基于DSP控制的光伏离网逆变器逆变电路部分的硬件电路设计毕业论文.docx

摘 要由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太阳能应用的一个重要研究领域光伏发电系统，尤其是小功率光伏离网发电系统，设计实现了基于DSP控制的光伏离网逆变器逆变电路部分的硬件电路。论文首先介绍了太阳能光伏发电的国内外发展现状，阐述了利用DSP控制光伏离网系统的基本原理。然后提出了以逆变器DC/AC变换技术为核心的光伏离网逆变器的硬件电路设计方案，并在Matlab软件上进行了仿真测试。关键词：光伏离网；逆变器；DSP；Matlab仿真AbstractIn recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting, never failure of source and simple maintenance measures, and thus draws more and more attention.In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low power photovoltaic off grid power generation system, design and achieve the hardware circuit of inverter circuit in photovoltaic off grid inverter based on DSP control.The paper firstly described the development of photovoltaic power generation in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic off grid system.Then objective of toff grid inverter with the core of DC / AC conversion technology inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded. Key words: off grid photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulation目录摘 要1Abstract21 引论41.1 太阳能应用的背景41.2 光伏发电应用现状和意义41.2.1 国内光伏发电应用现状41.2.2 国外光伏发电发展现状61.3 太阳能光伏发电的概述71.4 本课题的内容和设计要求72光伏发电系统82.1 光伏发电系统的组成82.2 光伏发电系统的分类93光伏电池113.1 光伏电池的工作原理113.2 光伏电池的分类114主电路拓扑及电路主要参数设计134.1 主电路拓扑134.2 DC-DC部分的电路拓扑134.3功率开光管的缓冲电路的设计165系统的软件构架175.1 系统的控制方式175.3 SPWM波的生成186 采样电路206.1直流电压电流采样电路206.2 交流电压与频率的采样211 引论1.1 太阳能应用的背景伴随着传统的能源资源不断枯竭，环境污染造成全球变暖的最严重的问题，制约着社会的可持续发展。对于全世界的能源需求的增长使能源资源已经成为了世界上最重要的战略物资。因此，发展可再生能源是全球未来的能源发展的必由之路。在中国水电和风力发电已成为商业发电，但他们的资源是有限的，他们不可能即使利用所有的资源满足未来的需求。光伏发电，是一种取之不尽的无限量的能源，可以直接将太阳光转化为电能。光伏发电系统是一种重要的解决问题，如能源危机和环境保护。技术相关的并网光伏发电系统已经通过了世界广泛的研究并已经取得了很大进展。尽管中国的光伏并网发电系统的研究开始不久，但中国有丰富的太阳能资源。通过上述分析，在能源需求急剧增加而其他能源日益紧张的背景下，太阳能作为一种取之不尽的、无污染的可再生能源已经成为当今最热门的能源开发应用的课程之一，它必将是21世纪最重要的能源之一。因此对光伏发电设计具有巨大应用价值和现实意义。因此，将来光伏发电系统的发展前景会很乐观。同时对于目前的一些能源问题，光伏并网发电系统都可以很好的解决，这将会对我们社会所面临的能源问题做出相当大的贡献。1.2 光伏发电应用现状和意义1.2.1 国内光伏发电应用现状中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象，即90%的原材料依赖进口，而90%的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢，各种光伏材料的发展都相对落后。1958年开始对太阳能光伏电池进行研究，并于1971年将光伏电池成功应用于东方红2号卫星；1973年开始太阳能光伏电池的地面应用研究；从20世纪70年代初到80年代末，由于成本高，太阳电池在地面的应用非常有限。20世纪90年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅速增长，太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大。国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的235 MW 迅速增长到2002年的45 MW，至2003年达到55 MW。20032005年，受德国市场的巨大需求影响，国内光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。2005年，电池产量约150 MW，组件产量约284 MW，国内安装量约5 MW，累计安装量70 MW。近年来，随着环境问题日益突出，绿色发展理念逐渐深入人心，全球经济的发展方向和导航标已然转向低碳经济，太阳能光伏产业受到世界各国的重视。目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。我国太阳能光伏电池的年产量约为3MW生产能力约为5-8MW，累计用量约为15MW，同国外相比有很大差距!光伏发电产业生产规模小，水平低，生产成本高，市场培育迟缓，其总体水平落后国外约15年。我国 “十二五”规划纲要提出，要大力发展节能环保、新能源等战略性新兴产业，新能源产业重点发展太阳能热利用和光伏光热发电、生物质能等，解决600万人(即无电人口的10%)的用电问题等目标!这给光伏发电产业提供了前所未有的市场和发展机会2。我国光伏发电的重点项目：(1)我国“光明工程”计划由国家发展计划委员会牵头制定的“中国光明工程”计划，筹集l00亿元，计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的生活、边防哨所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站等用电问题。使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平。(2)深圳园博园 光伏并网发电系统，该项目总投资750万美元，这是国内第一座MW级太阳能发电站。是目前中国乃至亚洲最大的太阳能并网发电系统，发电能力约为100万千瓦。该电站采用与市电并网形式。投入使用以来共发电200多万度。(3)京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统2008年4月。北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电。这是2008北京奥运会主场馆鸟巢工程首次采用太阳能光伏发电。这套光伏发电系统总投资约1000万元，总装机容量为100千瓦。该太阳能光伏系统使用单晶硅组件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术。可以就地安装、维护费用低。该太阳能光伏发电系统安装在位于国家体育场鸟巢周围的5个安检棚顶部，每个安检棚为一个并网发电单元。通过光伏并网逆变器与公共电网并接，实现了与公共电网的互联、互通和互补。该系统发电除满足鸟巢检票系统的自身用电外，多余电力将并人国家体育场的电力供应系统。按平均每天5小时光照时间计算。这套光伏发电系统每天可为鸟巢提供520度绿色电力。该系统将稳定运行25年，累计可生产约475万度绿色电力，可减排2500多吨废气替代1500吨标准煤。(4)上海十万个太阳能屋顶计划上海十万个太阳能屋顶计划研究，是在世界自然基金会和上海市经委的支持下。由上海交通大学太阳能研究所承担的太阳能应用项目课题，总投资近百亿元。上海计划利用十年的时间，将现有2亿平方米平屋顶的15，约300万平方米，即十万个屋顶用作太阳能发电。相当于新建一个30万千瓦的电站，而且是峰值发电。在1000瓦，平方米标准日照条件下安装太阳能屋顶，可发电130180千瓦时，平方米。按上海地区标准日照时间11001300小时年计算。每年最低发电量可达143千瓦时，平方米每年至少发电33亿度。(5)其他建设项目西部7省无电乡村通信工程项目、无锡国家工业设计园300千瓦屋顶并网光伏系统、上海崇明岛生态公园85千瓦屋顶光伏系统、香港湾仔政府大楼屋顶光伏系统、广州十万个光伏屋顶计划、乌拉特后期1MW沙漠太阳能光伏并网电站，该电站将是目前国内最大的沙漠太阳能光伏电站。1.2.2 国外光伏发电发展现状 太阳能是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50 以上；德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80 以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3 000 MW 增加到2020年的70 GW。(w 为峰瓦)，光伏发电将解决非洲30 GW 、经济合作与发展组织(OECD)国家10 GW的电力需求。当2010年欧洲风力发电达到约40 GW、光伏发电3GW 和太阳能集热器100 Mm 时，总计可提供154 167万个就业机会。 20世纪80年代以来，世界各国特别是发达国家相继投入大量的人力、物力 开展对太阳能、风能、地热能、生物能等新型可再生能源的研究、开发和利用工作。并制定相应的光伏发电系统的发展计划。1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划。1998年进一步提出10万套屋顶计划。日本政府1994年开始实施“朝日七年计划”，总容量185WMp，1997年又宣布实施“七万屋顶计划”，总容量280MWp。意大利1998年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量50MWp，在这类系统中，规模最大的是1997年6月美国宣布的“百万太阳能屋顶计划”，到2010年将安装1014万套光电系统，总安装量3025MWp。表所示为20002004年五年内世界光伏器件的年产量数据11。太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护即可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件，就形成了光伏发电装置。根据需求和应用场合的不同，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。1.4 本课题的内容和设计要求 本课题主要研究的是独立光伏发电系统中的离网型光伏逆变器，设计一个小型光伏离网发电系统的逆变电路。要求：输入直流电压250V-300V,逆变电压波形为正弦信号,有效值220V10%,50Hz,输出功率=100W，效率80%。根据设计要求，从以下几个方面进行研究设计:(1) 介绍光伏发电的的基本状况和前景，理解光伏发电系统的组成和分类，明确离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。(2) 阐述光伏发电的原理。(3) 逆变器中逆变电路硬件电路的设计，包括：直流升压斩波电路结构、逆变器电路、LC输出滤波、DSP控制电路、采样硬件电路。(4) 通过建立离网逆变器的仿真模型,并采用直流电源供电,实现逆变电路的MATLAB仿真并进行分析。光伏发电系统2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统，是利用光伏电池的光伏效应，将太阳能转化为电能，储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。主要是由光伏电池阵列、变换部分、逆变器及储能部分组成。（1）光伏电池阵列：光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小，最大输出功率不超过5Wp，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串并联后统一封装构成光伏模块(Photovoltaic ModulePV)，这是目前光伏器件的主要存在及应用方式。因大功率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中200Wp以上的光伏模块更受欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列(PV Array)为系统提供更高的输出功率和输出电压。（2）直流变换部分（DC-DC)：直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和逆变器要求的电压等级。同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟(Maximum Power Point TrackingMPPT)问题。如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很难有较好地发挥光伏模块转换效率。为此，控制系统除了完成对DC-DC变换和DC-AC变换所需的基本控制外，还需在DCDC变换环节中增加MPPT控制，以实现光伏阵列的最大功率输出。（3）逆变部分（DC-AC）:光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网在内的许多用电场合需要交流电，所以(DC-AC)逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的功能是受控制系统控制，从而将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该环节的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。目前我国在小功率逆变器上与国外处于同一水平，但在大功率逆变器上有较大的差距。（4）储能部分：光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚上，所以蓄电池可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使用，同时也可作为交流电网断电时的不间断电源为本地重要交流负载供电。这种包括蓄电池作为储能环节的光伏发电系统称为“可调度式光伏发电系统”。还有一种不含蓄电池的发电系统，这种系统称为“不可调度式光伏发电系统”。2.2 光伏发电系统的分类光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运行模式三种。独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的，主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用，如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿，即公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等部分。图2-1所示是典型独立光伏发电系统的结构示意图。图2-1 独立光伏发电系统并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统，将光伏电能馈送给公共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段，并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统，该系统具有不间断电源的作用，还可以充当功率调节器，稳定电网电压、消除高次谐波分量，从而提高电能质量；不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能，送往公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载补充电能。图2-2所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图，主要包括光伏电池阵列、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统的供电可靠性的需要，在DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。图2-2 并网光伏发电系统混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如图2-3所示。图2-3 混合型光伏发电系统在通常情形下，白天日照强，夜间风多；夏季日照强、风小；冬春季日照强度小而且风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，其优点显见：利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性；在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量；对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风/光系统供电，无须启动备用电源和备用发电机，以此获得较好的经济效益。但是，风/光互补联合发电系统存在：一次性投资较大，并需定期更换蓄电池等缺点。3光伏电池3.1 光伏电池的工作原理 在光伏发电系统中，光伏电池般是实现光能转换成电能的器件，光伏电池阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的，一是由半导体材料制成的，其特性与二极管类似。光伏电池单体实际上是一个PN结，PN结处于平衡状态时，中间处有一个耗散层存在着势垒电场，形成了方向由N指向P区的电场。当太阳光照射到PN结时，就会产生一定量的电子和空穴对，N区就有过剩的电子，这样就形成了光生电动势，其方向与势垒电场方向相反。光生电动势使P区和N区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。这样如果用导线连接两个电极，就会有“光生电流”流过，从而产生电能。3.2 光伏电池的分类光伏电池多用于半导体固体材料制造，也有用半导体家电解质的光电化学电池，发展至今种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一般要求是：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。按电池结构分类如下。（1）异质结光伏电池。由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的界面上形成一个异质PN结。像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结光伏电池。（2）同质结光伏电池。在同一个半导体材料构成一个或多个PN结。像砷化镓光伏电池、硅光伏电池都为同质光伏电池。（3）肖特基光伏电池。指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池（又称MS光伏电池）。其原理是基于在一定条件下金属半导体接触时产生类似于P-N结可整流接触的肖特基效应。这种结构的电池现已发展成为金属氧化物半导体光伏电池（MOS光伏电池）、金属绝缘体半导体光伏电池（即MIS光伏电池）等。（4）薄膜光伏电池。指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料扑在非报道提的衬底上而构成的光伏电池。这种光伏电池大大地减少半导体材料的消耗（薄膜厚度以m计）从而大大地降低了光伏电池的成本。可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及CIS等，其中以多晶硅薄膜光伏电池性能较优。（5）叠层光伏电池。指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。鉴于波长短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特点，充分利用太阳光中不同波长的光，通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收，这就有可能最大限度地将光能变成电能。（6）湿式光伏电池。指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。这种形式的电池不但可以减少半导体材料的消耗，还未建筑物和太阳能应用的一体化设计创造了条件。按电池材料分类：（1）硅光伏电池：包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。其中单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换效率高，可达20%左右，但成本比较昂贵。多晶硅材料晶体方向无规律性。由于在这种材料中的正负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失，所有不能全部被P-N结电场分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低。但多晶硅光伏电池成本较低。多晶硅材料又分为带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种类型。用它们制造的光伏电池又分为薄膜和片状两种。而非晶硅光伏电池是采用内部原子排列“短程有序而长程无序”的非晶体硅材料（简称Si）制成。非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式。其造价低低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。（2）非硅半导体光伏电池。主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池。硫化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜/硫化镉光伏电池、碲化镉/硫化镉光伏电池、铜铟硒/硫化镉光伏电池等。而砷化镓具有较好的温度特性，理论效率高，较适合于制成太空光伏电池。即采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可采用单晶切片结构也可采用薄膜结构以制成光伏电池。（3）有机半导体光伏电池：用含有一定数量的碳碳键，导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。其特点是转换效率低、价格便宜、轻便，易于大规模生产。4主电路拓扑及电路主要参数设计4.1 主电路拓扑 主电路拓扑如图4.1所示。该电路前级由Q1、LC、Dl等器件组成的BOOST电路对光伏输出电压进行升压斩波后并对蓄电池进行充电；后级为单相全桥逆变电路，作用是将前级的产生直流电压逆变并经L2、C5滤波后得到工频正弦交流电。图 4.1 主电路拓扑4.2 DC-DC部分的电路拓扑适用于直流转换部分的电路拓扑有：降压斩波电路（busk电路），升压斩波电路（boost电路），升降压斩波电路（buck-boost电路）等等。在本课题中，所用到的直流变换部分的电路只要求升压，所以这里只对升压斩波电路（boost电路）进行叙述。其电路结构原理图如下图4.2： 图4.2 BOOST电路结构一、Boost升压电感参数的设计对于一般的变换器来说，由于电感和电容寄生电阻的影响，随负载电流增加，输出电压会下降，输出电压对占空比的敏感度下降，控制特性变差。为了输出电压的稳定，控制电路尽量增大占空比，使电压增益变大以便于维持输出电压的恒定。因此，设计中选择滤波元件总是尽量选取小的寄生电阻元件，且实际应用中，是占空比调节。为了使光伏发电系统能够不间断的往外输出功率，前级的Boost升压斩波电路应该工作在电感足够大电流连续的模式下。根据伏秒平衡的定理，电感电压在开关管的一个周期内对时间的积分为零。即如式4.1所示： （4.1）其中：是太阳能电池阵列的输出电压，是直流母线DC-link的电压，也即Boost电路的输出电压，是开关管的开关周期，是Boost电路开关管的占空比，是开关管的导通时间，是开关管的截止时间。整理可得： （4.2）本系统中，太阳能电池板阵列输入电压是60V，直流母线电压范围是250V300V，由上式（4.2）可得：，所以本系统中boost升压斩波电路中占空比的范围是0.760.8。由于电感一直处于充电、放电过程，而且充放电过程都是曲线的，所以电感电流不是一个直流分量，还存在纹波量，其中纹波分量由电感两端的电压： （4.3）可得流过电感的电流变化量： （4.4）电感电流的纹波系数的定义： 。有以上各式可得电感的大小： （4.5）其中为输出功率。电流纹波系数的选取，需要考虑电感的饱和问题、减少IGBT中的峰值电流及电压损耗问题，这里取电流纹波系数。开关频率的选取时，应该综合考虑。工作频率过高，则输出波形谐波含量少，有利于滤波器的设计。但工作频率过高则功率开关管的发热和和损耗都会增加。本系统选用开关管的频率为，当时，有： （4.6）所以选取。二、直流母线稳压电容参数的设计升压斩波电路输出端电容的作用：给直流母线稳压尽可能的滤除纹波电压。由电容两端电流的变化量： （4.7）电容两端电压的变化量： （4.8）上下同乘得： （4.9）电容电压的纹波系数。所以电容值的大小为： （4.10）其中，代入上式（4.10）得： （4.11）在实际的系统设计中，当开关管给电感充电时，后级逆变部分所需要的能量是由电容提供的，所以给设计的电容留下充足的裕量，所以给电容留一定的5倍以上的容量，本文采用的电容。三、开关管的参数选择IGBT结合了GTR和MOSFET的优点，所以Boost升压斩波电路中选用IGBT作为开关管。其承受的最大电压为300V。本设计最终采用的IGBT其主要参数为：900V。四、升压电路二极管的选择Boost升压斩波电路中的续流兼有防反作用的二极管应该具有较低的通太电压降和快速恢复的特性。二极管承受的最大电压是300V，所以选用的二极管主要参数为900V。4.3功率开光管的缓冲电路的设计 如图中4.1中所示，D2、R1、C2组成了常用的RCD箝位式缓冲电路。该电路可以有效地吸收开关管关断时线路中的杂散电感上产生的感应峰值电压，使开关管源漏电压尖刺箝位在电源电压左右，从而保证开关管不会过压击穿。 其基本箝位原理为： 在稳态时，无论开关管处于导通还是截止状态，电容C2两端电压均为电源电压。当器件两端电压高于电源电压时，线路杂散电感中的能量通过二极管D2转储到吸收电容C2上，此时器件两端的电压被箝位在电容电压，利用电容两端电压的不突变性就可以有效地抑制器件上的尖峰电压；同时电容C2通过Rl向电源放电，于是转移到电容上的能量部分回送到电源，另一部分消耗在电阻Rl上。由于线路的杂散电感一般不大，且部分回馈到电源，因此即使在高频情况下，Rl上消耗的功率也是不大的。 因而RCD箝位式缓冲电路成为IGBT器件最实用的缓冲电路之一。实验电路中R1取值10，R1越小，开关管的峰值电压越接近母线电压；D2与开关管的峰值电压相同，但电流不需很大，选择900V；箝位电容的值越大箝位的效果越好，但实际应用中无须很大，这里选1000V。5系统的软件构架5.1 系统的控制方式 由于课题主要是针对逆变部分的设计，这里主要是对逆变器部分的一个控制方法的阐述。 本系统采用PI电压外环电流内环的双环控制方式。其控制的一个电路拓扑如图5.1所示。 图5.1 逆变器控制图 如图5.1所示，拓扑结构采用单相全桥逆变电路。S1S4 开关管的SPWM控制信号来自控制电路。SPWM 是由参考正弦波与一定频率的三角波相比较而产生的，正弦值大于三角波的值，则输出1，即开通开关元件，反之则关断。幅值不同的正弦参考波产生宽度不同的SPWM波。控制电路内部让正弦波和锯齿波进行比较产生四路控制信号，分别用来控制S1S4 。开关管一共有4种开关模式，分别是：S1，S4开；S2，S3开；S1，S2。开；S3，S4开。其中，只有两种开关模式有输出电压（S1，S4开；S2，S3开。）S1，S4开，输出为正；Q2，Q3开，输出为负。通过AD口采集输出负载端的电压和电感上的电流，在DSP内部通过PI双环控制，产生SPWM信号波。 SPWM信号的产生由：用DSP中的事件管理模块(Ev)可以产生SPWM波。三角载波的时间是开关管的周期来产生的。 控制的流程如下所示：图5.2 双环PI控制图 在图5.2中：参考正弦电压与输出电压比较得到的误差电压经过PI调节后作为电流的参考指令与电感电流作比较，得到一个电流误差信号，电流误差信号再经过PI控制后与三角载波比较产生占空比来控制逆变器的开关。和电压单闭环相比，增加了电感电流内环控制，使得系统的带宽增大，反应速度加快，系统抗干扰能力强，稳定性好，调节时间短，谐波含量小，同时能有效地限制负载电流，起保护作用，更具优越性。5.3 SPWM波的生成产生SPWM波的原理是：用一组等腰三角波与一个正弦波进行比较，其相交的时刻(即交点)作为开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰三角形波称为载波，而正弦波称为调制波，如图5.5所示。正弦波的频率和幅值是可控制的，改变正弦波的频率，就可以改变电源输出电压的频率，改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变电源输出电压的大小。图5.5 SPWM波生成的原理在本课题SPWM波生成的方法为：利用DSP中的事件管理模块(EvA)可以产生SPWM波。当定时器T1处于连续递增/递减计数模式时，计数寄存器(T1CNT)中的数值的变化轨迹就是等腰三角形，也就相当于产生了一系列的等腰三角形波。而正弦调制波则是通过将参考正弦波制成表格，查表获得代表正弦波的数字量得到。采用定时中断，在每个开关周期，程序从参考正弦表中获得相应的数字量，并将它赋值给比较寄存器 CMPRx（x=1、2、3）。其生成的步骤为：在程序的初始化部分建立一个正弦表，在系统运行的时候可以通过查表的方式得到想要的数据。假设在一个正弦波周期内采样的次数为NX，则在第n个点的采样值为式(5.1)所示： (5.1)在实际的使用的过程中，由于正弦表中的值要能被比较寄存器使用，所以不能出现负值，从上式可以看出当，Yn0，此时就不能正常使用了，因此可以把上面的公式改写为下面的公式(5.2)： (5.2)其中PR为周期寄存器中的计数周期值。对Yn取整，从n=1到n=NX，得到NX个正弦采样值的表格，设置通用定时器的计数方式为连续增减计数方式，在中断程序中调用表中的值即可产生相应的按正弦规律变化的方波信号。其程序框图如图5.6所示。为了同一桥臂的上下的开关管直通，两路互补的PWM信号还需要要通过死区时间寄存器(DBTCONx)来设置一定的死区时间。图5.6 SWPM生成程序框图6 采样电路6.1直流电压电流采样电路图6.1所示的为直流电压采样电路图，R1、VR1和R10为分压电阻，将直流电压分压后给运放，本文用的是LM358,这里采用的是其双电源工作模式。电压与电流信号经过光耦隔离后，经过去藕电容C105后送给DSP2812的相应端口进行采样。图5-5 直流电压电流采样电路6.2 交流电压与频率的采样图6.2是交流电的采样电路，主要采样的交流电有逆变输出，以及旁路输入的交流电，将旁路检测的电压通过变压器的变压后，通过分压和RC滤波电路后输入到DSP的对应端口；频率采样是通过放大电路后送到DSP的CAP过零捕获来进行频率采样的。对于旁路输入还有电流的检测，和交流电压的检测类似，这里就不多说了。图6.2 交流电压频率的采样电路1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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