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1、1第一章第一章 绪论绪论1.11.1 电源技术的发展概况电源技术的发展概况电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力电子技术和控制技术，对电气设备的电功率进行变换和控制的一门技术。上个世纪 80 年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用，被各国的专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次的电子革命，它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。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
2、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)。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
3、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：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，2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
4、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。
5、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。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。1.21.2 电力系统仿真工具箱电力系统仿真工具箱 SimPowerSimPower 的应用及其意义的应用及其意义为了大幅度地提高效率，在研制新型电源系统的过程中，往往采用如下程序：首先提出一个
6、新的设想，然后对其进行仿真以验证该设想的可行性，并验证其性能参数，在达到了预期的效果后，再进行硬件实现，这种方法已逐渐成为科研工作的一种主要模式。目前，计算机仿真技术在现代工业产品的设计和开发中发挥了越来越重要的作用，其主要作用有：(1)取代人工解析分析，减轻设计劳动强度和重复性劳动。(2)提高分析速度、分析精度和分析广度。比真实电路实验可扩大研究范围，测得更多的数据，如元器件中的数值和波形，研究系统性能受其变化的影响。3(3)设计任务确定后立即做仿真，进行充分可行性论证后再订购贵重、特殊器件，既节省资金又缩短开发过程，提高产品的质量。用 PC 机仿真系统代替实验可大大减小元器件损坏引起的损失
7、，更重要的是某些无法进行实地实验、艰苦和危险场合（如太空） ，只有通过仿真，才能进行全面的考察，故障的模拟，实基于单片机控制新型高效率正弦波逆变电路的设计与仿真际存在的非线性因素允许到什么程度。(4)减小初投资，一套仿真设备就是规模很大的实验室，可以做许多电路与系统产品的研究。常用的仿真软件有 PSPICE 程序(Personal Simulation Program WithIntegrated Circuit Emphasis)和 MATLAB 语言，PSPICE 程序是 Microsim公司出版的，是电子 CAD 中的电子模拟软件，其目的是在所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟运行
8、，从而对硬件电路进行可行性论证分析。PSPICE 可提供时域仿真，又可提供频域仿真，能对电路的动态工作过程进行细致的仿真分析，可它缺乏控制系统的设计工具和分析手段，难于进行机电控制系统的仿真。MATLAB 语言是一种功能强大的控制系统计算机辅助设计和仿真语言，易于实现很多控制系统的仿真，可以避免大量的时间用于编制仿真程序，随着MATLAB 软件推出电力系统仿真工具箱 SimPower，可同时涉及控制和电路的混合系统的仿真，为电源的运行性能分析提供了强有力的工具。可以说，利用MATLAB 语言对所设计的电力电子设备进行仿真，不仅提高了产品的可靠性，而且也缩短了产品的开发周期，对电力电子产品的开发
9、具有很大的帮助作用。1.31.3 本课题完成的主要任务本课题完成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高效率正弦波逆变电路，先用MATLAB 语言的电力仿真工具箱 SimPower 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高效率正弦波逆变电路的设计与仿真。本课题所设计逆变电源的参数要求：(1)输入电压：市电三相电源 380VAC10；4(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：3K
10、W，允许过载 10；(4)整机效率：设计目标为 90；(5)稳压精度：小于2。第二章第二章 基本原理基本原理2.12.1 IGBTIGBT 管的基本原理与特性管的基本原理与特性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。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
11、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。2.1.12.1.1 IGBTIGBT 的工作原理的工作原理1.IGBT1.IGBT 的结构的结构就 IGBT 的结构而言，是在 N 沟道 MOSFET 的漏极 N 层上又附加上一层 P 层的的四层结构。图 2-1(a)为 N 沟道 VDMOSFET 与 GTR 组合的 N 沟道 IGBP N PNT（N-IGBT） 。IGBT 比 VDMOSFET 多一层注入区，形成了一个大面积的结PP N，使 IGBT 导通时由注入区向 N 基区发射少子，从而对漂移区电导率进行1JP调制，使得 IGBT 具有很强的通流
12、能力。简化等效电路表明，IGBT 是 GTR 与 MOSFET 组成的达林顿结构，是一个由 MOSFET 驱动的厚基区晶体管，为晶PNPffR体管基区内的调制电阻。 2.IGBT2.IGBT 的工作原理的工作原理N 沟道 IGBT 通过在栅极发射极间加阈值电压以上的（正）电压，在THU栅极电极正下方的层上形成反型层（沟道） ，开始从发射极电极下的层注PN入电子。该电子为晶体管的少数载流子，从集电极衬底层开始注入空穴，P N PP5进行电导率调制（双极工作） ，所以可以降低集电极发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图 2-1(b)所示，在发射极电极侧形成寄生晶体管。若寄N PN生晶体管工作，又变
13、成晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给P N PN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 采用尽量缩小晶体管的电流放大系数作为解决闭P N P锁的措施。具体来说，的电流放大系数设计在 0.5 以下 IGBT 的闭锁电P N P流 IL 为额定电流（直流）的 3 倍以上。IGBT 的驱动原理与功率 MOSFE 基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压决定。GEU17导通： 大于开启电压时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电GEU流，IGBT 导通。导通压降：电导调制效应使电阻减小，使通态压降减小。onR关断：栅、射极间施加反压或不加
14、信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。2.1.22.1.2 IGBTIGBT 的特性与参数特点的特性与参数特点1.IGBT1.IGBT 的伏安特性和转移特性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与的关系。越高，越大。值得注意的是，IGBT 的反向电压承受能GEUcIGEUcI6力很差，从曲线中可知，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需BMU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(开启电压，一般为GEGE(TH)UU36 伏)时，IGBT 开通，其输出电流与驱动电压
15、基本呈线性关系。当CIGEU时，IGBT 关断。GEGE(TH)UU2.IGBT2.IGBT 的参数特点的参数特点(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。开通时间定义为从驱动电压 的脉冲前沿上升到最大值的 10%所对应的时间ontGEUGEMU起至集电极电流上升到最大值的 90止所对需要的时间.又可分为开CICMIont通延迟时间和电流上升时间两部分。 定义为从 10到 10()d ontrt()d ontCEMU所需的时间，定义为从 10上升至 90所需要的时间，如CMIrtCIcICMIC
16、MI图 2-3 所示。 7图 2-3 IGBT 的开关特性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。关断时间定义为从驱动电压的脉冲后沿下降到 90处起至集电极电流下降offtGEUCEMU到 10处所经过的时间。CMI又可分为关断延迟时间和电流下降时间两部分。是从offT()d offtft()d offT90至 90所需的时间；是指 90下降至 10所需的时间，CEMUCMIftCMICMI由(由 IGBT 中的 MOS 管决定)和(由 IGBT 中的晶体管决定)两部分ft1fit2fiTPNP组成。 IGBT 的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。随着集电极电流和栅极电阻的增加，其中对开关时间影响较大。CIGRGR(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
