的稳压电源一般都是线形电源,这种电源效率低、体积大。
随着技术的发展,开关电源的开关频率越来越高,使得电源的小型、轻量化成为可能。
电源工作在开关状态,从原理上讲是低损耗的。
本电源就是用新型的数字化开关电源取代传统电源,其特点就是效率高、体积小、保护完善等。
第二章逆变原理
2.1IGBT管的基本原理与特性
绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)简称IGBT,因为它的等效结构具有晶体管模式,所以称为绝缘栅双极型晶体管。
IGBT于1982年开始研制,1986年投产,是发展很快而且很有前途的一种混合型器件。
IGBT综合了MOS和GTR的优点,其导通电阻是同一耐压规格的功率MOS的1/10,开关时间是同容量GTR的1/10。
在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域,IGBT有取代GTR和VDMOS的趋势[1]。
2.1.1IGBT的工作原理
N沟道IGBT通过在栅极-发射间加阈值电压UTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的P层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的N层注入电子。
该电子为PNP晶体管的少数载流子,从集电极衬底P层开始注入空穴,行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。
在发射极电极侧形成NPN寄生晶体管。
若寄生体管工作,又变成PNP晶闸管。
电流继续流动,直到输出侧停止供给电流通过输出信号已不能进行控制。
这种状态称为闭锁状态。
为了抑制寄生晶体管的工作,IGBT采用尽量缩小PNP晶体管的电流放大数α作为解决闭锁的措施。
具体来说,PNP的电流放大系数α设计在0.5以IGBT的闭锁电流IL为额定电流(直流)的3倍以上。
IGBT的驱动原理与功率MOS基本相同,为场控器件,通断由栅射极电压UGE决定。
导通:
UGE大于开启电压时,MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流
IGBT导通。
导通压降:
电导调制效应使电阻RON减小,使通态压降减小。
关断:
栅、射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体
的基极电流被切断,IGBT关断。
2.1.2IGBT的特性与参数特点
1.IGBT的伏安特性和转移特性
IGBT的伏安特性如图2-2(a)所示,它反映在一定的栅极-发射极电压UGE与Ic的关系。
UGE越高,Ic越大。
值得注意的是,IGBT的反向电压承受能力很差,从曲线中可知,其反向阻断电压Ubm只有几十伏,因此限制了它在需要承受高反压场所的使用。
图2-2(b)是IGBT的转移特性曲线。
当Uge>Uge(th)(开启电压,一般为3-6伏)时,IGBT开通,其输出电流IC与驱动电压
基本呈线性关系。
当Uge 图2-1IGBT的伏安特性和转移特性 2.IGBT的参数特点 (1)IGBT的开关特性好,开关速度快,其开关时间是同容量GTR的1/10。 IGBT的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。 开通时间Ton定义为从驱动电Uge的脉冲前沿上升到最大值Ugem的10%所对应的时间起至集电极电流Ic上升到最大值Icm的90%止所对需要的时间。 ton又可分为开通延迟时间td(on)和电流上升时间tr两部分。 td(on)定义为从10%Ucem到10%Icm所需的时间,tr定义为Ic从10%Icm上升至90%Icm所需要的时间。 IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。 关断时间Toff定义为从驱动电压Uge的脉冲后沿下降到90%Ucem处起至集电极电流下降到1%Icm处所经过的时间。 Toff又可分为关断延迟时间Td(off)和电流下降时间Tf两部分。 Td(off)是从90%Ucem至90%Icm所需的时间;Tf是指90%Icm下降至10%Icm所需的时间,Tf由Tfi1(由IGBT中的MOS管决定)和Tfi2(由IGBT中的PNP晶体管决定)两部分组成。 (2)IGBT的通态压降低。 在大电流段是同一耐压规格的VDMOS的1/10左右。 在小电流段的1/2额定电流以下通态压降有负温度系数,因此IGBT在并联使用 是具有电流自动调节能力。 (3)IGBT的集电极电流最大值Icm。 在IGBT管中由Uge来控制Ic的大小,当Ic大到一定的程度时,IGBT中寄生的NPN和PNP晶体管处于饱和状态,栅极G失去对集电极电流Ic的控制作用,这叫擎住效应。 IGBT发生擎住效应后,Ic大、功耗大,最后使器件损坏。 为此,器件出厂时必须规定集电极电流的最大值Icm,以及与此相应的栅极-发射极最大电压Ugem。 集电极电流值超过Icm时,IGBT产生擎住效应。 另外器件在关断时电压上升率dUce/dt太大也会产生擎住效应。 (4)IGBT的安全工作区比GTR宽,而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。 IGBT在开通时为正向偏置,其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA,如图 2-2(a)所示,IGBT的导通时间越长,发热越严重,安全工作区越小。 IGBT在关断时为反向偏置,其安全工作区称为反偏安全工作区RBSOA,如图2-2(b)所示,RBSOA与电压上升率dUce/dt有关,dUce/dt越大,RBSOA越小。 在 使用中一般通过选择适当的Uce和栅极驱动电阻控制dUce/dt,避免IGBT因dUce/dt过高而产生擎住效应。 (5)IGBT的输入阻抗高,可达 欧姆数量级,呈纯电容性,驱动功率小,这些与VDMOS相似。 图2-2IGBT的安全工作区 (6)与VDMOS和GTR相比,IGBT的耐压可以做得更高,最大允许电压 可达到4500伏以上。 (7)IGBT的最高允许结温为150摄氏度。 VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加,而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小,具有良好的温度特性。 2.1.3IGBT的保护 IGBT与电力MOSFET管一样具有极高的输入阻抗,容易造成静电击穿,故在 存放和测试时应采取防静电措施。 IGBT作为一种大功率电力电子器件常用于大电流、高电压的场合,对其采取保护措施,以防器件损坏显得非常重要。 (1)过电流保护 IGBT应用于电力系统中,对于正常过载(如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等)系统能自动调节和控制,不至于损坏IGBT。 对于非正常的短路故障要实行过流保护。 通常的做法是: ①切断栅极驱动信号。 只要检测出过流信号,就在2us内迅速撤除栅极信号。 ②当检测到过流故障信号时,立即将栅压降到某一电平,同时启动定时器,在定时器到达设定值之前,若故障消失,则栅压又恢复到正常工作值;若定时器到达设定值时故障仍未消除,则把栅压降低到零。 这种保护方案要求保护电路在1-2us内响应。 (2)过电压保护 利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率 。 但由于IGBT的安全工作区宽,因此,改变栅极电阻的大小,可减弱IGBT对缓冲电路的要求。 然而,由于IGBT控制峰值电流能力比VDMOS强,因此在有些应用中可不用缓冲电路。 (3)过热保护 利用温度传感器检测IGBT的壳温,当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护。 2.2逆变技术及其原理 通常,把交流电变成直流电的过程叫做整流;完成整流功能的电路叫做整流 电路。 与之相对应,把直流电变成交流电的过程叫做逆变,完成逆变功能的电路 则称为逆变电路,而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。 现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。 这 们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子 技术、半导体变流技术、脉宽调制(PWM)技术、磁性材料等学科基础之上的一 门实用技术。 2.2.1现代逆变技术的分类 现代逆变技术种类很多,其主要的分类方式如下: 1.按逆变器输出交流的频率,可分为工频逆变(50∽60Hz)、中频逆变(400Hz到十几KHz)、高频逆变(十几KHz到MHz)。 2.按逆变器输出的相数,可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 3.按输出能量的去向,可分为有源逆变和无源逆变。 4.按逆变主电路的形式,可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 5.按逆变主开关器件的类型,可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等等。 6.按输出稳定的参量,可分为电压型逆变和电流型逆变。 7.按输出电压或电流的波形,可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 8.按控制方式,可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。 9.按逆变开关电路的工作方式,可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。 2.2.2逆变技术的基本原理 图2-3(a)为单相桥式逆变电路,S1-S4是桥式电路的4个臂,它们由电力电子器件及其辅助电路组成。 当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压u0为正;当开关S1、S4断开,S2、S3闭合时,u0为负,其波形如图2-3(b)所示。 这样,就把直流电变成交流电,改变两组开关的切换频率,即可改变输出交流电的频率。 这就是逆变电路的最基本的工作原理。 当负载为电阻时,负载电流i0和电压u0的波形形状相同,相位也相同。 当负载为阻感时,i0相位滞后于u0,两者波形的形状也不同,图2-3(b)给出的就是阻感负载时i0波形。 设t1时刻以前S1、S4导通,u0和i0均为正。 在t1时刻断开S1、S4,同时合上S2、S3,则u0的极性立刻变为负。 但是,因为负载中有电感,其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。 这时负载电流从直流电源负极流出,经S2、负载和S3流回正极,负载电感中储存的能量向直流电源反馈,负载电流逐渐减小,到t2时刻降为零,之后i0才反向并逐渐增大。 S2、S3断开,S1、S4闭合时的情况类似。 上面是S1-S4均为理想开关时的分析
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