IGBT三相逆变电源设计 （2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE有足够的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的门极电压，使IGBT不致退出饱和而损坏。
（3）驱动电路要能传递几十KHz的脉冲信号。
（4）驱动电平＋UGE也必须综合考虑。＋UGE错误！未找到引用源。增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中UGE错误！未找到引用源。应选得小些，一般选12-15V。
（5）在关断过程中，为了尽快抽取PNP管中的储存电荷，需施加一负偏压错误！未找到引用源。，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-2∽-10V。
（6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。
（7）驱动电路与控制电路要严格隔离。
（8）IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。
（9）IGBT属压控器件，当集射间有高电压时，很容易受外界干扰，使栅射电压超过UGE(TH)错误！未找到引用源。，引起器件误导通，尤其是在有上下桥臂的变换器或逆变器中，易造成同臂短路。为了阻止这类现象的发生，在栅射间必须并接一只10K?错误！未找到引用源。的电阻。
（10）开机的顺序应当是先让IGBT驱动电路工作，产生稳定的驱动波形，再让主电路工作。
3.5.2.集成化IGBT专用驱动器EXB841
现在，大电流高电压的IGBT已模块化，目前市场上有许多品种的IGBT专用驱动模块可供选择。其性能良好，整机的可靠性高及体积小。
下面我们着重介绍本系统所使用的EXB841驱动器，本系统中我们用到六片EXB841,该驱动器是日本富士公司的产品，它是直插式结构，额定参数和运行条件可参阅其技术手册。
42
IGBT三相逆变电源设计 EXB841驱动器的各引脚功能如下：
脚1：连接用于反向偏置电源的滤波电容器，接至IGBT的E极； 脚2：电源(＋20V)，本系统中需提供四个独立的20V电源； 脚3：驱动输出，接至IGBT的G极；
脚4：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；
脚5：过流保护输出； 脚6：集电极电压监视； 脚7、8：不接； 脚9：电源地； 脚10、11：不接；
脚14、15：驱动信号输入(-、+)
图中IC1为光电耦合器，对15∽14端的输入控制电路与3∽1端输出电路及电源2∽9端进行隔离。当15∽14图3-17 EXB841内部框图端有正脉冲时，IC1错误！未找到引用源。导通，晶体管V2、V3截止，V5导通，3∽1端子间有触发脉冲输出。如果2∽9间电源电压为＋20V，1号端子的正偏压为＋5V，则上述脉冲幅值为＋15V。当15∽14端没有正脉冲时，IC1错误！未找到引用源。截止，晶体管V2、V3导通，V5截止，V6导通，3∽1端子间处于－5V偏压。V3、V4等用于短路保护。
图3.15 EXB841内部框图
图3.16中6号端子经ERA34－10接至主回路IGBT的集电极。当IGBT发
43
IGBT三相逆变电源设计 生短路（过电流）故障时，由IGBT输出特性知道，UCE将随IC错误！未找到引用源。急剧增大而增大。本来处于导通状态的ERA34－10因此反向截止，图3.17中VZD1击穿，V4导通。二极管VD1阳极电位下降（由R7、R6分压比确定），V5的输出电压（3号端子）也因此被钳位在R7、R6的分压电平上。随着触发电源UGE的降低，IGBT能承受短路的时间增长，从而允许系统内硬件、特别是软件能有充分的时间去执行关断保护。与此同时，5号端子所接的光电耦合器动作，耦合器的输出端接至控制电路，使之锁住触发信号，保护了IGBT不继续导通。
D6C2U11VCCR10152DIODEC103U?5NOTRPHB11169C11GND2RG250RES2G2E2U7R12
OPTOISO1RbRES2VCC4.7K1/2W 图3.16 EXB841的接线图
当UGE加上正偏压时，IGBT开始导通。如果此时发生短路（过电流），IC急剧上升。由于主回路分布电感L的存在，产生Ldi/dt电压，该电压叠加在直流电源电压Ed之上，使IGBT的C-E间出现下跳电压冲击。Ic急剧上升引起IGBT管压降增大，ERA34－10反向截止，驱动保护功能工作，输出触发电压UGE从＋15V慢慢下拉到＋10V左右，IGBT可承受的短路时间增长。值得注意的是，当IGBT发生短路或过电流时，并不是立即关断触发电压UGE，因为立即关断IGBT将造成C-E间电压急剧上升。过快的dU/dt的变化会造成IGBT的误导通。因此上述保护过程中，UGE错误！未找到引用源。从＋15V慢慢降到＋10V，并维持了一段下降时间，这个过程称为软关断，从而避免了过快的dU/dt的出现。同时，驱动电路经光耦管向控制电路输出封锁信号，关断了IGBT的触发。这种软关断还有一个好处，即如果意外的外来干扰（比如小于4us）造成IGBT短路，此时触发电路能予以忽略。当UGE错误！未找到引用源。低于阈值电压时，IGBT也开始关断。
44
IGBT三相逆变电源设计 3.5.3使用EXB841应该注意的一些事项
(1) 输入与输出电路应分开，即输入电路（光耦合器）接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高的噪音阻抗。
(2) 使用时不应超过使用手册中给出的额定参数值，如果按照推荐的运行条件工作，IGBT工作情况最佳。如果使用过高的驱动电压会损坏IGBT，而不足的驱动电压又会增加IGBT的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增加IGBT和二极管的开关噪声。
(3) IGBT的栅、射极回路的接线长度一定要小于1m，且应使用双绞线。 (4) 电路中的电容器C10和C11用来平抑因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是作为电源滤波用。
(5) 增大IGBT的栅极串联电阻Rg，可抑制IGBT集电极产生大的电压尖脉冲。本文中我们根据所选用的IGBT的规格，选用50错误！未找到引用源。的电阻。
3.6系统保护电路设计
逆变电源的开关管是比较脆弱的电子元件，而且价格比较昂贵；另一方面，逆变电源的负载大都是比较贵重的设备，对电能质量要求较高，易受损坏，因此，我们必须对逆变电源加装必要的保护功能，保护电源本身和负载不被损害。
在本电源系统中，我们设计了启动浪涌电流抑制电路、输入过压欠压保护电路、输出过流保护电路和温度保护电路，下面我们分别对它们加以介绍：
3.6.1启动浪涌电流抑制电路
开启逆变电源时，由于给滤波电容C充电，会产生很大的浪涌电流，其大小取决于启动时的交流电压的相位和输入滤波器的阻抗。抑制启动浪涌电流最简单的方法是在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。启动时电阻处于冷态，呈现较大的电阻，从而可抑制启动电流。启动后，电阻温度升高，阻值降低，以保证电源具有较高的效率。由于电阻在电源工作的过程中具有损耗，降低了电源的效率，因此，该法只适合小功率电源。对于本文所设计大功率电路，可将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开
45
IGBT三相逆变电源设计 关，电源启动时晶闸管开关关断，由电阻限制启动浪涌电流，当滤波电容的充电过程完成后，触发晶闸管，使之导通，从而达到短接限流电阻的目的。
3.6.2输入过压欠压保护电路
输入过压保护是指当系统输入电压太高(高于418V)，从而对电源系统内的电子元件造成损害，该保护电路可在输入电压超过最高电压阈值时关闭电源系统。输入欠压保护是指当系统输入电压太低(低于342V)，即使系统控制电路输出最大脉宽的触发脉冲，电源仍无法输出额定的电压或电流的情况下保护的，该保护电路可防止出现因输入电压太低而引起电源输出电压失控的情况。
在本系统设计中，我们采用如图3.17所示的过压欠压保护电路，输入三相电压经过整流滤波后得到直流电压，该电压通过电阻分压，若高于高压阈值，则比较器LM324的1脚输出高电平，若低于低压阈值，则比较器的7脚输出高电平，单片机的相应引脚检测到低电平，从而启动单片机内定时器T0进行计时，若定时时间到了以后，电源已经没有过电压或欠电压，则系统恢复正常运行，若单片机的相应引脚仍为低电平，则启动输入过压或欠压保护程序，关闭电源系统，发出报警。
VCCVCCR31kVCCR1760kVCCR225kU1A+_R181.1kU3p20_R9VCCR220k600R235kU1B+_R191.1kU4p21R101.4k图3.17 过压欠压保护电路
46
IGBT三相逆变电源设计 摘要
本文设计了一种以微处理器89C51为核心，SPWM控制器SA4828为主体的数字逆变测试电源系统。该电源采用全数字化控制，结构简单，控制灵活，为测试电源产品的开发给出了一种全新的设计方法。智能化控制是目前国内外的一个研究热点，本设计中控制核心采用性价比高的C51系列单片机。采用高速度，高性能的微处理器进行处理存储和比较，实现一些高效率的控制方法，同时实施迅速有效的保护功能。在调制方法上采用流行的脉宽调制SPWM，为了改善设备的性能，提高设备的效率，采用了先进的数字化控制脉宽调制芯片SA4828代替原来的模拟控制脉宽调制芯片HFT-4752，SA4828是Mite公司生产三相SPWM波形产生器，它可提供高质量，全数字的三相脉宽调制波形，同时为了提高驱动与保护的快速性与准确性，采取了高性能的驱动保护芯片。在供电电路上采用JS158，满足专为设计逆变装置而又使用IPM的嵌入式系统级开关电源。文中介绍SA4828的原理及其应用在逆变器中的软硬件设计方法。结果表明，采用了本文设计的数字化控制的逆变测试电源可以获得稳定的电压输出，符合一台测试电源的设计要求。数字化的测试电源最终实现了自动调节、自动检测、自动诊断和自动保护等功能，基本实现了智能控制的要求。
关键词：正弦脉宽调制(SPWM)，SA4828，逆变，IGBT，89C51
I
IGBT三相逆变电源设计 Abstract
We design a microprocessor 89C51 as the core, SPWM controller SA4828 as the main body of the digital inverter test power source the power supply adopts the full digital control, the structure is simple,Flexible control for testing the development of power supply products. A new design method is given intelligent control is a hot research topic at home and abroad, the design cost-effective C51 series single chip microcomputer as control core used in,high speed, high performance microprocessor for processing Storage and comparison, some efficient control methods, and at the same time quickly and efficiently protect function on the modulation method uses the popular, a string of pulse width modulation SPWM, to improve the performance of the equipment, to improve the efficiency of the equipment, adopts the advanced digital control PWM chip SA4828 instead of the original analog control PWM chip HFT-4752, SA4828 is Mite company produces three-phase SPWM waveform generator, it can bring high-quality, full digital three-phase PWM waveform, at the same time in order to improve the rapid leaf and the accuracy of driver and protection, took a high-performance drive protection chip . In the power supply circuit adopts JS158, is enough for design and using IPM inverter device embedded system level switch power supply in this paper, the principle and application of SA4828 soft in the inverter. Hardware design method, the results show that the adopted in this paper, the design of digital control inverter test power source can obtain steady feet, voltage output, can meet the demands of a set of test power supply a meter digital test power finally realizes the automatic adjustment, automatic detection, automatic diagnosis and automatic protection function, basically achieved the requirement of intelligent control.
Keywords: sine pulse width modulation (SPWM), SA4828, inverter, IGBT,89C51
II
IGBT三相逆变电源设计 目录
摘要................................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第1章 绪论................................................................................................................ 1
1.1 1.2
课题的背景 ........................................................................................................ 1 电源技术的发展概况 ........................................................................................ 2
第2章 逆变电路的基本原理...................................................................................... 4 2.1 IGBT管的基本原理与特性 ............................................................................. 4
2.1.1 IGBT的工作原理 ....................................................................................... 4
2.2
逆变技术及其原理 ............................................................................................ 9
2.2.1现代逆变技术的分类................................................................................. 10 2.2.2逆变电路的基本工作原理......................................................................... 11 2.2.3电力器件的换流方式..................................................................................11 2.2.4三相电压型逆变电路.................................................................................12
2.3 SPWM
控制技术及其原理 .............................................................................. 15
2.3.1 SPWM控制的基本原理 ........................................................................... 15 第3章 系统硬件设计................................................................................................ 18
3.1 3.2
系统总体介绍 .................................................................................................. 18 系统主电路设计 .............................................................................................. 20
3.2.1输入EMI滤波器的设计 .......................................................................... 21 3.2.2输入整流滤波电路的设计........................................................................ 23 3.2.3逆变器和输出滤波电路的设计................................................................ 24 3.2.4 RCD缓冲电路的设计 .............................................................................. 26
3.3
采样电路及A/D转换电路.............................................................................. 30
波产生芯片SA4828及其应用 ........................................................... 33
3.4 SPWM
3.4.1 SA4828工作原理 ..................................................................................... 33
III
IGBT三相逆变电源设计 3.4.2 SA4828与单片机的连接 ......................................................................... 35 3.4.3 SA4828的编程 ......................................................................................... 36
3.5 IGBT
驱动电路EXB841 ................................................................................. 40
驱动电路的要求 .............................................................................. 40
3.5.1 IGBT
3.5.2.集成化IGBT专用驱动器EXB841 ......................................................... 43 3.5.3使用EXB841应该注意的一些事项........................................................ 45
3.6 3.7
系统保护电路设计 .......................................................................................... 45 辅助电源电路的设计 ...................................................................................... 48
第4章 系统软件的设计............................................................................................ 50
4.1 4.2
系统控制程序设计 .......................................................................................... 50 软件抗干扰技术 .............................................................................................. 52
结论.............................................................................................................................. 54 致谢.............................................................................................................................. 55 参考文献...................................................................................................................... 56 附录A:
IV
IGBT三相逆变电源设计 第1章 绪论
1.1课题的背景
随着各国工业与科学技术的飞速发展，在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动控制技术将成为三种最重要的技术。
所谓电力电子技术，就是利用半导体功率开关器件、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。这项技术自20世纪50年代以来，经历了半个世纪的发展，现在已经成为理论和科学体系比较完整，而且又相对独立的一门科学技术。特别是80年代以来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，及其对工业发展所产生的作用，它被各国专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次电子革命，它在世界各国工业文明的发展过程中所起的关键作用，可能仅次于计算机。预计在21世纪，电力电子技术对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染等方面的发展，将会产生更大的推动作用。
正弦波逆变器技术是电力电子技术中的一个最重要的组成部分，它的作用是把从电力网上得到的定压定频交流电能，或从蓄电池、太阳能电池等得到的电能质量较差的原始电能，变换成电能质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。这种交流电能不仅可用于交流电机的传动，而且还可作为不间断电源、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等逆变器中的电能。
近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流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，从而得到各自所需的电能形式。其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。这种能量的变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。
随着正弦波脉宽调制(SPWM)逆变技术的日益成熟，逆变电源被广泛应用到微波通讯、野外活动、高速公路、海岛、军事、医疗、航空航天、风力发电等各个领域。在一些重要的用电部门(如机场、医院、银行)和一些重要的用电设备中(如计算机、通信设备)对逆变电源质量的要求也越来越高:不仅要求不停电，还要要求输出电压波形准确完好，如不间断电源UPS(Uninterruptible Power Supply )
1
IGBT三相逆变电源设计 本系统中，fclk为6MHz，载波频率fcarr取5.85KHz，可求得n=0，所以CFS为000
(2) 调制波频率范围设定
调制波频率范围设定字是由FRS0-FRS2这三位组成，调制波频率frange通过下式求得：
错误！未找到引用源。 (3.39)
m值的二进制数即为调制波频率范围设定字。
本系统中，调制波频率范围frange=122Hz，可求得m＝3，所以FRS为011 (3) 脉冲延迟时间设定
该设定字是由PDY0-PDY5这6位组成。脉冲延迟时间tpdy通过下式求得：
错误！未找到引用源。 (3.40)
PDY的二进制数即是脉冲延迟时间设定字。
本系统中，tpdy=6us，fcarr=5.85KHz，所以PDY等于46，于是R2为2EH。 (4) 最小删除脉宽设定
最小删除脉宽设定字是由PDT0-PDT6这7位组成，最小删除脉宽tpdt由下式求得，PDT的二进制即是最小删除脉宽设定字。
错误！未找到引用源。 (3.41)
考虑到延迟（死区）的因素，在延迟时，通常的做法是在保持原频率不变的基础上，使开关管延迟导通，实际输出的脉宽=延迟前的脉宽－延迟时间，由结构图3.11可知，SA4828的工作顺序是先删除最窄脉冲，然后再延迟，所以上式给出的tpdt应是延迟前的最小删除脉宽，它等于实际输出的最小脉宽加上延迟时间，即
tpdt=实际输出的最小脉宽＋tpdy。
本系统中，实际输出最小脉宽为2us，则tpdt=6us+2us=8us，计算得PDT＝103＝67H，所以R1为67H。
(5) 调制波形的选择
波形选择字由WS0、WS1这2位组成，WS1、WS0为0、0时，输出的是纯正弦波，WS1、WS0为0、1时，输出的是增强型波，WS1、WS0为1、0时，输出的是高效型波。
37
IGBT三相逆变电源设计 纯正弦波可用于静态逆变电源，UPS电源和单相交流电机调速，增强型和高效型可用于三相交流调速，本系统中，WS1、WS0为0、0，即输出为纯正弦波。
(6) 幅值控制
AC是幅值控制位，当AC=0时，控制寄存器中的R相的幅值就是其他两相的幅值；当AC=1时，控制寄存器中的R、Y、B相分别可以调整各自的幅值，以适应不平衡负载。本系统中我们只使用一相控制信号，所以AC＝0，即R3为00H。
(7) 看门狗时间常数设定
时间常数由WD0-WD15这16位组成，根据下式
错误！未找到引用源。 (3.42)
计算出TIM值，它的二进制即为时间常数。当每次向控制寄存器写数据时，自动用这个常数重置看门狗，即叫醒一次，如果单片机失去控制，在指定时间内没有叫醒看门狗，则看门狗会立即封锁输出。本系统中，不用该功能，所以我们可设定R4、R5值为0。
综上所述，各初始化寄存器的编程值为：R0＝60H，R1＝67H，R2＝2EH，R3＝00H，R4＝R5＝00H。
初始化寄存器通常在程序初始化时定义，在电源工作期间不应该改变它们，如果一定要修改，可先复位SA4828或用控制寄存器中的INH位来关断SPWM输出，然后再进行修改。 2.控制寄存器编程
控制寄存器的作用包括调制波频率选择、调制波幅值选择、正反转选择、输出禁止位控制、计数器复位控制、看门狗选择、软复位控制、控制数据仍然是通过R0∽R5寄存器输入并暂存，当向R15虚拟寄存器写操作时，这些数据送入控制寄存器。R0∽R5各寄存器内容如表3所示。
38
IGBT三相逆变电源设计
(1) 调制波频率选择。调制波频率选择字由PFS0∽PFS15这16位组成，通过下式
错误！未找到引用源。 (3.43)
求得PFS值，它的二进制数即是调制波频率选择字，本系统中，fpower=50Hz，frange=122Hz，所以计算得PFS＝26859＝68EBH，于是R0为0EBH，R1为68H。
(2) 调制波幅值选择。通过改变调制波幅值来改变输出电压有效值，达到改变输出电压的目的。调制波幅值是借助于8位幅值选择字（RAMP、YAMP、BAMP）来实现的，每一相都可以通过计算下式
错误！未找到引用源。 (3.44)
求出A值，它的二进制数即为幅值选择字（即RAMP或YAMP或BAMP）。式中的Apower就是调压比。
(3) 正反转选择。正反转选择位F/R控制三相PWM输出的相序。错误！未找到引用源。时正转，相序是R-Y-B，错误！未找到引用源。时反转，相序为B-Y-R。正反转期间输出波形连续，本系统中，我们选择错误！未找到引用源。，即正转。
(4) 输出禁止位错误！未找到引用源。，当错误！未找到引用源。时，关断所有SPWM信号输出。本系统中我们置错误！未找到引用源。为1，开通所有的SPWM信号输出
(5) 计数器复位控制。计数器复位位错误！未找到引用源。，错误！未找到，失去了正常的频率控制，输出引用源。时，使内部的相计数器置为0（R相）
固定占空比(0.5)的PWM波，本系统中，我们置该位为1。
39
IGBT三相逆变电源设计 (6) 看门狗选择。看门狗选择位WTE，当WTE＝1时，使用看门狗功能。本系统中我们置该位为0，即不使用看门狗功能。
(7) 软复位控制。RST是软复位位，它与硬复位/RST有相同的功能，高电平有效。本系统中我们置该位为0，即不使用软复位功能。
综上所述，各控制寄存器编程值为：R0＝0EBH，R1＝68H，R2＝06H，R＝R5＝00H，R3则根据系统控制程序来设定。附录一是该片的编程例子程序。
3.5 IGBT驱动电路EXB841
3.5.1 IGBT驱动电路的要求
驱动电路的要求与IGBT的特性密切相关，设计门极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dUce/dt引起的误触发等问题。正偏置电压UGE错误！未找到引用源。增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，分别如图3.12所示。由图中还可看出，若＋Uge固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，开通损耗将随结温而升高。
图3.12 正偏电压+Uge（on）与UCE和Eon的关系
负偏电压－错误！未找到引用源。直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，－错误！未找到引用源。与集电极浪涌电流和关断能耗错误！未找到引用源。的关系分别如图3.13所示。
门极电阻错误！未找到引用源。增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；
40
IGBT三相逆变电源设计 因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减小，则又使错误！未找到引用源。增大，可能引发IGBT误导通，同时。
图3.13-UGE与集电极浪涌电流和关断能耗eoff的关系
图3.14门级电阻RG与Eon，Eoff以及di/dt的关系
RG上的损耗也有所增加。具体关系如图3.14所示。由上述不难得知：IGBT的特性随门极驱动条件的变化而变化，就像GTR的开关特性和安全工作区随基极驱动变化而变化一样，但是IGBT所有特性不能同时最佳化。
对驱动电路的要求可归纳如下：
（1）IGBT是电压驱动，具有一个2.5∽5.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷集聚较敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
41
IGBT三相逆变电源设计 1.缓冲电路结构及工作原理
具有缓冲电路的逆变器的一个桥臂如图3.5所示。为了分析缓冲电路的工作原理，把图3.5简化后示于图3.6。图3.7是其工作波形。如图3.5所示，假定当前工作状态为T1导通，T2截止，此时，电源正极经T1、Ds2对Cs2充电，Cs2上电压为Ed，且T1中电流的另一部分流入负载（见图3.6），Cs1处于放电状态，其电压渐渐低于Ed。当T1的触发信号取消后，T1即开始关断，为了保持负载电流连续，T2上的续流二极管FWD导通，如图3.6所示。
图3.5RCD缓冲电路 图3.6简化的
缓冲器电路
图中：Lm－直流母线分布总电感，Lm=L1+L2 I0－关断前集电极输出电流 Ls－缓冲电路布线电感Ucesp－Ls上引起的反电动势 Cs－缓冲电路电容Ucep－Cs上充电尖峰电压 Ds－缓冲电路二极管Ed－直流电源电压 Rs－缓冲电路电阻Ufp(ds)－Ds上正向恢复电压
缓冲二极管VDs阴极基本上被钳制在Ed负极电位上（忽略续流管压降），由于Cs两端电压不会突变，VDs处于正向偏置而导通。另外，分布电感Lm仍以维持Ic不变的趋势经Ls向Cs充电，在Ls上产生－LsdIc/dt反电动势（左正右负）。由于VDs在导通过程中具有正向过渡特性，开始时有较大的正向瞬时电压（40－60V），见图3.7(a)。因此，加在T1集射两端的电压是Ls、Cs、VDs支路电压的总和，即
错误！未找到引用源。 (3.21)
随着充电过程进行，VDs正向过渡特性很快结束，其正向压降逐步减到零，
27
IGBT三相逆变电源设计 见图3.7(a)，Uce从Ucesp逐渐减小。但随着Cs的充电，其两端电压又逐步升高，因此，Uce又逐步回升达到Ucep，如式(3.22)。Cs充电过程停止，接着Cs经（Ls+Lm）、Ed、FWD、VDs构成的LC电路开始放电。由于Ls上反电动势改变方向（左负右正），Uce产生一个负下跳－Lsdids/dt，VDs上开始出现反向恢复电流。当反向电流ids达到最大时，就开始减小，Ls上反电动势又改变方向（左正右负），Uce又出现一个上跳，二极管VDs进入关断过程，VDs上承受反向电压Uds如式(3.23)所示，（Lm+Ls）上反电动势为左正右负。VDs关断后，ids＝0，(Lm+Ls)上反电动势消失，VDs上承受的反向电压Uds=Ucep-Ed=ΔUce。
图3.7缓冲器工作波形
错误！未找到引用源。 (3.22) 错误！未找到引用源。 (3.23)
式中，idsr为VDs的反向恢复电流。ΔUce是前面Lm经Ls向Cs充电时产生的高出直流电压Ed的部分，此时成为反偏压全加在VDs的两端。
2．缓冲电路参数的计算
产生过电压的根本原因是主回路的布线电感Lm，其间存储的电能为
错误！未找到引用源。 (3.24)
缓冲电路能吸收的能量为
错误！未找到引用源。 (3.25)
28
IGBT三相逆变电源设计 令式(3.24)等于式(3.25，有
Cs(Ucep?Ed)2?LmIo2 (3.26)
为确保Lm中能量全部被Cs吸收，应取
错误！未找到引用源。 (3.27)
式中， 错误！未找到引用源。；错误！未找到引用源。
(3.28)
错误！未找到引用源。；错误！未找到引用源。
(3.29)
本系统设计中，取2uH，
错误！未找到引用源。 (3.30)
Lm错误！未找到引用源。 (3.31)
错误！未找到引用源。
(3.32)
2×502Cs??0.02?2F2(108?0600) (3.33)
取30 错误！未找到引用源。。
缓冲电阻的要求是，IGBT关断时，Cs上积累电荷的90％能及时释放掉，可由式3.34确定。阻值过小，缓冲电路可能振荡，IGBT导通时电流增加。
错误！未找到引用源。 (3.34)
缓冲电阻产生的损耗P(RS)与阻值无关，可由下式确定：
错误！未找到引用源。 (3.35)
式中系数10是电阻互特数的裕度系数，以防温升过高，f为开关频率，本例中f取5.85KHz。所以可计算如下：
错误！未找到引用源。 (3.36)
错误！未找到引用源。 (3.37)
在实际应用中，应用多个电阻串并联来满足电阻的阻值和功率要求。实用缓冲电路可参照图3.3所示，我们可以使每个双单元IGBT模块使用一个缓冲电路。值得一提的是,在选择缓冲电路元件时应该注意，缓冲电容尽量用无感电容，缓冲二极管必须是正向过渡电压低，反向恢复时间短、反向恢复特性软的二极管。
29
?F
IGBT三相逆变电源设计 恢复时间长，二极管功耗大，恢复特性硬，容易引起IGBT集射间电压振荡。接线时，应尽量使Cs、VDs紧靠IGBT，以减小分布电感。
3.3采样电路及A/D转换电路
因系统输入市电电压是波动的，而输出要求是稳定的380V电压，所以需经采样电路采样输出电压，得到的模拟量再经过A/D转换电路转换为数字量，然后送往单片机，单片机通过一定的算法使输出电压稳定在380V。
3.3. 1.采样电路
本系统的采样电路如图3.8所示，输出电压经变压器变压后再经整流堆整流，输出的是脉动的电压，此电压再经电阻R6和电容C5组成的滤波器滤波后，成为稳定的直流电压 ，经可变电阻R7调节后送往A/D转换电路。我们可以调节电路，使得当系统输出电压有效值是380VAC时，电路输出电压是2.5VDC，该电路可在系统输出电压的一定变化范围内具有线性关系。
R2210kJ321HEADER 31D242R61kC5470uFR7in.oR310k310k
图3.8采样电路
3.3.2.A/D转换电路
采样电路得到的模拟信号必须经A/D转换器转换为数字量后才能送往单片机进行处理。本系统中，我们采用ADC0809，它是CMOS工艺、采用逐次逼近
30
IGBT三相逆变电源设计 法的8位A/D转换芯片，28脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，图3-9是它与单片机AT89C51的接口电路。ADC0809由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等组成。其引脚功能说明如下：
P0P0P0P0P0P0P0P0.7.6.5.4.3.2.1.021IDF2-1202-2192-3182-482-5132-6142-7172-8DF0DF1DF2DF3DF426272812345IN-0P3.47EOCU5AWR31P2.72SN7402U5B4DF525ADD-A24ADD-BDF623ADD-CDF722ALE916ENABLErof-6STARTALE1012clockrof+VCCP2.76/RD5WRSN7402 图3.9 ADC0809与AT89C51的接口
IN0-IN7为8个输入通道的模拟输入端。 D0-D7为8位数字量输出端。
START为启动信号，加上正脉冲后，A/D转换开始进行。
RDALE为地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。
EOC为转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用做中断请求信号。
OE为输出允许控制端。
CLK为时钟信号，最高允许值为640KHz。 VREF(+)和VREF(-)为A/D转换器的参考电压。
图3.9为ADC0809与AT89C51的接口，在此，我们采用查询方式。这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，由于只采样一个通道值，所以在此我们采用固定寻址法，只寻址IN0通道，另外，由P2.7和 联合控制启动转换
31
IGBT三相逆变电源设计 信号端START。启动ADC0809的工作过程是：先由ALE信号锁存通道地址000，后由START有效启动A/D转换，即执行一条MOVX@DPTR,A指令产生WR信号，使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换完毕，EOC端发出一正脉冲供单片机查询，最后执行MOVX A,@DPTR产生错误！未找到引用源。信号 使OE端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据就读入到CPU中。
ADC0809的时钟取自AT89C51的ALE经二分频双D触发器之一后的信号（接CLK端）。当A/D转换完毕，AT89C51读取转换后的数字量时，需使用MOVX A,@DPTR指令，在如图3.9所示的接口电路中，ADC0809与片外RAM统一编址，在使用MOVX指令时一个周期内丢失一个ALE脉冲，但这不影响A/D转换的时间。
3.4 SPWM波产生芯片SA4828及其应用
3.4.1 SA4828工作原理
SA4828是MITEL公司推出的一种专用于三相SPWM信号发生和控制的集成芯片。它既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。该芯片的主要特点为：全数字控制；兼容Intel系列和Motorala系列单片机；输出调制波频率范围0－4KHz；16位调速分辨率；载波频率最高可达24KHz；内部ROM固化3种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。
123456789101112131428AD3AD227AD4AD126AD5AD025AD6VDD24AD7MUX23/WRRS/RDZPPR2221ALEWSSRSTRPHT2019CLKSET TRIP/CSYPHT1817TRIPBPHTRPHBVSS16YPHBBPHB15 图3.10 SA4828
32
IGBT三相逆变电源设计 1.SA4828引脚功能
SA4828采用28脚的DIP和SOIC封装，其引脚如图3.10所示，各引脚功能如下：
（1）输入类引脚说明
错误！未找到引用源。:地址或数据输入通道。
SET TRIP:通过该引脚，可以快速关断全部SPWM信号输出，高电平有效。 ：硬件复位引脚，低电平有效，复位后，寄存器的错错误！未找到引用源。
、错误！未找到引用源。、WTE和RST各位为0。 误！未找到引用源。
CLK：时钟输入端，SA4828既可以单独外接时钟，也可以与单片机共用时钟。
MUX：用于总线选择，当MUX高电平时，使用地址与数据共用的总线，这时，地址/数据引脚RS不用，当MUX低电平时，使用地址/数据分开的总线，这时，地址锁存引脚ALE接低电平，RS引脚要与一条地址线相连，来区分输入的字节是地址（低电平），还是数据（高电平），通常先地址后数据。
：片选引脚 错误！未找到引用源。
、错误！未找到引用源。 、ALE：用于“错误！未找错误！未找到引用源。
到引用源。 ”模式，分别接收写、读、地址锁存指令。
、AS、DS：用于错误！未找到引用源。 模式，分别错误！未找到引用源。接收读/写、地址、数据指令。
（20输出类引脚说明
RPHB、YPHB、BPHB：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的下臂开关管。
RPHT、YPHT、BPHT：这些引脚通过驱动电路控制逆变桥的R、Y、B相的上臂
开关管。它们都是标准TTL输出，每一个输出都有12mA的驱动能力，本例中，由于RPHB和RPHT各要驱动两块驱动电路EXB841，所以采用如图3.19所示的接法。
33
IGBT三相逆变电源设计 ：该引脚输出一个封锁状态，当SETTRIP有效时，错错误！未找到引用源。
误！未找到引用源。为低电平，表示已被封锁，它有12mA的驱动能力，可直接驱动一个LED指示灯。
ZPPR：该引脚输出调制波频率。 WSS：该引脚输出采样波形。 2.内部结构及工作原理
SA4828内部结构,单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器，它们对相控逻辑电路进行控制。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所设定的片内ROM中的调制波形进行比较，自动生成SPWM输出脉冲，通过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲，因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗，通过脉冲延迟电路生成死区时间，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路，看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。片内ROM存有三种可供选择的波形，它们是纯正弦波形，增强型波形和高效型波形，每一种波形各1536个采样值，增强型波形又称三次谐波，它可以使输出功率提高20％，三相谐波互相抵消，防止电动机发热，高效型波形又称带死区的三次谐波，它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。
寄存器列阵包含8个8位寄存器R0-R5和R14、R15。其中R0-R5用来暂存来自单片机的数据，这些数据可能是初始化数据，或者是控制数据；而R14、R15是两个虚拟的寄存器，物理上不存在。当向R14写操作时，实际是将R0-R5中存放的48位数据送入初始化寄存器，当向R15写操作时，是将R0-R5中存放的48位数据送入控制寄存器。各寄存器地址如表1所列。 表1各寄存器地址
34
IGBT三相逆变电源设计
3.4.2 SA4828与单片机的连接
图3.1 1 SA4828与单片机接口的原理图
SA4828与单片机接口的原理图如图3.11所示，本系统中，我们选用的是ATMEL公司的AT89C51单片机。AT89C51属于地址与数据总线复用类的单片机，因此，SA4828芯片的MUX引脚接高电平或者悬空不接。通过AT89C51的P0口与SA4828的AD口相连，提供8位数据和低8位地址，SA4828芯片中的地址锁存器可以锁存来自AT89C51的低8位地址，从而将AD口输入的地址与数据分开。
SA4828的地址锁存器由AT89C51的ALE信号控制。同时，连接的控制信号还有读、写信号错误！未找到引用源。 RD和WR错误！未找到引用源。。
35
IGBT三相逆变电源设计 SA4828的片选信号CS接地，这样SA4828的8个寄存器的地址为：
寄存器R0∽R5的地址：0000H∽0005H 虚拟寄存器R14、R15的地址：000EH、000FH
SA4828的SETTRIP引脚接反相器的输出脚，单片机能够在异常情况下封锁SA4828的输出，SA4828的错误！未找到引用源。TRIP引脚接一只发光二极管，当SA4828的输出被封锁时，发光二极管亮，用来封锁状态。由于本系统采用单相电压型逆变电路，所以SA4828的输出引脚我们只用RPHT和RPHB，它们分别通过四个EXB841驱动电路，RPHT驱动逆变桥的1、4号IGBT，而RPHB驱动2、3号IGBT。
3.4.3 SA4828的编程
1．初始化编程
初始化是用来设定与电机和逆变器有关的基本参数，它包括载波频率设定、调制波频率范围设定、脉冲延迟时间设定、最小删除脉宽设定、调制波形设定、看门狗时间常数设定。在初始化编程时，R0-R5各寄存器内容见表2。下面分别介绍这些内容的设定:
(1)载波频率设定
载波频率（即三角波频率）越高越好，但频率越高损耗会越大，另外，还受开关管最高频率限制，因此要合理设定，设定字由CFS0-CFS2这三位组成，载波频率fCARR通过下式求出:
错误！未找到引用源。 (3.38)
式中，fclk为时钟频率，n值的二进制数即为载波频率设定字。
36