PAGEV本科畢業設計論文論文題目：基于單片機的單相電機調速系統——電源電路的設計作者姓名指導教師所在院系專業班級提交日期____2009年5月

基于單片機的單相電機調速系統——電源電路摘要 本文簡單介紹了單相電機的工作原理及變頻調速原理，同時詳細介紹了開關電源的工作原理。基于這些理論設計了相應的電源電路，將200AC電源整流后提供給單片機，并設計了一開關電源作為控制電路和單片機及外圍電路的電源。另外根據單相電機的參數，選擇合適的驅動芯片和驅動管，實現對單相電機的驅動。本文作者還完成了原理圖和PCB板的設計以及硬件調試。本系統成本不高，采用了脈寬調制技術組成的PWM交-直-交變頻裝置。關鍵字：單相電機，變頻調速，開關電源，驅動

目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III圖例 VI第1章 緒論 11.1 課題研究的背景 11.2 國內外研究現狀 21.3 課題研究內容 41.4 課題研究意義 51.5 設計方案 6第2章 開關電源簡介 92.1 開關電源簡介 92.2 開關電源的原理 92.3 開關電源的三個條件 102.4 開關電源的種類 102.4.1DC/DC變換 102.4.2AC/DC變換 112.5 開關電源的選用 122.5.1輸出電流的選擇 122.5.2接地 122.5.3保護電路 122.6 開關電源電器可靠性設計 132.6.1供電方式的選擇 132.6.2電路拓撲的選擇 132.6.3控制策略的選擇 132.6.4元器件的選擇 14第3章 電源電路的設計與分析 163.1 全波整流濾波輸入電路 163.1.1橋式整流電路 163.1.2濾波電容的選取 173.2 開關電源電路 183.2.1IR2153芯片簡介 193.2.2TL431簡介 213.2.3LM7805簡介 243.3 輸出整流濾波電路 25第4章 驅動電路的設計與分析 264.1 驅動電路原理圖 264.2 功率驅動單元元器件的選取 274.2.1功率器件 274.2.2接口驅動芯片的選取 284.3 集成驅動芯片IR2130介紹 294.3.1IR2130驅動芯片的特點 304.3.2IR2130內部結構及其工作原理 314.3.3橋式MOSFET驅動電路 324.4 電機驅動電路 334.3 保護電路分析 34第5章 PCB板的設計 355.1 元器件的布局 355.2 電源的設計 365.3 線路的設計 365.3 PCB圖 37第6章 硬件調試 396.1 調試準備工作 396.2 調試工作 396.3 調試結果 40全文總結 44參考文獻 45附錄實物圖 47致謝 48圖例TOC\t"正文文本,1"\h22893圖1-1單相電機變頻調速原理圖 720461圖3-1全波整流濾波電路 1629232圖3-2開關電源電路 1917936圖3-3IR2153引腳排列圖 1930373圖3-4IR2153的內部簡化功能框圖 213003圖3-5TL431封裝形式 225549圖3-6TL431功能模塊示意圖 229001圖3-7改變控制極電壓得到陰極電壓的實驗電路和數據 239201圖3-8TL431陰極伏安特性圖 2425681圖4-1功率驅動主電路 2724502圖4-2IR2130內部結構圖 3027115圖4-3橋式MOSFET驅動電路 3278圖4-4電機驅動電路 3324463圖5-1PCB圖 3822075圖6-1PWM4和PWM5的波形圖 4022075圖6-2Q1的1,3引腳間的波形圖 4122075圖6-3U3-3波形圖 4122075圖6-4LO1與HO1輸出波形圖 4222075圖6-5M1與M2輸出波形圖 4222075圖6-6IALL輸出波形圖 43PAGE42緒論課題研究的背景電機是一種進行機電能量轉換或信號轉換的電磁機械裝置。就能量這個轉換的功能來看，電機可分為兩大類。第一類是發電機，它是把機械能轉換為電能的裝置，通過原動機先把各類一次能源蘊藏的能量轉換為機械能，然后通過發電機轉換電能，經輸、配電網絡送往各工礦企業、城市、家庭等各種用電場合。第二類是電動機，它把電能轉換為機械能，用來驅動各種用途的生產機械和其他裝置，以滿足人類的不同需求[1]。三相電機和單相電機原理基本相同，都是電磁原理的應用。只是三相電機的磁場為圓形，可以自啟動，單相電機的磁場為脈振磁場，需要增加電容或電阻以及啟動線圈使之形成橢圓形磁場，才能啟動。另外的區別是使用的電源不同。通常家庭以及沒有三相電源的地方使用單相電機，功率通常比較小，通常小于750W，工業和功率較大場所都選用三相電機。三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。我們知道，但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差120度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差120度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場的轉速為：n=60f/P式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數、n的單位是：每分鐘轉數。根據此式我們知道，電動機的轉速與磁極數和使用電源的頻率有關[2]。單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉時（如順時針方向旋轉），這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變小；轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來[3],[4]。隨著電力電子技術、微控制器及控制理論的快速發展,近年來交流電機調速技術取得了突飛猛進的進步。尤其是隨著一些高性能的交流調速方法如“矢量控制技術”、“直接轉矩控制技術”及“同步機自控式”等方法的出現,交流電機調速更是獲得了幾乎可以和直流調速相媲美的性能。由于交流電機結構簡單、價格低廉等自身的優點,交流調速迅速興起,徹底打破了直流調速占調速領域主導地位的格局,調速系統向著交流化、高頻化、網絡化的方向發展[5]。交流調速系統一般包括以下幾部分的內容:異步電動機變壓調速系統、異步電動機變頻調速系統、繞線轉子異步電動機雙饋調速系統、同步電動機變頻調速系統。目前變頻調速是交流調速發展的主流,已成為電力傳動領域研究的一個熱點。國內外研究現狀隨著我國電子、電氣技術的迅猛發展、人們生活水平的不斷提高，對電機的性能提出了許多新的更高的要求，出現了各種各樣的電器產品，在各種電器產品中使用著各種各樣的電動機。目前在工業發達國家，每個家庭平均使用著50～100臺小功率電動機。據美國能源部報告，美國電動機電力消耗中，小功率電動機站64%。從世界銷售市場統計，各類電機年總銷售額為300億美元，小功率電動機占了1/3。小功率電動機是我國機電產品出口的主要項目之一，近年來發展很快，具有良好的前景[6]。目前世界各國小功率電動機的產量逐年增加，其增長率大于大中型電機。我國加入世貿組織后，已經融入全球經濟，形成國際化市場的競爭環境，即帶來了新的機遇又帶來新的挑戰。在國際市場上，電機是機電產品的重要組成部分，每年的世界貿易額約為35億美元。再由于工業發達國家對于原材料、工時耗用多而獲利少的普通電機產品不愿意制造，紛紛轉向發展中國家加工和購買，因此國際市場上對電機的需求呈上升趨勢。現在面對國內外廣闊的市場前景，國內生產廠家投入大量人力、財力來進行中小功率電動機的研究與開發，是很有必要的。近10年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。交流調速中最活躍、發展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。上個世紀變壓器的出現使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調速技術的出現使頻率變為可以充分利用的資源。變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式[7],[8]。我國電氣傳動產業始建于1954年，當時第一批該專業范圍內的學生從各大專院校畢業，同時在機械工業部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來天津電氣傳動設計研究所的前身。現在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。我國是一個發展中國家，許多產品的科研開發能力仍落后于發達國家。至今自行開發生產的變頻調速產品大體只相當于國際上80年代水平。隨著改革開放，經濟高速發展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。

國內許多合資公司生產當今國際上先進的產品，國內的成套部分在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業的先進設備，自己開發應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統。雖然取得很大成績，但應看到由于國內自行開發、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴重目前國內主要的產品狀況如下：IGBT或BJT

PWM逆變器供電的交流變頻調速設備。這類設備的市場很大，總容量占的比例不大，但臺數多，增長快，應用范圍從單機擴展到全生產線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。約有50家工廠和公司生產，其中合資企業占很大比重。負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調速設備。這類產品在抽水蓄水能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內配套，自行開發的控制裝置只有模擬式的，數字裝置需進口，自己開發應用軟件。交-交變頻器供電的交流變頻調速設備。這類產品在軋機和礦井卷揚傳動方面有很大需求，臺數不多，功率大。主要靠進口，國內只有少數科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產，數字控制裝置進口，包括開發應用軟件。隨著我國經濟的飛速發展，交流調速技術得到了廣泛的應用，通用變頻器年銷售額已超過50億。國家“十五”期間，許多大型項目需要交流調速傳動。例如，西氣東輸的大型壓縮機傳動。大型船舶電力推進，大型熱軋和冷軋交流傳動，高速鐵路牽引傳動，以及風機水泵高壓變頻節能傳動等等。目前我國電動機調速技術的特點是以低壓、小容量調速對象為主，高壓、高效的變頻調速裝置以進口為主。面對節能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產高壓大功率變頻器的產品生產還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰與機遇共存。國際上具有生產、研制新型大功率變頻調速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術發展的過程中一直是按部就班進行的，形成了從功率半導體器件到整機生產的全套工業環節，市場慣性和企業本身的龐大機構使得他們不會馬上轉產全新的產品。而我國是一個新興的發展中國家，盡管在老技術方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉入最新技術的開發和利用，借鑒別人的經驗，跨過他們已經走過的路程。在最新領域取得研究成果的基礎上盡快產業化，可大大縮短與先進國家的差距，在某些方面甚至還可以超過他們。從目前看，大容量交流電機調速技術應用的時機業已成熟，國內只要在體制改革、生產管理和經營決策方面走上軌道，其發展前途不可限量[9],[10]。課題研究內容目前，單相電機調速大多通過降壓來實現，本課題希望通過單片機系統實現單相交流電機的V/F調速功能，從而使系統的性能得到顯著的提高。課題根據對單相電機調速系統的要求，設計相應的電源及驅動電路。（1）將200AC電源整流后提供給單相電機，并設計一開關電源，作為控制電路和單片機及外圍電路的電源；（2）新型MOSFET橋式電路驅動芯片的選型隨著集成電路制造技術的發展，當前出現了許多用于中小型電機驅動的性能優良的集成電路產品，對于中小型電機控制電路的設計人員來說，選用性能參數都比較合適的集成功率放大器，與采用分立元件設計的功放電路相比，不但能減小功放電路的體積，提高功放電路的整體性能；而且由于集成功放中設計了多種多樣的保護電路，從而可以減少系統發生故障的可能性，提高電路的可靠性。課題根據單相電機的參數，選擇合適的驅動芯片和驅動管，實現對單相電機的驅動。課題研究意義單相交流異步電動機結構簡單，生產成本低廉，使用維護方便，在小功率電機應用方面，如電冰箱、洗衣機、電風扇、空調等家用電器，汽車附件等領域占據主導地位[11]。隨著電力電子技術、微控制器及控制理論的快速發展，近年來交流電機調速方法如“矢量控制技術”、“直接轉矩控制技術”及“同步機自控式”等方法的出現，交流電機調速更是獲得了幾乎可以和直流調速相媲美的性能。由于交流電機結構簡單、價格低廉等自身的優點，交流調速迅速興起，徹底打破了直流調速占調速領域主導地位的格局，調速系統向著交流化、高頻化、網絡化的方向發展【5】。交流調速系統的應用不但可達到節能的目的，還可實現整個系統的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產效率和產品質量。近年來，由于微處理機和大功率晶體管（GTR）的應用，交流調速技術進入了一個嶄新的時代，且大有在調速系統內，大批取代直流調速系統的趨勢。交流調速控制作為對電動機控制的一種手段，作用相當明顯。隨著單片機的普及應用，利用單片機來控制電機調速的系統，以其控制靈活、參數調節方便、調節性能良好等諸多優點受到人們的青睞。單片機具有價格低廉、可靠性高、內部資源豐富、易于開發等優點，它的出現大大地推動了電機控制行業的發展。用單片機作為電動機的核心控制元件，可避免傳統的調速方案中的一些缺點,達到提高控制精度的目的[12],[13]。眾所周知，單相電機的使用性能與它的驅動電路有著密切的關系，隨著電子技術和功率開關電子器件的出現，使電機的控制電路和功率驅動電路發生了很大的變化，特別是集成電路的推廣和微機的普及應用，更使電機驅動電源的研制上了一個新的臺階，使其性能指標有了顯著的提高。國內對這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的電機驅動電源卻很少，而且國內的驅動電源方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規則、性能指標不穩定及遠沒有達到系列化等問題，這就給驅動電源的選用和安裝帶來了極大的不便，國外雖然有通用的各種類型的電機驅動電源，但大都存在一些問題，如價格昂貴，與我國的系統連接不匹配等問題。如前所述，電機的系統性能，不僅與電機本身的特性有關，而且還與電機的控制方式、驅動電源的特性及負載特性有著密切的關系，特別是驅動電源技術方面，對電機運行性能的改善，如高頻力矩的提高，單步振蕩及振動的消除等方面起著至關重要的作用。因此，對電機的驅動電源及其驅動控制方式進行應用性研究，做出適合單相電機運行特性的電源電路及驅動電路，不僅具有較高的現實意義。而且具有極大的經濟價值。設計方案變頻調速作為一種新的電機調速方法，就是通過整流橋將工頻電源整流成直流電源，再通過控制電力電子器件構成的逆變器來提供可變頻率的電源給電機，使電機的同步的轉速能夠變化，從而改變電動機的轉速。本課題采用的單相電機調速電路如圖1-1所示。（a）（b）圖1-1單相電機變頻調速原理圖系統的總體結構和硬件配置由整流電路、開關電源、電機驅動電路、橋式MOSFET驅動電路、保護電路和PIC單片機等組成，本次設計采用了PIC單片機，Microchip公司推出的PIC系列單片機最大的特點是：不搞單純的功能堆積,而是從實際出發-重視產品的性能與價格比,靠發展多種型號來滿足不同層次的應用要求；精簡指令使其執行效率大為提高。具有獨特的RISC結構,數據總線和指令總線分離的哈佛結構總線，使其指令具有單字長的特性且允許指令碼的位數可多余4位的數據位數,這與傳統的采用復雜指令集結構的4位單片機相比可以達到2:1的代碼壓縮,使指令的執行速度比一般的單片機要快4-5倍；產品開發容易、周期短，并且能夠快速進入市場，采用了RISC指令集，指令少，且全部為單字長指令易學易用，相對于CISC復雜指令集,結構的單片機可節省30%以上的開發時間、2倍以上的程序空間。如果采用PIC的低價OTP型芯片，可使單片機在其應用程序開發完成后立刻使該產品上市；低價實用，配備有OTP型、EPROM型和E2PROM型等多種形式的芯片，其OTP型芯片的價格很低；功耗低，采用CMOS設計結合了諸多的節電特性,使其在靜態設計可進入睡眠省電狀態而不影響任何邏輯變量；優越的開發環境，OTP單片機開發系統具有實時性，每推出一款新型號的同時,推出相應的仿真芯片,所有的開發系統由專用的仿真芯片支持,實時性非常好；芯片引腳具有防瞬態能力,通過限流電阻可以接至交流電源,可直接與繼電器相連,無須光電耦合器隔離，給應用帶來極大方便；自帶看門狗定時器，可以提高程序運行的可靠性；徹底的保密性，以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復熔絲。因此PIC系列的微控制器在辦公自動化設備、消費電子產品、電訊通信、智能儀器儀表、汽車電子、工業控制等不同領域獲得了非常廣泛的應用[14],[15]。開關電源簡介開關電源簡介開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發展空間。開關電源具有工頻變壓器所不具備的優點，新型、高效、節能的開關電源代表著穩壓電源的發展方向，因為開關電源內部工作于高頻率狀態，本身的功耗很低，電源效率就可做得較高，一般均可做到80%，甚至接近90%。這樣高的效率不是普通工頻變壓器穩壓電源所能比擬的。開關電源常用的單端或雙端輸出脈寬調制（PWM），省去了笨重的工頻變壓器，可制成幾瓦至幾千瓦的電源。開關電源的原理簡單地說,開關電源的工作原理是：交流電源輸入經整流濾波成直流；通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,將那個直流加到開關變壓器初級上；開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載；輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩定輸出的目的。交流電源輸入時一般要經過厄流圈一類的東西,過濾掉電網上的干擾,同時也過濾掉電源對電網的干擾；在功率相同時,開關頻率越高,開關變壓器的體積就越小,但對開關管的要求就越高；開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出；一般還應該增加一些保護電路,比如空載、短路等保護,否則可能會燒毀開關電源。以上說的就是開關電源的大致工作原理。其實現在已經有了集成度非常高的專用芯片,可以使外圍電路非常簡單,甚至做到免調試。例如TOP系列的開關電源芯片(或稱模塊),只要配合一些阻容元件,和一個開關變壓器,就可以做成一個基本的開關電源[17]。開關電源的三個條件開關：電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態；高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻；直流：開關電源輸出的是直流而不是交流。開關電源的種類人們在開關電源技術領域是邊開發相關電力電子器件，邊開發開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述[18]。DC/DC變換DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。還有Sepic、Zeta電路。上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為（200～300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90％。AC/DC變換AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。開關電源的選用開關電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結構的特點（多級串聯），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優勢，其輸出電壓穩定度可達(0.5～1）％。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應注意以下幾點。輸出電流的選擇因開關電源工作效率高，一般可達到80％以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：Is=KIf式中：Is—開關電源的額定輸出電流；If—用電設備的最大吸收電流；K—裕量系數，一般取1.5～1.8。接地開關電源比線性電源會產生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設備，應采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源，將其FG端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。保護電路開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊，并且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設備或開關電源。開關電源電器可靠性設計電子產品，特別是軍用穩壓電源的設計是一個系統工程，不但要考慮電源本身參數設計，還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、熱設計、安全性設計、三防設計等方面。因為任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以我們應充分認識到電源產品可靠性設計的重要性。供電方式的選擇集中式供電系統各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質量，而且應用單臺電源供電，當電源發生故障時可能導致系統癱瘓。分布式供電系統因供電單元靠近負載，改善了動態響應特性，供電質量好，傳輸損耗小，效率高，節約能源，可靠性高，容易組成N＋1冗余供電系統，擴展功率也相對比較容易。所以采用分布式供電系統可以滿足高可靠性設備的要求。電路拓撲的選擇開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60％降額使用，則使開關管不易選型。在推挽和全橋拓撲中可能出現單向偏磁飽和，使開關管損壞，而半橋電路因為具有自動抗不平衡能力，所以就不會出現這個問題。雙管正激式和半橋電路開關管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60％降額使用，選用開關管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓撲。控制策略的選擇在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優點：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關管損壞，大大減小過載與短路的保護；優良的電網電壓調整率；迅捷的瞬態響應；環路穩定，易補償；紋波比電壓控制型小得多。電流控制型的50W開關電源的輸出紋波在25mV左右，遠優于電壓控制型。硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在350kHz以下，軟開關技術是應用諧振原理，使開關器件在零電壓或零電流狀態下通斷，實現開關損耗為零，從而可將開關頻率提高到兆赫級水平，這種應用軟開關技術的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優點，接近理想的特性，如低開關損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負載范圍，但是此項技術主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術為主。元器件的選擇因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個方面：（1）元器件可靠性問題元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機性質的失效，與質量問題的區別是元器件的失效率取決于工作應力水平。在一定的應力水平下，元器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩定性差、早期失效等，應進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。通過篩選可使元器件失效率降低1～2個數量級，當然篩選試驗代價(時間與費用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯試等還是合算的，研制周期也不會延長。（2)設計問題首先是恰當地選用合適的元器件：盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。多采用集成電路，減少分立器件的數目。開關管選用MOSFET能簡化驅動電路，減少損耗。輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管。應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。集成電路必須是一類品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500標準B－1以上質量等級的軍品。設計時盡量少用繼電器，確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器。原則上不選用電位器，必須保留的應進行固封處理。吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。在潮濕和鹽霧環境下，鋁電解電容會發生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時，電解質會分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設備的電源中。鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲存時間長，性能穩定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價格昂貴。關于降額設計：電子元器件的基本失效率取決于工作應力(包括電、溫度、振動、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。除個別低應力失效的元器件外，其它均表現為工作應力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設計時要進行降額設計。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標準亦不同，實踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應力，以下為開關電源常用元器件的降額系數：電阻的功率降額系數在0.1～0.5之間。二極管的功率降額系數在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。發光二極管。電源電路的設計與分析全波整流濾波輸入電路圖3-1中F1為交流保險絲，當發生過流現象時，F1就會自動熔斷，以斷開市電與內部電路，保證內部電路無損。市電經過由整流橋組成的橋式全波整流電路，成為脈動直流。圖中C20是一個濾波電容，使脈動直流變為平滑直流。C20接在整流電路和驅動主電路之間還起到緩沖的作用。DC+輸出為300V電壓。圖3-1全波整流濾波電路橋式整流電路變換器的最大輸出功率設計為500W，效率為η=90%，則輸入功率:Pin=500/0.9=555（W）（3-1）所以輸入整流橋電流的有效值為：Pin/220=2.52（A）（3-2）在實際使用中，考慮電流的足夠裕量，整流濾波電路中的整流橋選用了MicKBPC609。濾波電容的選取濾波電容的容量和輸出功率的大小有密切的關系。由于輸入級沒有PFC電路(一種高效率的功率因子改善電路,電路采用零電流轉換方式進行控制,并采用雙向開關實現電路初級的同期整流,從而實現了高功率因子,高效率和低高次諧波的功率因子改善電路)，電容選得大，輸入電流的畸變率高，而容量低又會導致輸入紋波變動范圍大。濾波電容濾波電容器在輸入電壓220V±20%或輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）時的最高整流輸出電壓可以達到370V，因此應選擇額定電壓為400V的電解電容器或選擇兩只額定電壓為200V（也可以是250V）的電解電容器串聯使用。需要注意的是，盡管電解電容器的額定電壓有10%左右富裕量，在上述應用場合下，從產品的安全角度考慮是不允許使用額定電壓為300V或350V的電解電容器。對于帶有功率因數校正的整流濾波電路，當功率因數校正電路輸出電壓為380V時可以選擇額定電壓400V電解電容器，而功率因數校正電路輸出電壓高于380V時則只能選擇額定電壓為450V的電解電容器。濾波電容容量的選擇濾波電容器，為限制整流濾波輸出電壓紋波，正確選擇電容量是非常重要的。通常濾波電容器的電容量在輸入電壓220V±20%時按輸出功率選擇為：不低于每瓦1μF（即：≥1μF/W），輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）輸入時按輸出功率選擇為：不低于每瓦（3~4）μF（即：≥（3~4）μF/W）。濾波電容器電容量的取值依據為：在220V±20%交流輸入及85V~265V交流輸入的最低值時，整流輸出電壓最低值分別不低于200V和90V，在同一輸入電壓下的整流濾波輸出電壓分別約為：240V和115V，電壓差分別為：40V和25V。每半個電源周波（10mS），整流器導電時間約2mS（ms），其余8mS為濾波電容器放電時間，承擔向負載提供全部電流，即：（3-3）220V±20%交流輸入時：（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）即：1μF/W85V～265V交流輸入時：（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）即：3.6μF/W每半個電源周波（10mS），整流器導電時間約3mS，其余7mS為濾波電容器放電時間，承擔向負載提供全部電流，則：濾波電容器容量為：0.88μF/W和3.15μF/W。以上是從濾波后的紋波電壓角度考慮如何選擇，如果從電解電容器的額定電流和壽命考慮則需要清楚濾波電解電容器所能承受的紋波電流和預計電容器的壽命。綜上，本課題中選用470μF，450V的電解電容。開關電源電路本文采用了半橋驅動芯片IR2153和LM7805組成的開關電源。如圖3-2所示。圖3-2開關電源電路DC+（+300V，經前端全波整流濾波電路所得）輸入，R19和C12組成一個RC振蕩器，通過改變R19或C12的大小可以改變電路的工作頻率。增加R9時，電路的工作頻率會減少，驅動電流和功率都會增加。圖中IR2153利用C6和D2構成自舉供電方式，直接驅動高端、低端功率管。HO輸出來驅動MOS管IRFP460。與普通的脈沖變壓器驅動等結構形式的半橋電路相比，該電路具有結構簡潔、功能齊全、開關損耗低等優點,適合多種場合使用。由于變換級采用無電感形式的直流輸出電壓疊加方式，使能夠有效地克服電流輸出閉塞的現象、能夠有效地適應電極肥大的場合。電路中通過7805進行轉換得到+5V的電壓。IR2153芯片簡介半橋驅動集成電路IR2153可直接驅動高端和低端大功率常效應管，可使半橋驅動電路簡化，提高單路性能。故其在電源電路中得到了較廣泛的應用。引腳排列及主要功能圖3-3給出了IR2153引腳排列圖。圖3-3IR2153引腳排列圖VCC：低端邏輯和內部MOS管的門極驅動電源電壓；RT：振蕩器定時電阻輸入端（此端電壓波形與半橋高端HO相同）；CT：振蕩器定時電容輸入端；COM：低端返回端；LO：低端門極驅動輸出端；VS：高端浮動電源返回端；HO：高端門極驅動輸出端；VB：高端MOS管門極驅動浮動電源。IR2153是IR公司生產的為高壓、高速功率MOSFET或IGBT驅動集成電路，IR2153由低端功率晶體管驅動級、高端功率晶體管驅動級及內部定時振蕩電路組成。可驅動高側和低側MOSFET或IGBT，能夠提供高達600V的直流偏置電壓，具有自振蕩或外接同步振蕩功能，振蕩頻率的設置和CMOS555定時芯片類似，由定時元件RT和CT決定：。其中，為芯片內部定時電阻。芯片內部設有死區時間控制,死區時間通常設為，以免高低側在交替導通時刻產生直通現象。IR2153集成電路可取代傳統的變壓器驅動方式。可以根據自舉原理工作，電路外圍元件少、電路特別簡單實用。半橋輸出振蕩在由CT、RT確定的頻率上，當充電超過低壓閾值時，IR2153自動啟動。IR2153的開通時間為80ns，關斷時間為35ns，為75Ω，并具有輸出關斷功能，輸出關斷滯后時間為660ns。芯片特點帶自舉二極管的浮動設計,最大耐壓為600V；允許瞬時負壓；欠壓保護；內部振蕩器頻率可調整；高、低通道匹配的死區時間；起動電流很小,僅為90μA；高、低通道的關斷功能；低通道輸出電壓波形與RT端電壓波形相同。芯片內部簡化功能框圖IR2153是在IR2155和IR2151基礎上推出的改進型的VMOS和IGBT柵極驅動器，它將高壓半橋驅動器和一個類似于555時基電路的前端振蕩器集成在一個8腳芯片上，使其成為一款功能更多，更易于使用的功率驅動IC芯片。如圖1所示，腳CT兼有保護關斷功能，可以用一個低電壓信號使驅動器停止輸出。另外，輸出脈沖的寬度保持相等，一旦Vcc上升到欠壓閉鎖閾值，驅動器能以更加穩定的頻率開始起振。通過降低柵極驅動器di/dt的峰值和提高欠壓閉鎖閾值的滯后電壓到1V，使電路的抗噪性有了實質性的提高，同時，電路引腳的整體抗噪保護方面也有所改進。IR2153的內部簡化功能框圖如圖3-4所示。圖3-4IR2153的內部簡化功能框圖TL431簡介TL431是美國德洲儀器公司（TexasInstrument）開發的一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的全稱是可調式精密并聯穩壓器（俗稱可調穩壓管）。問世以來，由于它的性能好，體積小，成本低，因而在電壓比較器、電壓監視器、延時電路、精密穩流源電路中獲得了廣泛的應用。特別是在高頻開關電源中，大多采用TL431擔任輸出電壓的取樣放大，并驅動光電耦合器件，去改變主變換電路中控制IC（集成電路）的脈沖寬度或頻率，從而實現自動穩壓的功能。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置從2.5V到36V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數字電壓表，運放電路，可調壓電源，開關電源等等。它包括一個精密電壓基準、一個運算放大器和一個并聯晶體管。采用TL431來制作一些電子電路，能取得很好的效果，既簡化了電路，又節約了制作成本，并且制作的電路穩定可靠。因此，TL431得到了越來越廣泛的應用。（TL431在電路中的作用與工作原理沒有說明）TL431的引腳及主要參數TL431是一種并聯穩壓集成電路。因其性能好、價格低而廣泛應用在各種電源電路中。其封裝形式與塑封三極管9013等相同。如圖3-5所示。圖3-5TL431封裝形式3個引腳分別為陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端REF。TL431的主要參數如下：最大輸入電壓為37V；最大工作電流150mA；內基準電壓為2.5V；輸出電壓范圍為2.5~30V。TL431可等效為一只穩壓二極管。TL431的功能模塊TL431的具體功能可以用如圖3-6的功能模塊示意。圖3-6TL431功能模塊示意圖由圖可以看出VI是一個內部的2.5V基準電壓，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微笑變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。TL431的陰極最低電壓點圖3-7是一個通過對電位器RP1的調節,來改變TL431的控制極（R）電壓從而得到一組對應的TL431陰極（K）電壓的實驗電路。從圖2-8實驗數據知道,該TL431控制端參考電壓VREF在2.53V（VREF的額定范圍：2.44V-2.55V）左右,當控制極（R）電壓從2.52V上升到2.53V時,陰極（K）電壓從11.52V下降到2.10V，下降了9.42V。但是,當再增加VREF電壓時,陰極電壓基本停留在1.98V左右,不再下降。有人一直以為TL431作為比較器使用時，陰極輸出低電平時的電壓會低至0.7V以下(甚至想象應該在0.3V左右)，這主要是受TL431方框圖的影響，實際上由于內部電路與框圖有所不同的原因,陰極電壓最低點只能達到1.98V左右（廠方資料：2V）。這是我們在采用TL431設計電路時必須要注意的問題。圖3-7改變控制極電壓得到陰極電壓的實驗電路和數據說明：R2為TL431的限流負載電阻,這里設定陰極最大電流約為25mA。LED1為指示燈。當調節電位器RP1的阻值時,即改變了TL431的控制極電壓（R）,其陰極電壓（K）會隨之改變。TL431的臨界狀態從實驗中知道，當TL431控制極電壓從2.50V變化到2.52V時,其陰極電壓從12.95V下降到11.52V，下降了1.43V，特別是陰極電流相應地從0.51mA上升到了3.2mA，TL431的這個臨界狀態特性會使由TL431組成的比較器等電路帶來設計上的麻煩。在陰極電壓變化較緩慢的電路中,甚至使設計的比較器電路不能正常工作。所以,要十分引起注意。一般利用TL431的比較器特性的電路，大多應用在控制極電壓較快增長的電路里,利用其輸出突變的特性對電路起保護作用。如果用在采用LED指示器的測量電路中,可能會因其臨界狀態而影響實際效果。TL431在一些恒流、反饋、穩壓電路中使用時,一般將陰極電壓設計在3.1V左右，這時TL431處于放大狀態。根據圖2-9的TL431使用特性曲線,在TL431設計規程里規定其陰極電流設計需大于1mA，典型使用陰極電流為10mA。這從圖3-8的曲線比較中可以看出來,在右邊的特性曲線圖中,小于1mA的陰極電流將使臨界狀態很嚴重[19]。圖3-8TL431陰極伏安特性圖LM7805簡介78系列產品是三斷穩壓電路。輸出電流可達1.5A(Pa15W)，獨立工作無須外加部件，內部有電流保護功能，內部有熱過載保護裝置，輸出晶體管安全區補償，輸出電壓誤差為4%。LM7805是常用的三端穩壓器，一般使用的是TO-220封裝，能提供DC5V的輸出電壓，應用范圍廣，內含過流和過載保護電路。帶散熱片時能持續提供1A的電流，如果使用外圍器件，它還能提供不通的電壓和電流。LM7805屬于串聯穩壓電路，其工作原理與分立元件的串聯穩壓電源相同。它由啟動電路、取樣電路、比較放大電路、基準環節、調整環節和過流保護等組成。此外它還有過熱和過壓保護電路。因此，其穩壓性能要優于分立元件的串聯型穩壓電路。如串聯穩壓的啟動電路是比較放大管的負載電阻，此電阻在電源工作過程中始終接于電路中，當輸入電壓變化（電網波動），通過負載電阻的影響，輸出電壓也跟著變化。而三端集成穩壓器設置的啟動電路，在穩壓電源啟動后處于正常狀態下，啟動電路與穩壓電源內部其他電路脫離聯系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準電路和恒流源電路，保持輸出電壓的穩定。一般我們在使用三端穩壓器比如LM7805等時，輸入端輸出端都要接電容，那么他們各起什么作用呢？輸入端接電容器其實相當于平滑電容，起到一個濾波的作用，提高IC工作的穩定性。

因為一般穩壓管的輸出電阻隨著頻率的增加而增加，這可以通過IC的DATASHEET中輸出阻抗和頻率的曲線圖得出。其實這一現象也不難理解，因為放大器的的增益在高頻下增益隨著頻率的增高而下降的。這樣輸出電壓就隨輸出電阻的增加而增大，從而違背的輸出穩定電壓的初衷，如果在輸出側并聯一個電容器，因為Zc=1/WC，頻率越高，WC越大，Zc越小，輸出阻抗也就變小，這樣就可以輸出穩定的電壓。輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路是通過快恢復整流二極管的整流和濾波電感及濾波電容將高頻變壓器輸出的高頻交變電壓或電流變換成符合要求的輸出電壓或電流。本輸出電路主要有兩路輸出組成，分別是+15V，+5V。其中+5V是利用7805芯片從+15V引出的，采用7805產生5V電壓具有電路簡單，電壓穩定的優點。用于給單片機控制電路供電。驅動電路的設計與分析驅動電路原理圖本文中驅動電路采用六只功率開關管MOSFET（IRFP460)，以IR公司的IR2130作為接口驅動芯片。一般的單相電機驅動器為了方便控制各相電流，每相采用的都是"H"橋，這樣三相電機需要用3個"H"橋，而每個"H"橋需要4個功率管，整個驅動器功率管個數為12個，需要12路控制信號，增加控制的復雜度的同時也增加了系統的成本。故本文中選用了三相逆變橋替代三相"H"橋，功率管的數量只需要6個。這樣在減小了控制的復雜性的同時也降低了系統硬件成本。IR2130具有電流反饋和過流、欠壓保護功能，內部集成電流比較器CC和電流放大器CA，電流檢測由跨接于Vss和Vso之間的無感取樣電阻來實現，從而省去了通常驅動電路的電流反饋所需要的外部電流放大器和過流檢測所需的外部比較器。可見，采用IR2130作為驅動元件時，外圍元件少、線路簡單、工作安全可靠，性價比較分立元件明顯提高。功率驅動主電路圖如圖4-1所示。(a)(b)圖4-1功率驅動主電路功率驅動單元元器件的選取功率驅動單元主要由功率器件、接口驅動芯片及外圍元器件組成，以下詳細介紹它們的選取。功率器件在全控型器件中，IGBT和功率MOSFET具有輸入阻抗高、開關頻率高、通態電壓低、熱穩定性好，是本系統的首選。由于MOSFET比IGBT的開關頻率高，價格便宜，保護電路相對簡單，因此本系統選用了MOSFET作為開關器件。功率MOSFET的優點：開關速度快。MOSFET是一種多子導電器件，無固有存儲時間，開關速度取決于極間寄生電容，所以開關時間很短(小于50--100ns)，工作頻率很高(達500KHz以上)驅動功率小。它是電壓型器件，功率增益高，驅動功率小，驅動電路簡單。安全工作區寬。MOSFET無二次擊穿現象，因此比同等功率GTR器件安全工作區大，更穩定耐用。過載能力強。短時過載電流一般為額定值的4倍。抗干擾能力強。功率MOSFET器件的開啟電壓一般為12-15V，因此具有很高的噪聲容限和抗干擾能力。本系統選用IR公司的MOSFETIRFP460，其額定電壓和額定電流分別達500V和20A。接口驅動芯片的選取驅動電路的作用是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅動功率器件，所以單從原理上講，驅動電路主要起開關功率放大作用，即脈沖放大器。但其重要性在于功率器件的開關特性與驅動電路的性能密切相關。同樣的功率開關，采用不同的驅動電路將得到不同的開關特性。設計優良的驅動電路能改善功率器件的開關特性，從而減小開關損耗，提高整機的效率及功率器件工作的可靠性。功率MOSFET屬于MOS門級器件，它對MOS門級驅動電路的要求有以下幾點：MOS門級驅動電路輸出的驅動信號相對源極幅值在+l0V——+15V之間，以保證MOSFFT飽和導通或可靠關斷。MOS門級驅動電路的輸出阻抗要盡可能的低，以使被驅動MOS門功率器件的門級電容快速沖放電，使被驅動功率器件快速導通和關斷，以減少開關損耗。MOS門級驅動電路應具有懸浮輸出功能，可同時驅動高壓側和低壓側的MOS門功率器件。MOS門級驅動電路應具有很好的頻率特性，在最高工作電壓和頻率下，損耗應該較小。被驅動功率器件過流、短路或MOS門級驅動電路自身電源過壓或欠壓時，MOS門級驅動電路能夠對被驅動MOS門功率器件進行快速有效的保護。實際驅動電路設計中，上述要求不可能全部滿足，有些要求需要折中處理。要根據整機的性能、指標、功率及工作頻率等來設計合適的驅動電路。在功率變換裝置中，根據主電路的結構，其功率開關器件一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式。采用隔離驅動方式時需要將多路驅動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災難性的后果。隔離驅動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離具有體積小，結構簡單等優點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點。快速光耦的速度也僅幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，具有響應速度快(脈沖的前沿和后沿)，原副邊的絕緣強度高，共模干擾抑制能力強。但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50%。而且信號的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復雜。凡是隔離驅動方式，每路驅動都要一組輔助電源，若是三相橋，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復雜性。隨著驅動技術的不斷成熟，已有多種集成驅動器推出。如EXB840/841,EXB850/851,M57959L/AL,M57962L/AL,HR065等等，它們均采用的是光藕隔離，仍受上述缺點的限制。本系統采用了美國IR公司獨家推出的MOS功率器件專用柵極驅動集成電路IR2130。它兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優點，而且它具有如下顯著特點：巧妙運用自舉技術形成懸浮的高壓側電源，因而只用一路(3V-20V)電源即可驅動三相橋式逆變電路中母線電壓不超過600V的六個功率MOS；輸入信號與TTL及CMOS電平兼容；片內集成死區電路，能產生2uS互鎖延時死區信號以防止MSFET或IGBT由于直通而燒毀電路；內設有過流、過壓、欠壓、邏輯保護以及封鎖和指示環節；內部集成比較器CC和線性放大器CA，從而省去了通常功率驅動電路中電流反饋和過流檢測所需的外部比較器和放大器。可見，采用IR2130作為驅動元件時，外圍元件少、線路簡單、工作安全可靠，性價比較分立元件明顯提高。集成驅動芯片IR2130介紹逆變器己廣泛用于交流電氣傳動、UPS等許多技術領域中，其主電路開關器件常采用IGBT或MOSFET等全控型器件，該器件的開關動作需要靠獨立的驅動電路來實現，并且要求驅動電路的供電電源彼此隔離(如單相橋式逆變主電路需3組獨立電源，三相橋式逆變主電路需4組獨立電源)，這無疑增加輔助電源的設計困難和成本，同時也使驅動電路變得復雜，降低了逆變器的可靠性。采用如EXB840等專用厚膜集成驅動電路芯片雖然可以簡化驅動電路的設計，但每個驅動芯片仍需要一個隔離的供電電源，且每個芯片僅可驅動一個功率開關器件，應用仍有不便。而美國國際整流器公司生產的專用驅動芯片IR2130需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，可以使整個驅動電路簡單可靠。IR2130驅動芯片的特點IR2130可用來驅動工作在母電壓不高于600V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅動電流為250mA，而反向峰值驅動電流為500mA。它內部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網絡，使用戶可方便的用來保護被驅動的MOS門功率管，加之內部自舉技術的巧妙運用使其可用于高壓系統，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅動信導產生2μs互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20V)，在它的內部還設計有與被驅動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器，電路設計還保證了內部的3個通道的高壓側驅動器和低壓側驅動器可單獨使用，亦可只用其內部的3個低壓側驅動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖4-2所示。圖4-2IR2130內部結構圖VB1～VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個上橋臂功率管的驅動器提供內部懸浮電源，VS1～VC3是其對應的懸浮電源地端。HIN1～HIN3、LIN1～LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅動信號輸入端，低電平有效。ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護CA-、CAO、Vso：內部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。HO1～HO3、LO1～L03：逆變器上下橋臂功率開關器件驅動器信號輸出端。FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內部是漏極開路輸出端，低電平有效。Vcc、Vss：芯片供電電源連接端，Vcc接正電源，而Vss接電源地。IR2130內部結構及其工作原理IR2130的內部結構如圖5-2所示，它的內部集成有1個電流比較器CURRENTCOMPARATOR，1個電流放大器CURRENTAMP，1個自身工作電源欠壓檢測器UNDERVOLTAGEDETECTOR，1個故障處理單元FAULTLOGIC及1個清除封鎖邏輯單元CLEARLOGIC。除上述外，它內部還集成有3個輸入信號處理器INPUTSIGNALGEN-ERATOR兩個脈沖處理和電平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER，3個上橋臂側功率管驅動信號鎖存器LATCH，3個上橋臂側功率管驅動信號與欠壓檢測器，U.VDETECTOR及6個低輸出阻抗MOS功率管驅動器DRIVER和1個或門電路。正常工作時，輸入的6路驅動信號經輸入信號處理器處理后變為6路輸出脈沖，驅動下橋臂功率管的信號L1～L3經輸出驅動器功放后，直接送往被驅動功率器件。而驅動上橋臂功率管的信號H1～H3先經集成于IR2130內部的3個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換，變為3路電位懸浮的驅動脈沖，再經對應的3路輸出鎖存器鎖存并經嚴格的驅動脈沖與否檢驗之后，送到輸出驅動器進行功放后才加到被驅動的功率管。一旦外電流發生過流或直通，即電流檢測單元送來的信號高于0.5V時，則IR2130內部的電流比較器迅速翻轉，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖3路輸入脈沖信號處理器的輸出，使IR2130的輸出全為低電平，保護功率管；另一方面，同時IR2130的FAULT腳給出故障指示。同樣若發生IR2130的工作電源欠壓，則欠壓檢測器迅速翻轉，也會進行類似動作。發生故障后，IR2130內的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態。直到故障清除后，在信號輸入端LIN1～LIN3同時被輸入高電平，才可以解除故障閉鎖狀態。當IR2130驅動上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時，則該路的驅動信號檢測器迅速動作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅動信號不足而損壞。當逆變器同一橋臂上2個功率器件的輸入信號同時為高電平，則IR2130輸出的2路門極驅動信號全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現象發生。橋式MOSFET驅動電路圖4-3橋式MOSFET驅動電路采用IR2130芯片驅動逆變器功率管時，可用典型的三相電壓型逆變器電路。如圖4-3所示，圖中畫出了IR2130驅動的3個橋臂的電路示意圖。圖中FC3、FC4、FC5是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量。DW3、DW4、DW5的作用是防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此DW3、DW4、DW5應有足夠的反向耐壓。DW3、DW4、DW5分別與FC3、FC4、FC5串聯，這是為了滿足主電路功率管開關頻率的要求，所以DW3、DW4、DW5應選用快速恢復二極管。IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作為功率管的輸入驅動信號與單片機連接，由單片機控制產生PWM控制信號的輸入，FAULT與單片機外部中斷引腳連接，由單片機中斷程序來處理故障。其容量取決于被驅動功率器件的開關頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，當被驅動的開關頻率大于5kHz時，該電容值應不小于0.1μF，且以瓷片電容為好。本文采用IR2130器件實現單芯片單電源供電的三相逆變器的驅動，驅動電路工作十分可靠，它不僅使電路結構簡單，可靠性提高，而且可以可靠地實現短路、過流、欠壓和過壓等故障保護。電機驅動電路圖4-4電機驅動電路電流檢測方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍爾元件采樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢出直流信號，信號還原性好，但有μs級的延遲。而且價格比較貴；采用電阻取樣價格非常便宜，信號還原性好，但是控制電路與主功率電路不隔離，功耗比較大。電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好、價格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優點，但是原邊包含的直流分量不能在副邊檢出信號中很好的反應出來，且只能進行大電流檢測，電流較小的時候檢測效果不好。本文中的電路為了更好的控制過流現象發生和更準確的將驅動電路的電流值反饋給邏輯電路，分別進行了總電流采樣和相電流采樣，其中相電流采樣采用了小電阻采樣和互感器采樣法并用的方法獲得更加精確的電流反饋，使得電機在高低頻運行時均有良好的性能。總電流檢測是通過在主回路串電阻的方法實現的，將0.05歐姆、5瓦的無感精密采樣電阻GRl串接于功率電路主回路中，將主回路的電流信號轉換為電壓信號，再經FR10,FR11分壓后輸入到IR2130的9號和13號引腳。并且該信號先經過濾波再進入IR2130的。由采樣電阻送回的電機繞組電流信號中有許多尖峰和毛刺，這些尖峰和毛刺會引起比較器誤動作，因此必須進行濾波。由于集成化的有源濾波器價格昂貴，自己制作的有源濾波器性能較差，因此選擇RC無源低通濾波器進行濾波，結構簡單且可靠。從盡量減少電流采樣信號畸變的角度出發，選用了簡單的一階RC無源低通濾波器在三相各回路里各串一個0.1歐姆、5瓦的無感精密采樣電阻GR7，GR16，GR25(其中GR16作為平衡電阻的)把相電流信號轉化成電壓信號反饋到PWM生成單元。當電機高頻運行時通過電流互感器向PWM生成單元反饋高頻電流信號。保護電路分析IR2130集成驅動器除了提供MOSFET的柵極驅動信號以外，另一個主要功能是提供欠壓、過流保護，以使系統能夠安全可靠地工作。IR2130集成驅動器的欠壓保護主要是針對電源電壓而言，當電源電壓低于8V時，IR2130封鎖橋臂上端管子的柵極驅動信號，此時，主要是防止上端管子不能正常開啟，而產生誤觸發；當電源電壓在8.5-20V時，在不出現過流的情況下，IR2130能正常工作，其開關時間約為100ns，死區時間約為2us。IR2130集成驅動器的過流檢測主要是通過并在VSS和VSO之間的采樣電阻Rs來完成，根據實際情況，Rs通常取值為0.10歐（由于本系統電流較大所以選用了0.05歐）。對于逆變器而言，電阻Rs上流過的電流為逆變器輸入直流環路上的電流，也即電機三相總電流，因而IR2130集成驅動器不但可以作為過流、過載保護，還可以作為缺相、短路等保護。由于Rs取的很小，Rs上的壓降在1V以下，VSS和VSO的電位仍很接近，這使得IR2130集成驅動器的輸入、輸出邏輯均可正常工作。負載電流經Rs采樣后，具體的過流保護動作值可由電位器方便地調整。當ITRIP端的電位達到500mV（此時的電流為多大，好象要超過20A了）左右時，IR2130內部的比較器翻轉，使得觸發器產生高端輸出的封鎖信號，同時使FAULT端變低，指示過流或欠壓故障。當電源復位或輸入端有脈沖輸入時，自動取消脈沖封鎖。因而，為了可靠地進行故障保護，單片機必須對故障信號進行檢測，為此，我們除了