張麗紅

【摘 要】采用單片機(jī)控制三相橋式逆變電路開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)，使其按設(shè)定的要求進(jìn)行控制。本文通過編制驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)三相橋式IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在Proteus環(huán)境中進(jìn)行仿真，并搭建了硬件實(shí)驗(yàn)電路，通過兩種方案對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了驗(yàn)證，通過測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);逆變器;驅(qū)動(dòng)控制;換流方式

中圖分類號(hào)： TG155.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）27-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.017

0 引言

開關(guān)電源的應(yīng)用范圍較廣，大到電力設(shè)備的變電系統(tǒng)，小到日常的手機(jī)充電器，對(duì)開關(guān)電源的研究仍是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。開關(guān)電源已向著高頻、大功率、小體積的方向發(fā)展，電力電子裝置中核心單元的開關(guān)器件具有頻率高、轉(zhuǎn)換速率快的特點(diǎn)。目前在電力電子裝置高壓大電流的應(yīng)用領(lǐng)域上，IGBT的應(yīng)用具有絕對(duì)優(yōu)勢。IGBT管結(jié)合了GTR和MOSFET二者的優(yōu)點(diǎn)，具有開關(guān)速度快，耐壓能力高，熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，基于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路也已經(jīng)成為電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中的核心產(chǎn)品。IGBT的導(dǎo)通或斷開均是采用PWM控制的方式，就開關(guān)本身來說通斷是一個(gè)不連續(xù)的過程，調(diào)節(jié)占空比，可以得到不同的控制方式。

1 三相電壓逆變電路的原理

三相逆變電路有電壓型和電流型兩種類型。電壓型三相橋式逆變電路是指由電壓型直流電源供電的逆變電路。它的直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。電壓型逆變電路主要應(yīng)用于各種直流電源中，如UPS、有源濾波器、不可逆?zhèn)鲃?dòng)或穩(wěn)速系統(tǒng)以及對(duì)快速性要求不高的驅(qū)動(dòng)場合。電流型三相橋式逆變電路是指由電流型直流電源供電的逆變電路，一般直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動(dòng)小，可近似看成直流電流源。電流型逆變電路常用于加減速頻繁或需要經(jīng)常反向的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。下面以三相電壓型逆變電路進(jìn)行分析。

圖1中開關(guān)器件V1～V6是采用IGBT的電壓型三相橋式逆變電路，其直流側(cè)串聯(lián)的兩個(gè)電容器中間標(biāo)出假想的中點(diǎn)N。在三相電壓型橋式逆變電路中，每相橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120°，任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，采用縱向換流方式進(jìn)行換流。

2 開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路

三相橋式電壓型逆變電路中采用IGBT開關(guān)管，在使用時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電路，才能使IGBT管子正常地開通和關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT 柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用51單片機(jī)的6個(gè)I/O口輸出6路控制信號(hào)分別控制6個(gè)開關(guān)管，以達(dá)到三相逆變的目的。采用定時(shí)器分時(shí)上下拉來確定6路信號(hào)的相位關(guān)系。

2.1 程序代碼片段

#include

sbitP1_1=P1^1;

sbitP1_2=P1^2;

sbitP1_3=P1^3;

sbitP1_4=P1^4;

sbitP1_5=P1^5;

sbitP1_6=P1^6;

sbitP1_0=P1^0;

unsigned char a，b，c，d，e，f，i;

void delay02s（void）

{unsigned char i，j，k;

for（i=20;i>0;i--）

for（j=20;j>0;j--）

for（k=248;k>0;k--）;

}

void t0（void） interrupt 0

{

TH0=（65536-1100）/256;

TL0=（65536-1100）%256;

i++;

switch（i）

{

case？'1'：a=1;d=0;break;

…………

default：break;

}

}

3 工作波形分析

取U、V、W中的一項(xiàng)進(jìn)行分析，以U相輸出進(jìn)行說明。在三相橋式電壓型逆變電路中，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，uUN'=Ud/2。所以，uUN'的波形是幅值為Ud/2的矩形波。V、W兩相的情況和U相似，uVN'、uWN'的波形形狀和相同，在相位上依次相差120°。uUN'、uVN'、uWN'的波形如圖2 中的a、b、c所示。

負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU分別為：

uUV=uUV'-uVN'，uVW=uVN'-uWN'，uWU=uWN'-uUN'

設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假象點(diǎn)N之間的電壓為uNN'，則負(fù)載各相的相電壓分別為：uWN=uWN'-uNN'，uUN=uUN'-uNN'，uVN=uVN'-uNN'。

4 硬件電路設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

在Proteus環(huán)境下搭建的硬件驅(qū)動(dòng)電路仿真的原理圖如下如圖3所示。在搭建實(shí)際電路時(shí)，還涉及電力電子裝置中功率開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)。? 搭建硬件電路時(shí)設(shè)計(jì)了兩套方案，方案一是采用三極管模擬開關(guān)管來控制電路的通斷，方案二是將MOS管作為開關(guān)管。方案一采用了1個(gè)450μF的電容，3個(gè)1000Ω的電阻和6個(gè)NPN型小功率三極管C9014。

方案二采用了6個(gè)低壓MOS管IR7843組成逆變電路。在實(shí)驗(yàn)中單片機(jī)提供的5V驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)MOS，因此采用了半橋驅(qū)動(dòng)電路將一路信號(hào)放大至兩路反向的12V信號(hào)來驅(qū)動(dòng)MOS管，使MOS管正常導(dǎo)通以實(shí)現(xiàn)逆變目的。

搭建實(shí)驗(yàn)電路，用示波器測試驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖如圖4所示，與理想工作波形一致。經(jīng)由方案一和方案二得到實(shí)際實(shí)際硬件電路中每相的輸出電壓波形，與工作波形的理想波形基本一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性，為進(jìn)一步研究三相電壓型逆變電路的工作特性打下了基礎(chǔ)，拓展了研究思路，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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