毕业设计基于IGBT的变频电源设计

本文主要是介绍毕业设计基于IGBT的变频电源设计，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

序
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为了大家能够顺利以及最少的精力通过毕设，学长分享优质毕业设计项目，今天要分享的是：基于IGBT的变频电源设计

1 系统组成

本变频器电源系统的结构原理如图4所示。单相交流电源经过EMI线滤波器后，再经单相桥式整流和大容滤波后可在直流母线上获得稳定的直流电压。该直流电压在电压可调电路的控制下，经过桥式逆变电路逆变后，可输出由驱动电路送来的SPWM信号，在经过一级小容量的LC滤波网络后，即可在输出端获得较为理想的正弦波输出电压信号。

以单片机为主的控制系统主要用来产生逆变电路开关器件的驱动信号，另一单片机通过对直流母线电压的采样，实时的监测并显示直流母线电压值，使整个系统方便用户的操作。

图1 变频器结构原理图

2 单元电路的设计

2.1 光电隔离电路设计

光电隔离也叫光电藕荷器，就是把电的信号转换成光的信号，然后再把光的强弱转换成相对应的电压信号，从而实现高压和低压的电气隔离。一般是由发光二极管和光敏三极管构成，光敏三极管是特殊的三极管，把基极电流大小做成受发光二极管光强弱控制。因此，光电隔离事实是一种电信号——光强弱——电信号变换器。常见的光电藕荷器内部电路如图4-1所示：

图2-1 常用光电耦合器内部电路

光电藕荷器一般应用在信号不匹配，输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号，比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等，不经过隔离不可靠或容易对人体造成伤害。

一般情况下光电藕荷器输入端是靠一定的电流来触发光耦管，从而产生一个输入信号，电流一般为4mA-- 22mA。TTL输入则是靠高、低电平来产生一个输入信号。其中，<0.7V代表低电平，2.5V - VCC代表高电平。
光耦输出端可以是5v - 24v的电压，驱动电流为4mA- 22mA。TTL输入端则只能是高低电平，且不能超过额定的VCC（一般为5V)。

本设计所用的光电耦合器是6N135，它是一个8引线双列直插的器件，内部电路图如图2-2所示。电路由芯片内部D1、D2和Q1组成：

图2-2 6N135内部电路

图2-3为光电隔离电路图。电路的核心部分是高速光电耦合器6N135，根据6N135的数据手册可知，6N135的最高频率为1MHz,二极管端的输入电流为16mA压降是1.6V，而ATMEGA8L的输出电压是5V，因此需要在输入端串接一个输入电阻，其大小按照下列公式计算：

式中Vin为单片机的输出高电平是的电压5V，Vd是二极管的压降，Id是二极管端的输入电流。

图2-3 光电隔离电路图

由于后级的输入驱动电压一般不能低于12V，否则会造成后极无法正常工作，因此在光耦的三极管输出端为其加18V的电源电压，以保证后级正常工作所需电压。

2.2 驱动电路设计

图2-4是驱动电路图。

图2-4 IGBT驱动电路

电路由Q2、Q3和R6组成。由光电隔离电路送来的SPWM波形送入Q2和Q3的基极。当信号为高电平的时候Q3导通，那么Q3的C极和E极相当于是短接的，也就是输出为高电平。当SPWM输出为低电平是Q3截止，Q2导通后极的结电容通过R6和Q2放电，这样就可以加快了输出电路的反应速度。

2.3 IGBT电路设计

2.3.1 IGBT介绍

绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor简称IGBT)是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此现今应用相当广泛。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率场效应管的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率场效应管具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率场效应管的这些主要缺点。虽然最新一代功率场效应管器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

1 IGBT的工作原理和工作特性

IGBT的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关

断。IGBT的驱动方法和场效应管基本相同，只需控制输入极 N 沟道场效应管，所以具有高输入阻抗特性。当场效应管的沟道形成后，从 P+ 基极注入到 N 一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压工作时，也具有低的通态电压。IGBT的工作特性包括静态和动态两类：

2 静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅---源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id 越大。它的输出特性可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT的转移特性是指输出漏极电流 Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与场效应管的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过场效应管的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示：

式中Uji——ji结的正向电压，其值为 0.7～１V；Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。

通态电流Ids可用下式表示：

2.3.2 桥式电路

为了提高IGBT的带负载能力，通常将IGBT接成全桥式或者是半桥式，这样每个IGBT承受的电压为Vcc/2，在需要较大的输出电压场合就可以用较小的IGBT耐压来实现。桥式电路如图4-5所示：

图2-5 IGBT桥式电路

将正弦波的正半个周期生成的SPWM波，送入BT1和BT3让其同时导通（此时须先让BT2和BT4截止），那么在负载RL上得到正半个波形的SPWM波形。将正弦波的负半个周期生成的SPWM波，送入BT2和BT4让其同时导通（在BT2和BT4之前必须先让BT1和BT3截止，以防止系统短路），那么在负载RL上得到负半个波形的SPWM波形。也就是在整个正弦波周期，RL上的波形是正半个SPWM和负半个SPWM的叠加，就得到一个全波型的SPWM。

2.4 低通滤波电路设计

“低通滤波”电路，顾名思义，只允许低频信号通过，不允许高频通过。一般的低通电路中大多用电感线圈和电阻组成，但是RL低通滤波只适合于功率输出不大的场合，而电阻在系统中要消耗很多的能量。而LC低通滤波就解决了这个缺点。因此本设计中用的是LC低通滤波，也就是一阶巴特沃斯低通滤波，巴特沃斯低通滤波器具有以下优点：

1 模糊大大减少，因为包含了许多高频分量；

2 没有振铃现象，因为滤波器是平滑连续的。

计算公式：

2.5 电源电路设计

由于低通需要驱动电路需要18V的工作电压而单片机、ADC0809、74LS47 等工作电压需要5V，所以变压器的输出只需要接地和15V，考虑到IGBT驱动电路必须和单片机分开供电，所以采取对单片机单独供电，IGBT上桥臂单独供电，下桥臂共用一个电源。见图2-7和图2-8：

图2-7 单片机供电电源电路

由变压器出来的交流信号经过桥式整流和电容滤波之后送给LM7809，稳压9V输出直接接到LM7805，它的输出单独供给单片机。在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容，使滤掉纹波的效果更好，输出的直流电压更稳定。接小容量高频电容以抑制芯片自激，输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声[5]。

图2-8 驱动电路独立电源电路

2.6 SPWM单元电路

2.6.1 SPWM发展

近年来，随着自关断器件的不断发展，采用以正弦波作为参考电压的SPWM控制的VVVF(VVVF的全称是Variable Voltage Variable Frequency，意思是“变压变频”)调速,已成为变频的主流。IGBT作为新一代全控型电力电子器件，其开关频率高、驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，价格便宜是当前最具有应用前景的中小功率器件。早期使用模拟电路元件生成SPWM波形，所需硬件较多，算法不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的发展，研究重点转移到以MCU为主的数字方案。本设计中介绍了一种由ATMEGA8高速单片机算法生成的SPWM脉冲序列控制变频调速的方法。

PWM技术从最初采用分离元件的模拟电路完成三角波和正弦调制波的比较，产生SPWM控制信号，到目前采取全数字化方案，完成实时在线的PWM（SPWM）信号输出。PWM控制电路经历了由实级到越来越完善的演化。其中多数要与单片机连接才能完成SPWM控制功能，通常应用于高要求的逆变系统中。ATMEL公司推出的8位单片机片ATMEGA8为逆变控制电路的全数字化设计提供了强有力的硬件支持、丰富的软件指令，给软件编程带来了很大方便。

2.6.2 SPWM波形生成方法

1 常用算法比较

微机控制的SPWM算法有多种，常用的有自然取样法和规则取样法。自然取样法图4-9，采用计算的方法寻找三角载波UΔ与参考正弦波UR的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是计算量大，难以做到实时控制，用查表法将占用大量内存，一般不采用。规则取样法（图4-9 b）采用近似求UΔ和UR交点的方法，通过两个三角波峰之间中线与UR的交点作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点确定SPWM的脉宽，这种方法计算量相对自然取样法小的多，但存在一定误差[6]。

2.6.3 ATMEGA8单片机介绍

ATMEGA8单片机是AVR系列单片机中的一种，具有高性能、低功耗的8位AVR 微处理器，先进的RISC精简指令结构130条指令并且大多数指令的执行时间为单个时钟期，32个8位通用工作寄存器全静态工作，工作于16MHz时性能高16MPIS，只需两个时钟周的硬件乘法器，内部为非易失性程序和数据存储器，高达8K字节的系统内在可编程Falsh，其擦写寿命可达到10000次，具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作，512字节的EEPROM，擦写寿命在100000次，1K字节的片内SRAM供用户使用。可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密，除此之外还具有：两个具有独立预分频器8位定时器/计数器，其中的一个还具有比较功能。一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/ 计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC，三通道PWM，TQFP与MLF封装的8路10位ADC，PDIP封装的6路ADC，面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内集成模拟比较器上电复位以及可编程的掉电检测片内经过标定的RC振荡器，通过对寄存器的设置可工作在5种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式及Standby模式。ATMEGA8是28引脚的PDIP封装有23个可编程的I/O口，工作电压宽从2.7 - 5.5V，速度等级均可工作，执行速度最高可以达到16MHz。

本芯片是以ATMEL高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区。在更新应用Flash存储区时引导Flash区的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISC精简指令CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATMEGA8成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

2.6.4 ATMEGA8单片机引脚及功能

ATmega8单片机的管脚图如图4-11，共有28个引脚。

图2-11 ATmega8管脚图

VCC 数字电路的电源。

GND 地。

端口B：(PB7……PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2

端口B为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。通过时钟选择熔丝位的设置，PB6可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端。通过时钟选择熔丝位的设置PB7可作为反向振荡放大器的输出端。PB口的第二功能详细的见表1：

表1 PB口的第二功能

端口引脚	第二功能
PB7	XTAL2 (芯片时钟振荡器引脚2) TOSC2 (定时振荡器引脚2)
PB6	XTAL1 (芯片时钟振荡器引脚1或外部时钟输入) TOSC1 (定时振荡器引脚1)
PB5	SCK (SPI总线的主机时钟输入)
PB4	MISO (SPI总线的主机输入/从机输出信号)
PB3	MOSI (SPI总线的主机输出/从机输入信号) OC2 (T/C2输出比较匹配输出)
PB2	SS (SPI总线主从选择) OC1B (T/C1输出比较匹配B输出)
PB1	OC1A (T/C1输出比较匹配A输出)
PB0	ICP1 (T/C1输入捕获引脚)

2.6.5 ATMEGA8单片机的最小系统电路及软件流程

为了简化电路的复杂性和利于系统的数字化，SPWM的生成利用纯软件生成法，即只需要单片机的最小系统加程序即可完成SPWM的生成。采用ATMEGA8单片机作为SPWM的硬件需要。ATMEGA8单片机的最小系统硬件连接图如图2-12所示：

图2-12 ATMEGA8单片机最小系统

2.7 电压采集单元电路

ECU是控制系统的核心，其作用是对输入的信号进行检测、运算处理和逻辑判断，根据预先存储的控制程序和试验数据，向各执行器发出控制指令，控制各执行器的工作。

89S52是控制系统内部的主要部分，它是整个控制系统的处理单元，AT89S52是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[7]。