基于IGBT的变频电源设计

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基于IGBT的变频电源设计

9 [/ I. q( ?0 ~% s% k$ d& }摘  要

随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，用电设备对电源的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需要的电能形式。目前，电源正朝着高效率，高稳定度，高功率密度，低污染，模块化发展。为了满足输出电压和频率可变的逆变电源的基本指标，调制方式上各种新颖的调制技术不断涌现，控制上各种适合于不同要求的逆变器的控制方案被提了出来。本设计是基于SPWM逆变技术，将由单片机产生的SPWM波输出作为IGBT的驱动信号，最后通过低通滤波,从而在输出端得到一个无失真的正弦信号波形。为了便于观察输出端的电压值，用数码管监测输出电压值。此设计电路可以产生频率稳定度、精度高的正弦波。

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关键词：变频电源；IGBT；SPWM调制；单片机

& |/ i+ r8 q& ?! V( I1 引言

众所周知，我们所使用的市电频率是50Hz，但是，在实际生活中，有时需要的电源频率不是50Hz。电气化铁路是我国铁路发展的方向，25Hz电源是电气化铁路区段信号系统的关键设备。在航空航天领域大量使用的电源是400Hz的电源。由此可以看出在很多场合，需要电源的频率并不是市电所提供的50Hz。结果造就变频电源的产生。在现实生活中变频电源广泛应用于航空、机械、轻工等行业。1969年世界上诞生第一台逆变电源，由于其具有调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了迅速的推广应用。

逆变器从1969年发展到今天，经历了几十年的发展过程。其控制方法也出现了许多，大致可以分为：变压和变频控制方法。目前采用较多的是变压中的脉宽调制技术即PWM控制技术，即利用控制输出电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。PWM技术可以迅速地控制输出电压，及其有效地进行谐波抑制，它的动态响应好，在输出电压质量、效率等诸方面有着明显的优点。

根据形成PWM波原理的不同，可以分为以下几种：矩形波PWM、正弦波SPWM、空间相量PWM(SVM)、特定谐波消除PWM、电流滞环PWM等。这四类PWM波各有优缺点，因而适用于不同的场合。

SPWM的全称是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脉冲宽度调制[1]，简称为SPWM,是调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由A.Schonung和H.Stemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的。后来由Bristol大学的S.R. Bo wer等于1975年对该技术正式进行了推广应用。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。

传统的电源采用都是模拟控制系统，模拟控制经过多年的发展，己经非常成熟。然而，模拟控制有着固有的缺点：控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占体积大，制造成本比较高；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；最主要的是逆变电源不便于调试，大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂，从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境(如电磁噪声，上作环境温度等)干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。近年来高速mcu技术的成熟和普遍，与其采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。高速数字MCU的发展，正弦波逆变器的控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。基于MCU的发展上逆变电源技术正朝者以下几种趋势发展：

1 高频化  理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20khz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5--10%，其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。

2 数字化  现在数字式信号，数字电路越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点，便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。

3 绿色化  随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。绿色电源的含义有两层：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生污染。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是：单相输入的采用有源功率因数校正技术。

本设计主要是采用等效面积算法来计算逆变产生SPWM波形[2]，保持输出波形不失真。同时，通过89S52单片机控制ADC0809采集输出的电压值并在数码管上作相对应的显示。设计的主要要求是方案成本低，体积小，无需调外部元件，接口简单。SPWM的产生是通过单片机ATMEGA8根据算法产生。再经隔离驱动放大，最后滤波输出，得到所需要的正弦波形。ATMEGA8单片机是ATMEL公司推出的高速最小型高速单片机，它是一个28脚的小型单片机，在内部已经集成晶体振荡器，无须外接晶振就可以以最高速度8MHz的时钟执行程序。是目前速度较高的最小型单片机，它为高速率低成本的数字变频电源提出了解决方案。

本课题的实用性非常强，在许多的领域中都用到，如：用于交流电机调速系统、舰船、航空航天、邮电通讯、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备等。

2 方案论证与比较2.1 SPWM方案论证与选择

方案1：采用比较器对正弦波和三角波进行比较[3]得到PWM波，基本框图如图1

所示，将比较后得到PWM送入驱动电路放大后再驱动IGBT。

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