三相電壓型逆變電路驅動控制研究

張麗紅

【摘 要】采用單片機控制三相橋式逆變電路開關器件的觸發信號，使其按設定的要求進行控制。本文通過編制驅動電路由一個三相橋式IGBT的驅動信號，在Proteus環境中進行仿真，并搭建了硬件實驗電路，通過兩種方案對所設計的電路進行了驗證，通過測試驗證了設計的正確性和合理性。

【關鍵詞】單片機;逆變器;驅動控制;換流方式

中圖分類號： TG155.2文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）27-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.017

0 引言

開關電源的應用范圍較廣，大到電力設備的變電系統，小到日常的手機充電器，對開關電源的研究仍是目前的一個研究熱點。開關電源已向著高頻、大功率、小體積的方向發展，電力電子裝置中核心單元的開關器件具有頻率高、轉換速率快的特點。目前在電力電子裝置高壓大電流的應用領域上，IGBT的應用具有絕對優勢。IGBT管結合了GTR和MOSFET二者的優點，具有開關速度快，耐壓能力高，熱穩定性能好等優點，基于IGBT的驅動電路也已經成為電力電子應用領域中的核心產品。IGBT的導通或斷開均是采用PWM控制的方式，就開關本身來說通斷是一個不連續的過程，調節占空比，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。它的直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源，直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。電壓型逆變電路主要應用于各種直流電源中，如UPS、有源濾波器、不可逆傳動或穩速系統以及對快速性要求不高的驅動場合。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，一般直流側串聯大電感，電流脈動小，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常反向的電機拖動系統。下面以三相電壓型逆變電路進行分析。

圖1中開關器件V1～V6是采用IGBT的電壓型三相橋式逆變電路，其直流側串聯的兩個電容器中間標出假想的中點N。在三相電壓型橋式逆變電路中，每相橋臂導電180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120°，任一瞬間有三個橋臂同時導通，采用縱向換流方式進行換流。

2 開關器件的驅動電路

三相橋式電壓型逆變電路中采用IGBT開關管，在使用時需要驅動電路，才能使IGBT管子正常地開通和關斷。IGBT的驅動電路必須具備2個功能：一是實現控制電路與被驅動IGBT 柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。驅動信號采用51單片機的6個I/O口輸出6路控制信號分別控制6個開關管，以達到三相逆變的目的。采用定時器分時上下拉來確定6路信號的相位關系。

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中的一項進行分析，以U相輸出進行說明。在三相橋式電壓型逆變電路中，當橋臂1導通時，，當橋臂4導通時，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。

負載線電壓uUV、uVW、uWU分別為：

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

設負載中點N與直流電源假象點N之間的電壓為uNN'，則負載各相的相電壓分別為：uWN=uWN'-uNN'，uUN=uUN'-uNN'，uVN=uVN'-uNN'。

4 硬件電路設計及結果分析

在Proteus環境下搭建的硬件驅動電路仿真的原理圖如下如圖3所示。在搭建實際電路時，還涉及電力電子裝置中功率開關器件IGBT的驅動與保護技術。? 搭建硬件電路時設計了兩套方案，方案一是采用三極管模擬開關管來控制電路的通斷，方案二是將MOS管作為開關管。方案一采用了1個450μF的電容，3個1000Ω的電阻和6個NPN型小功率三極管C9014。

方案二采用了6個低壓MOS管IR7843組成逆變電路。在實驗中單片機提供的5V驅動信號不足以驅動MOS，因此采用了半橋驅動電路將一路信號放大至兩路反向的12V信號來驅動MOS管，使MOS管正常導通以實現逆變目的。

搭建實驗電路，用示波器測試驅動信號波形圖如圖4所示，與理想工作波形一致。經由方案一和方案二得到實際實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，驗證了設計的合理性和可行性，為進一步研究三相電壓型逆變電路的工作特性打下了基礎，拓展了研究思路，有一定的工程應用價值。

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