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1、调频逆变系统 单片机调频逆变系统详细设计2008年11月25日成都目录1设计理论基础311逆变核心元件介绍312脉冲宽度调制（PWM）原理613 PID控制原理7131 PID控制原理与程序流程7132标准PID算法的改进11133数字PID参数的选择15134数字PID控制的工程实现162调频逆变原理203单片机调频逆变设计2131设计功能图2132 IPM介绍2133 PWM发生器SG3525介绍251设计理论基础 电力逆变，就是一种将直流变成工频交流或将工频交流变成可以改变频率的交流电源系统。对于电力逆变来说，主要应用到应急电源及电机软启动等方面。本详细设计主要针对应急电源系统，应急电源
2、系统分工频逆变和变频逆变，所以我们的设计是变频逆变，同时也可设置为工频逆变，就是频率固定不变。在设计前我们首先要明确逆变技术中的几个原理理论。11逆变核心元件介绍现在逆变应用的核心元件是大功率场效应管IGBT，IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。IGBT已由第三代、第四代发展到了第五代，由穿通型（PT型）发展到非穿通型（NPT型），其电性能参数日趋完善。IGBT模块也在此基础上同步发展，有单管模块、半桥模块、高端模块、低端模块、6单元模块等。合理的驱动保护是IGBT安全工作的前提条件，特别是选择合理的栅极驱动电压
3、Uge和合理的栅极串联电阻Rg，以及过电压过电流保护尤为重要。IGBT模块的应用电路有半桥电路逆变、全桥电路逆变、三相逆变、斩波应用等。IGBT模块已被广泛应用于UPS、感应加热电源、逆变焊机电源和电机变频调速等电源领域。1、IGBT模块电路结构1）单管模块 一般说来，单管IGBT模块其额定电流比较大，是由多个IGBT芯片和快恢复二极管（FRD）芯片在模块内部并联而成，其电路结构如图1所示。图1 单管电路结构 图2 半桥电路结构2）半桥模块 半桥IGBT模块也称为2单元模块，是一个桥臂，其内部电路结构如图2所示。两只半桥IGBT模块可组成全桥（H桥）逆变电路。 3）高端模块 高端IGBT模块其
4、内部电路结构如图3（a）和图3（b）所示。图3（a）为斩波器应用电路结构，图3（b）为感应加热应用电路结构。图3(a) 高端电路结构 图3(b) 高端电路结构4）低端模块 低端IGBT模块其内部电路结构如图4（a）图4（b）所示。图4（a）为斩波器应用电路结构，图4（b）为感应加热应用电路结构。图4(a) 低端电路结构 图4(b) 低端电路结构2、IGBT模块驱动保护要点 1）IGBT栅极驱动电压Uge 理论上UgeUge(th)，即栅极驱动电压大于阈值电压时IGBT即可开通，一般情况下阈值电压Uge(th)56V。为了使IGBT开通时完全饱和，并使通态损耗最小，又具有限制短路电流能力，栅极驱
5、动电压Uge需要选择一个合适的值。当栅极驱动电压Uge增加时，通态压降减小，通态损耗减小，但IGBT承受短路电流能力减小；当Uge太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。当栅极驱动电压Uge减小时，通态压降增加，通态损耗增加，但IGBT承受短路电流能力提高。为获得通态损耗最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力，通常选取栅极驱动电压UgeD*Uge(th)，系数D1.5、2、2.5、3。当阈值电压Uge(th)为6V时，栅极驱动电压Uge则分别为9V、12V、15V、18V；栅极驱动电压Uge折中取12V15V为宜，12V最佳。IGBT关断时，栅极加负偏压，提高抗干挠能力，提高承受dv/
6、dt能力，栅极负偏压一般为10V。 2）IGBT栅极电阻Rg 选择适当的栅极串联电阻Rg对IGBT驱动相当重要。 当Rg增大时，可抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡，减小开关di/dt,限制IGBT集电极尖峰电压；但Rg增大时，IGBT开关时间延长，开关损耗加大。当Rg减小时，减小IGBT开关时间，减小开关损耗；但Rg太小时，可导致ge之间振荡，IGBT集电极di/dt增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏。因此，应根据IGBT电流容量和电压额定值以及开关频率选取Rg值，如10、15、27等，并建议ge之间并联一数值为10K左右的Rge，以防止栅极损坏。 3）IGBT过电压过电流保护
7、过电压过电流是造成IGBT损坏的两大主要因素，应加以有效的保护。对于过电流，如果采用电流传感器保护，首先应考虑电流传感器的响应时间，建议过电流保护点设定为模块额定电流的1.52倍为宜；如GA100TS120K的模块电流额度值为100A，电流传感器设定为150A200A；如GA200TD120K的模块电流额度值为200A，电流传感器设定为300A400A。如果采用通态电压Vce(on)来保护，建议Vce(on)设定为56V，这时模块的峰值电流约为额度值的22.5倍。 对于过电压，通常采用RCD吸收过电压尖峰，最好是采用无感电阻和无感电容。同时，必须尽量减少或者消除布线时的杂散电感，可以通过减小整
8、个电路有效回路面积来减小杂散电感。另外，还可以通过适当增加栅极串联电阻Rg来抑制过电压尖峰。3、IGBT模块典型应用 1）感应加热电源 图5 为并联谐振感应加热电源主电路，由两只低端IGBT模块和两只高端IGBT模块组成，也可由四只单管IGBT模块和四只快恢复二极管模块组成，视感应加热电源功率而定。对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压和电流分别为正弦波和方波。图5 IGBT感应加热电源主电路 2）逆变焊机电源 图6 为一全桥式逆变电路，由两只半桥IGBT模块组成，采用PWM控制，对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压为交变方波。此电路广泛应用于电焊机电源。图6 I
9、GBT逆变焊机电源主电路 3）变频调速电源 图7为IGBT三相PWM逆变电路，由三只半桥IGBT模块组成，用于变频调速电源和UPS电源。图7 IGBT变频调速电源主电路4、IGBT及快恢复二极管模块的使用1）防止静电 IGBT是静电敏感器件，为了防止器件受静电危害，应注意以下两点： （1）IGBT模块驱动端子上的铜环是防静电导电管，用户用接插件引线时取下套管立即插上引线；在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子。 （2）焊接器件时，设备或电烙铁一定要接地。2）选择和使用 请在产品的绝对最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出绝对最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出VCES
10、的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏，请务必在VCES的绝对额定值的范围内使用！工作频率愈高，工作电流愈小；基于可靠性的原因，必须考虑安全系数。如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值）。 （1）驱动电路：由于IGBT Vce(sat) 和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为+VG=1310%V，-VG=510V，要确保在模块的驱动端子的驱动电压和波形达到驱动要求；栅极电阻与IGBT 的开通和关断特性密切相关，Rg小时开关损耗减少，开关时间减少，关断脉冲电压增加；应根据浪涌电压和
11、开关损耗间最佳折衷(与频率有关)选择合适的Rg 值，一般选为至之间。为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K30K电阻。驱动布线要尽量短且采用双绞线；在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其完全动作后再投入主电路电源。 （2）保护电路：IGBT 模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电感和元件的配置，应注意以下保护项目：过电流保护 过电压保护 栅极过压及欠压保护 安全工作区 过热保护。 （3）吸收电路：由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，所以必须设有浪涌钳位电路。 （4）并联使用：应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。 （5）其
12、它事项，使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。5、IGBT安装 散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择，以保证模块工作时对散热器的要求。散热器表面的光洁度应小于10mm，每个螺丝之间的平面扭曲小于10mm。为了减少接触热阻，推荐在散热器与模块之间涂上一层很薄的导热硅脂，模块均匀受力后，从模块边缘可看出有少许导热硅脂挤出为最佳。如果散热器表面的光洁度或是安装力矩和方法不当，尤其是底板为DBC基板（无铜板）的模块可能会造成模块的内部芯片与外部散热器绝缘的陶瓷基板破裂，从而使模块绝缘破坏。 模块安装在散热器上时，螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧。力矩不足导致热阻增加或运动中出现螺钉松动。力矩过
13、大可能损坏模块外壳或是破坏模块绝缘。 仅安装一个模块时，装在散热器中心位置，使热阻效果最佳。安装几个模块时，应根据每个模块发热情况留出相应的空间，发热大的模块应留出较多得空间。两点安装紧固螺丝时，先依次紧固额定力矩的1/3，然后反次达到额定力矩。四点安装和两点安装类似，IGBT长的方向顺着散热器的纹路。紧固螺丝时，依次对角紧固1/3额定力矩，然后反次达到额定力矩。 使用带纹路的散热器时，IGBT长的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形。两只模块在一个散热器上安装时，短的方向并排摆放，中间留出足够的距离，主要是风机散热时减少热量迭加，容易散热，最大限度发挥散热器的效率。二是模块端子容易连接，
14、有利于减少杂散电感，尤其高频使用时更重要。在连接器件时，连接模块的母线排不能给模块主端子电极造成过大的机械和热应力，以免模块电极的内部焊接断裂或电极端子发热在模块上产生过热。12脉冲宽度调制（PWM）原理PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制波通常由一列占空比（有效脉冲与周期之比）不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。输入信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。通过图1 b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的输入信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTsTs的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为：其中，xt是离散化的输入信号；Ts是采样周期； 是未调制宽度；m是调制指数。然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A，中心在t = k Ts处，在相邻脉冲间变化缓慢，则
