基于IGBT的DC-AC变换器设计.doc

1、 毕 业 设 计（论文） 2009 届 题 目 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器设计 专 业 电子信息工程 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 12001 完成日期 2009年 5 月 6 日 湖州师范学院本科毕业论文 I 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器设计 摘 要： 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。在设计中，我们采用 PWM 逆变控制技术，单片机 ATMEGA16 输出 PWM 波，经 TLP250 驱动模块去驱动 IGBT 为开关单元的单相电压逆变电路。我们对 ATMEGA16 单片机 PWM 波发生器的使用和编程进行了介绍，还对 IGB

2、T 的驱动模块 TLP250 进行了介绍，另外，我们还讨论了 IGBT管的缓冲电路和系统的保护电路，同时分析了系统的软件设计过程。 利用仿真工具软件软件对所设计的 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。 关键字： 绝缘栅双极型晶体管 ,脉宽调制 湖州师范学院本科毕业论文 II The Design of DC-AC Converter Based on IGBT Abstract： This article chiefly discusses the principle、 stucture and design procedure of the inverte

3、r regulated power supply which is controlled by signle-chip microcompyter. In this design, we adopt the pwm inveter control technology. The ATMEGA16 exports the pwm wave,the wave is connected to the drive module(TLP250), and the drive module drives the single phase voltage inverter circuits, In this

4、 paper, we explain how to use the pwm wave generator ATMEGA16, and then we also explain the IGBT drive module TLP250, after that, we discuss the IGBT buffer circuit and the protective circuits of the system. Finally , we discuss the process of the software design. Putting the simulation software int

5、o use in the process of the electric equipments design, it is good to reducing the time of the products design, and it is also benefit to improving the reliability of products. Key words： Insulated Gate Bipolar Transistor（ IGBT）， Pulse Width Modulation（ PWM） 湖州师范学院本科毕业论文 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 基于 IGBT

6、的 DC-AC 变换器设计的研究背景 . 1 1.2 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器的发展现状 . 1 1.3 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器的研究目的及意义 . 1 1.4 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器的主要研究内容 . 2 第二章 总体方案设计 . 3 2.1 系统方案设计与论证 . 3 2.2 系统整体 框图 . 4 第三章 工作原理 . 5 3.1 IGBT 管的基本原理与其保护 . 5 3.1.1 IGBT 管的基本原理 . 5 3.1.2 IGBT 的保护 . 5 3.2 逆变电路的基本工作原理 . 6 3.3 电力器件的换流方式 . 6 3.4 单相电压

7、型逆变电路 . 7 3.5 PWM 控制技术的基本原理 . 8 第四章 系统硬件设计 . 9 4.1 TLP250 驱动电路的设计 . 9 4.2 IGBT 转换电路的设计 . 10 4.3 滤波器电路的设计 . 10 第五章 系统软件设计 . 13 5.1 AVR 软件开发工具的介绍 . 13 5.2 软件程序 . 13 5.2.1 主程序 . 13 5.2.2 PWM 波形产生 . 14 第六章 系统参数测试与分析 . 17 6.1 输出的 PWM 波形参数的测试与分析 . 17 6.2 其他参数的测试与分析 . 18 第七章 结 论 . 19 参考文献 . 20 结束语 . 21 致 谢

8、 . 22 附 录 . 23 附录 1：元器件细明表 . 23 附录 2：系统电路 . 24 附录 3：主要程序 . 25 1 第一章 绪 论 1.1 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器 设计的研究背景 随着工业和科技的发展，对正弦逆变器的性能要求越来越高，正弦逆变电源是将直流电转换为交流电的一种功率转换装置，在工业和民用方面具有广阔的市场。 目前我国有些地方由于电力供应紧张 ,或电力设备严重老化 ,在用电高峰期 ,电网超负荷运行 ,电网电压太低 ,而在用电低谷期 ,电网电压太高 ,这种电压大幅度波 动的现象 ,很容易给一些用电设备带来损害。特别是不断出现的各种智能化仪器仪表、个人电脑等家

9、用电器 ,对电源质量的要求越来越高 ,这就需要研制一种高性能的交流电源。 电源是电力电子技术的主要领域之一，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（晶体管）整流式，直到发展到逆变式（开关式）。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

10、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。 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

11、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。 1 1.2 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器的发展现状 现在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，应具有特定的负载性能要求和特性，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。电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸 多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。 2 1.3 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器的研究

12、目的及意义 为了解决直流电能够在任何时间及地点都可以转换成交流电，能够及时应用于一些家电等使用交流电的仪器设备中，此变换器主要采用以 IGBT 作为主要转换元器件并采用 PWM 技术提高变换器的效率，从而产生更加好的社会效益和经济效益。 2 1.4 基于 IGBT 的 DC-AC 变换器的主要研究内容 本系统以 IGBT 作为变换器的主要元器件，可以承受大电压大电流的转换。采用 PWM 技术使得变换器的变换精 确度高，而且幅值稳定。本系统将采用四个 IGBT 组成两组开关在不同时段分别导通与截止，这样通过的直流电即可转换成交流的形式。 本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件 IGBT 的原理

13、和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于 IGBT 的 DC-AC 变换器。设计电路并分析其可行性，在此基础上，对所涉及的变换器系统进行调试。 3 第二章 总体方案设计 2.1 系统方案设计与论证 为了能够设计出优秀的变换器，我们分别对用于产生 PWM 波形的单片机选型、 IGBT 的驱动电路、 IGBT 的保护、输出信号的过滤等进行了方案的设计与论证。 3 对用于产生 PWM 波形的单片机，我们考虑了两种方案： 方案一： 采用 AT89C51 作为产生 PWM 波形的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低

14、等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。但 AT89C51的内部资源少，内存空间有限，所需扩张的外围电路多。 4 方案二： 用 AVR 来产生 PWM 波形。 AVR 与其他单片机相比也同样具有单片机的一般特点 ，如功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，并且它还具有使用普遍，内部资源丰富，外围电路简单，价格相对低廉的优点。 综合上述两种方案，方案二较为理想，可以满足设计要求。 对 IGBT 的驱动电路，我们考虑了两种方案。 方案一：采用三菱驱动模块 M57962L。 M57962L 是 N 沟道大功率 IGBT 模块的驱动电路，能驱动 600V/400A 和 120

15、0V/400A 的 IGBT。 采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合20kHz 左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻（约 185），可将 5V 的电压直接加到输入侧。但是 M57962L 芯片价格较贵，而且市场上一般很难买到。 方案二：采用东芝公司生产的驱动模块 TLP250。该芯片用来驱动 IGBT 模块时，优点是价格低廉，使用方便，一致性和稳定性较好。 5 TLP250 使用特点： 1） TLP250 输出电流较小，对较大功率 IGBT 实施驱动时，需要外加功率放大电路。 2）由于流过 IGBT 的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过 IGBT 的电流，这就有可能

16、对于 IGBT 的使用效率产生一定的影响，比如 IGBT 在安全工作区时，有时出现的提前保护等。 3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由 过电流发生到 IGBT 可靠关断应在 10 s 以内完成。 4）当过电流发生时， TLP250 得到控制器发出的关断信号，对 IGBT 的栅极施加一负电压，使 IGBT 硬关断。这种主电路的 dv/dt 比正常开关状态下大了许多，造成了施加于 IGBT两端的电压升高很多，有时就可能造成 IGBT 的击穿。 因此，我们采用方案二进行设计。 IGBT 是一种电压型控制器件，它所需要的 驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须

17、加任何附加接口电路。 IGBT 的导通与关断是由栅极电压 UGE 来控制的，当 UGE 大于开启电压 UGE(th)时 IGBT 导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时， IGBT 被关断。 IGBT 与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究 IGBT 的饱和导通和截止两个状态，使其4 开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。 因此，对 IGBT 的保护我们也讨论了两种方案： 方案一：专门设计一电路用于保护 IGBT。 因为若正向 驱动电压过大则负载短路时其短路电流 IC 随 UGE 增大而增大，可能使 IGBT 出现擎住效应，导致门

18、控失效，从而造成 IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使 IGBT 退出饱和导通区而进入线性放大区域，使 IGBT 过热损坏。 方案二：采用发射极与集电极之间自带保护二极管的 IGBT。用此 IGBT 时只需解决在关断时不会造成浪涌电流过大就可以了。因此可以在栅极加一负偏置电压，这样就不会使得IGBT 由于浪涌电压而造成误导通了。一般负偏置电压选一 5V 为宜。 综合整体考虑，我们采用简单可靠的方案二。 2.2 系统整体框图 经过细致 的分析与论证，我将本系统的细化，分为几个简单的模块，再将各个模块进行统筹结合。最终构成了完整的一个系统，如图 2-1 系统整体框图所示。 图 2-1 系统整体框

19、图 此系统是由 ATMEGA16 产生两路 PWM 波，分别使得两组 TLP250 在不同的时间段内互相导通，从而驱动两组 IGBT 互相处于工作状态，则可以产生方向不同的波形，再通过滤波器进行滤波处理，最终会输出一路正弦波即交流信号。 5 第三章 工作原理 3.1 IGBT 管的基本原理与其保护 3.1.1 IGBT 管的基本原理 绝缘栅双极型晶体 管（ Insulated Gate Bipolar Transistor）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。

20、 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。 6 IGBT 的工作原理： N 沟道 IGBT 通过在栅极 发射极间加阈值电压 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 P+N-PN+晶体管。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

21、， IGBT 采用尽量缩小 P N-P 晶体管的电流放大系数设计在0.5以下。 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 MOSFET基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压 UGE决定。 7 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，晶体管的基极电流被切断， IGBT 关断。 3.1.2 IGBT 的保护 IGBT 与电力 MOSFET 管一样具有极高的输入阻抗，容易

22、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： 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。 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，

23、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 dU/dt。但由于 IGBT6 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。 89 3.2 逆变电路的基本工作原理 图 3-1(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

24、开， S2、 S3 闭合时， u0为负，其波形如图 3-1(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。 S1S2RS3S4IoUo+ -Ud(a) (b) 图 3-1 逆变电路及其波形举例 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 3-1(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

25、，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，实际电路的工作过程要复杂一些。 10 3.3 电力器件的换流方式 图 3-2 中， S1、 S2 表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换 相）。在换流过程中，有的臂从导通到关断，有的臂从关断到导通。要使某一臂导通，只要给组成该导电臂的器件的控制极施加适当的信号，但要使某一臂关断，情况就复杂多了。全控型器件可以用适当的控制极信号使其关断，而半控型晶闸管，必须利用外部条件或采取一定的措施才能使其关断。晶闸管要在电流过零以后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。 一般来说，换流方式可分为以下几种： (1)器件换流。利用全控型电力电子器件自身具有的关断能力进行换流，称为器件换流。 (2)电网换流。由电网提供换流电压称为电网换流。整流电路的换流方式就 是电网换流。 (3)负载换流。由负载提供换流电压，凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可实现负载换流。