基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计大学论文.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 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不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日第一章 绪论1.1电源技术的发展概况电力电子技术就是利用半导体功率开关器件、电力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。上个世纪80年代以来，由于半导体器件，电子技术等的不断推陈出新，电力电子技术有了突飞猛进的发展，其对工业发展所产生的巨大作用，被各国的专家学者称为人类社会继计算机之后的第二次的电子革命，它在世界各国工业文明的发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。电源技术的发展，大体经历了几个阶段：由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式(开关式)。采用逆变技术，可使所设计的电源具有许多方面的优越性：1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为交流电网停电或剧烈变化而影响工作。3.可明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料在很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了。4采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面：1)在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。而电动机的起动、制动消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部分能量。2)采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心横面积和线圈匝数。变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到节能的目的。3)传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在0.5-0.8之间，这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。在逆变电源中，如果用功率因数校正技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1，节能的效果非常明显。5.动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、，输出稳定、纹波小。6.电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快，从而增加了系统的可靠性。另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也是我们应当认真考虑的设计要求。电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。1.2电力系统仿真工具箱SimPower的应用及其意义为了大幅度地提高效率，在研制新型电源系统的过程中，往往采用如下程序：首先提出一个新的设想，然后对其进行仿真以验证该设想的可行性，并验证其性能参数，在达到了预期的效果后，再进行硬件实现，这种方法已逐渐成为科研工作的一种主要模式。目前，计算机仿真技术在现代工业产品的设计和开发中发挥了越来越重要的作用，其主要作用有：(1)取代人工解析分析，减轻设计劳动强度和重复性劳动。(2)提高分析速度、分析精度和分析广度。比真实电路实验可扩大研究范围，测得更多的数据，如元器件中的数值和波形，研究系统性能受其变化的影响。(3)设计任务确定后立即做仿真，进行充分可行性论证后再订购贵重、特殊器件，既节省资金又缩短开发过程，提高产品的质量。用PC机仿真系统代替实验可大大减小元器件损坏引起的损失，更重要的是某些无法进行实地实验、艰苦和危险场合（如太空），只有通过仿真，才能进行全面的考察，故障的模拟，实基于单片机控制新型高效率正弦波逆变电路的设计与仿真际存在的非线性因素允许到什么程度。(4)减小初投资，一套仿真设备就是规模很大的实验室，可以做许多电路与系统产品的研究。常用的仿真软件有PSPICE程序(Personal Simulation Program WithIntegrated Circuit Emphasis)和MATLAB语言，PSPICE程序是Microsim公司出版的，是电子CAD中的电子模拟软件，其目的是在所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟运行，从而对硬件电路进行可行性论证分析。PSPICE可提供时域仿真，又可提供频域仿真，能对电路的动态工作过程进行细致的仿真分析，可它缺乏控制系统的设计工具和分析手段，难于进行机电控制系统的仿真。MATLAB语言是一种功能强大的控制系统计算机辅助设计和仿真语言，易于实现很多控制系统的仿真，可以避免大量的时间用于编制仿真程序，随着MATLAB软件推出电力系统仿真工具箱SimPower，可同时涉及控制和电路的混合系统的仿真，为电源的运行性能分析提供了强有力的工具。可以说，利用MATLAB语言对所设计的电力电子设备进行仿真，不仅提高了产品的可靠性，而且也缩短了产品的开发周期，对电力电子产品的开发具有很大的帮助作用。1.3本课题完成的主要任务本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件IGBT的原理和使用，并用电源的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型高效率正弦波逆变电路，先用MATLAB语言的电力仿真工具箱SimPower对所设计的系统进行仿真，分析其可行性，在此基础上，对所设计的电源系统进行调试，故本课题的名字为：基于单片机控制新型高效率正弦波逆变电路的设计与仿真。本课题所设计逆变电源的参数要求：(1)输入电压：市电三相电源380VAC10；(2)输出电压：输出为单相220VAC(有效值)、频率为50Hz的稳压电源；(3)输出功率：3KW，允许过载10；(4)整机效率：设计目标为90；(5)稳压精度：小于2。第二章 基本原理2.1 IGBT管的基本原理与特性绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）简称IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展很快而且很有前途的一种混合型器件。IGBT综合了MOS和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格的功率MOS的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域，IGBT有取代GTR和VDMOS的趋势。2.1.1 IGBT的工作原理1.IGBT的结构就IGBT的结构而言，是在N沟道MOSFET的漏极N层上又附加上一层P层的的四层结构。图2-1(a)为N沟道VDMOSFET与GTR组合的N沟道IGBT（N-IGBT）。IGBT比VDMOSFET多一层注入区，形成了一个大面积的结，使IGBT导通时由注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，是一个由MOSFET驱动的厚基区晶体管，为晶体管基区内的调制电阻。 2.IGBT的工作原理N沟道IGBT通过在栅极发射极间加阈值电压以上的（正）电压，在栅极电极正下方的层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的层注入电子。该电子为晶体管的少数载流子，从集电极衬底层开始注入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图2-1(b)所示，在发射极电极侧形成寄生晶体管。若寄生晶体管工作，又变成晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。这种状态称为闭锁状态。为了抑制寄生晶体管的工作，IGBT采用尽量缩小晶体管的电流放大系数作为解决闭锁的措施。具体来说，的电流放大系数设计在0.5以下IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与功率MOSFE基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压决定。导通： 大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降：电导调制效应使电阻减小，使通态压降减小。关断：栅、射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2.1.2 IGBT的特性与参数特点1.IGBT的伏安特性和转移特性IGBT的伏安特性如图2-2(a)所示，它反映在一定的栅极发射极电压与的关系。越高，越大。值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，从曲线中可知，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场所的使用。图2-2(b)是IGBT的转移特性曲线。当(开启电压，一般为36伏)时，IGBT开通，其输出电流与驱动电压基本呈线性关系。当时，IGBT关断。2.IGBT的参数特点(1)IGBT的开关特性好，开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10。IGBT的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通时间定义为从驱动电压 的脉冲前沿上升到最大值的10%所对应的时间起至集电极电流上升到最大值的90止所对需要的时间.又可分为开通延迟时间和电流上升时间两部分。 定义为从10到10所需的时间，定义为从10上升至90所需要的时间，如图2-3所示。 图2-3 IGBT的开关特性IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。关断时间定义为从驱动电压的脉冲后沿下降到90处起至集电极电流下降到10处所经过的时间。又可分为关断延迟时间和电流下降时间两部分。是从90至90所需的时间；是指90下降至10所需的时间，由(由IGBT中的MOS管决定)和(由IGBT中的晶体管决定)两部分组成。 IGBT的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。随着集电极电流和栅极电阻的增加，其中对开关时间影响较大。(2)IGBT的通态压降低。在大电流段是同一耐压规格的VDMOS的1/10左右。在小电流段的1/2额定电流以下通态压降有负温度系数，因此IGBT在并联使用是具有电流自动调节能力。(3)IGBT的集电极电流最大值。在IGBT管中由来控制的大小，当大到一定的程度时，IGBT中寄生的NPN和PNP晶体管处于饱和状态，栅极G失去对集电极电流Ic的控制作用，这叫擎住效应。IGBT发生擎住效应后，大、功耗大，最后使器件损坏。为此，器件出厂时必须规定集电极电流的最大值，以及与此相应的栅极发射极最大电压。集电极电流值超过时，IGBT产生擎住效应。另外器件在关断时电压上升率太大也会产生擎住效应。(4)IGBT的安全工作区比GTR宽，而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。IGBT在开通时为正向偏置，其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA，如图2-4(a)所示，IGBT的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。IGBT在关断时为反向偏置，其安全工作区称为反偏安全工作区RBSOA，如图2-4(b)所示，RBSOA与电压上升率有关，越大，RBSOA越小。在使用中一般通过选择适当的UCE和栅极驱动电阻控制，避免IGBT因过高而产生擎住效应。图2-4IGBT的安全工作区(5)IGBT的输入阻抗高，可达1091011欧姆数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。(6)与VDMOS和GTR相比，IGBT的耐压可以做得更高，最大允许电压UCEM可达到4500伏以上。(7)IGBT的最高允许结温为。VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。2.1.3 IGBT的保护IGBT与电力MOSFET管一样具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。IGBT作为一种大功率电力电子器件常用于大电流、高电压的场合，对其采取保护措施，以防器件损坏显得非常重要。(1)过电流保护IGBT应用于电力系统中，对于正常过载（如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等）系统能自动调节和控制，不至于损坏IGBT。对于非正常的短路故障要实行过流保护。通常的做法是：切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号，就在2us内迅速撤除栅极信号。当检测到过流故障信号时，立即将栅压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设定值之前，若故障消失，则栅压又恢复到正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则把栅压降低到零。这种保护方案要求保护电路在内响应。(2)过电压保护利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率 。但由于IGBT的安全工作区宽，因此，改变栅极电阻的大小，可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而，由于IGBT控制峰值电流能力比VDMOS强，因此在有些应用中可不用缓冲电路。(3)过热保护利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护。2.2逆变技术及其原理通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整流电路。与之相对应，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则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。这们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。2.2.1现代逆变技术的分类现代逆变技术种类很多，其主要的分类方式如下：1.按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变（5060Hz）、中频逆变(400Hz到十几KHz)、高频逆变(十几KHz到MHz)。2.按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。3.按输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。4.按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。5.按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等等。6.按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。7.按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。8.按控制方式，可分为调频式（PFM）逆变和调脉宽式（PWM）逆变.9.按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。2.2.2逆变电路的基本工作原理图2-5(a)为单相桥式逆变电路，S1-S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，为负，其波形如图2-5(b)所示。这样，就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路的最基本的工作原理。图2-5逆变电路及其波形举例当负载为电阻时，负载电流和电压的波形形状相同，相位也相同。当负载为阻感时，相位滞后于，两者波形的形状也不同，图2-5(b)给出的就是阻感负载时波形。设时刻以前S1、S4导通，和均为正。在时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到时刻降为零，之后才反向并逐渐增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。上面是S1-S4均为理想开关时的分析，实际电路的工作过程要复杂一些。2.2.3电力器件的换流方式图2-6中，S1、S2表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。在换流过程中，有的臂从导通到关断，有的臂从关断到导通。要使某一臂导通，只要给组成该导电臂的器件的控制极施加适当的信号，但要使某一臂关断，情况就复杂多了。全控型器件可以用适当的控制极信号使其关断，而半控型晶闸管，必须利用外部条件或采取一定的措施才能使其关断。晶闸管要在电流过零以后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。一般来说，换流方式可分为以下几种：(1)器件换流。利用全控型电力电子器件自身具有的关断能力进行换流，称为器件换流。(2)电网换流。由电网提供换流电压称为电网换流。整流电路的换流方式就是电网换流。(3)负载换流。由负载提供换流电压，凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可实现负载换流。(4)脉冲换流。设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流两种。在上述四种换流方式中，器件换流只适应于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言。2.2.4单相电压型逆变电路逆变电路根据直流侧电源的性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。在本文中，我们主要讨论单相电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性，图2-7为其电路。电压型逆变电路有以下一些特点：1.直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2.由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载是需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。下面，我们讨论一下单相全桥电压型逆变电路。单相全桥电压型逆变电路的原理图如图2-7所示，它共有4个桥臂，桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通。其输出电压的波形如同2-5(b)所示，是矩形波，下面我们对其电压波形作定量分析。把幅值为的矩形波展开成傅里叶级数得: 其中基波得幅值和基波有效值分别为 2.3 SPWM控制技术及其原理2.3.1 SPWM控制的基本原理如图2-8(a)所示，我们将一个正弦波半波电压分成N等分，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图2-8(b)所示得脉冲列，这就是SPWM波形。正弦波得另外半波可以用相同得办法来等效。可以看出，该PWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM波形。图2-8SPWM波形根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM波形便越接近正弦波。逆变器的输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能很容易滤去，从而可得到崎变率极低的正弦波输出电压。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。然后按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法称为调制方法。希望输出的信号为调制信号，把接受调制的三角波称为载波。当调制信号是正弦波时，所得到的便是SPWM波形。当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的PWM波形。2.3.2单极性和双极性SPWM控制方式图2-9给出了电压型单相桥式PWM逆变电路原理图。如图2-10所示，载波信号在信号正半周为正极性的三角波，在负半周为性的三角波，调制信号和载波的交点时刻控制逆变器电力晶体管T3、T4的通断。各晶体管的控制规律如下：在的正半周期， T1保持导通，T4交替通断。当时，使T4导通，负载电压；当时，使T4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过D3续流，负载电压。在的负半周，保持T2导通，使T3交替通断。当时，使T3导通，；当时，使T3关断，负载电流将通过D4续流，负载电压。这样，便得到u0的SPWM波形，如图2-10所示。图中表示中的基波分量。象这种在的半周期内三角波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。调节调制信号的幅值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号的频率则可改变输出电压的频率。与单极性SPWM控制方式对应，另外一种SPWM控制方式称为双极性SPWM控制方式。单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时的SPWM波形如图2-11所示。各晶体管的控制规律如下：在的正负半周内，对各晶体管控制规律相同，同样在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。当时，使晶体管T1、T4导通，T2、T3关断，此时，；当时，使晶体管T2、T3导通，T1、T4关断，此时，。在双极性控制方式中，三角载波是正负两个方向变化，所得到的SPWM波形也是在正负两个方向变化。在的一个周期内，SPWM输出只有Ud两种电平。逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟t时间，然后给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。需要指出的是，这个延迟时间将会给输出的SPWM波形带来不利的影响，使其偏离正弦波。第三章系统硬件设计3.1系统总体介绍本次设计的目的是研制一种输入为市电三相380V，输出为220V，50Hz的交流稳定电压，输出功率为3KW的单相稳压电源。考虑到所设计的系统为大功率电源，所以我们在这考虑使用SPWM逆变技术，图3-1为所设计的系统框图。该系统的工作原理是三相电源380V经整流滤波变成直流电压，然后经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦波交流电压输出，另外，系统中CPU根据输出采样电压值来控制SPWM波发生器输出的SPWM波形参数，SPWM发生器产生的SPWM波经四个驱动隔离电路去驱动逆变电路，从而把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电。该系统CPU采用AT89C51，SPWM波发生器采用SA4828三相SPWM波发生器，这里我们只使用其一相输出波形，驱动隔离电路采用富士公司生产的EXB841，主电路采用高压整流模块和IGBT模块，输出采样模块使用ADC0809。由于本系统的控制核心器件是AT89C51，所以我们在此对该器件作一下介绍：AT89C51是美国ATMEL公司生产的，该单片机采用高密度，非易失存储技术，将闪烁存储器（即flash memory或PEROM）和MCS-51系列单片机相结合。该单片机不但和MCS-51系列单片机完全兼容，更以其便利的电擦写功能和低廉的价格而拥有很高的性能价格比。适用于各种需要较高灵活性的嵌入式控制应用领域。AT89C51单片机芯片有40个引脚，是用CMOS工艺制造的芯片，采用双列直插封装（DIP）和方形封装方式。图3-2为它的引脚图，说明如下：1.主电源引脚Vcc和VssVcc：接5V电压。Vss:接地。2.外接晶振引脚XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2：片内反相放大器输出端。外接晶振时，XTAL2和XTAL1各接晶振的一端，借外接晶振与片内反相放大器构成振荡器。3输入/输出引脚P0.0-P0.7：双向三态I/O口。在访问外部存储器时，分别输出低8位地址线和8位数据线。在对内部EPROM编程时，用于数据的输入和输出。P1.0-P1.7：8位双向I/O口。对EPROM编程时，用于接受低8位地址。P2.0-P2.7：8位双向I/O口。在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对内部EPROM编程时，用于接受高8位地址。P3.0-P3.7：8位双向I/O口。每个引脚都有各自图3-2 AT89C51引脚的第二功能：P3.0为RXD（串行输入口）；P3.1为TXD（串行输出口）；P3.2为INT0（外部中断请求输入端0）；P3.3为INT1（外部中断请求输入端1）；P3.4为T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）；P3.5为T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）；P3.6、P3.7为、RD（片外数据存储器写/读选通信号输出端）。4控制引脚ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端。PSEN：片外程序存储器读取选通信号输出端。RST/Vpd：复位端。当Vcc掉电期间，Vpd如接备用电源V可用于保存片内RAM中的数据。EA/Vpp：片外程序存储器选用端。3.2系统主电路设计图3-3是本系统主电路的电路图，下面我们分别来介绍主电路的各个部分：3.2.1输入EMI滤波器的设计一、高频电源中的噪声问题电源中，噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量。有些噪声来自设备外部，如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落、工频波形失真等。有些噪声来自设备自身，如在功率转换电路中开关管从导通到截止或从截止到导通的瞬态过程中，高速脉冲波形的电流、电压，尤其是脉冲上升、下降沿，其中包含丰富的高次谐波分量易产生噪声，另外，在开关管高速工作时，非线性元件、传输导线分布电感、电容容易发生寄生振荡，加上器件本身高频特性的差异均有可能产生噪声。电源中的噪声，按传导与辐射两种方式传播，按对负载的影响，可分为共模噪声、差模噪声和辐射噪声。这里共模噪声是指主回路与机壳间传导的噪声；差模噪声是指回路中的常态噪声；辐射噪声既包括外界通过空间向电源辐射的噪声，又包括电源对外辐射的噪声。二、EMI滤波器在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端之间加上EMI（电磁干扰）滤波器，一方面，加上EMI滤波器后，可以消除来自电网的各种干扰对系统的影响，如电动机的启动，电器开关的合闸和关断，雷击等产生的尖峰干扰；另一方面，该滤波器也可以防止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。EMI滤波器主要由工频低通滤波器和共模抑制元件组成，在本系统设计中我们选用北京克普锐特电子技术有限公司生产的KT-3H4-20型三相三线滤波器，其原理图如图34所示。Lc为滤波扼流线圈，当电源输入电流流过Lc时，所产生的磁场可以互相抵消，相当于没有电感效应，Lc对共