单片机调频逆变系统详细设计

调频逆变系统 单片机调频逆变系统详细设计2008年11月25日成都目录1．设计理论基础 31．1逆变核心元件介绍 31．2脉冲宽度调制（PWM）原理 61．3 PID控制原理 71．3．1 PID控制原理与程序流程 71．3．2标准PID算法的改进 111．3．3数字PID参数的选择 151．3．4数字PID控制的工程实现 162．调频逆变原理 203．单片机调频逆变设计 213．1设计功能图 213．2 IPM介绍 213．3 PWM发生器SG3525介绍 251．设计理论基础 电力逆变，就是一种将直流变成工频交流或将工频交流变成可以改变频率的交流电源系统对于电力逆变来说，主要应用到应急电源及电机软启动等方面本详细设计主要针对应急电源系统，应急电源系统分工频逆变和变频逆变，所以我们的设计是变频逆变，同时也可设置为工频逆变，就是频率固定不变在设计前我们首先要明确逆变技术中的几个原理理论1．1逆变核心元件介绍现在逆变应用的核心元件是大功率场效应管IGBT，IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。

IGBT已由第三代、第四代发展到了第五代，由穿通型（PT型）发展到非穿通型（NPT型），其电性能参数日趋完善IGBT模块也在此基础上同步发展，有单管模块、半桥模块、高端模块、低端模块、6单元模块等合理的驱动保护是IGBT安全工作的前提条件，特别是选择合理的栅极驱动电压Uge和合理的栅极串联电阻Rg，以及过电压过电流保护尤为重要IGBT模块的应用电路有半桥电路逆变、全桥电路逆变、三相逆变、斩波应用等IGBT模块已被广泛应用于UPS、感应加热电源、逆变焊机电源和电机变频调速等电源领域1、IGBT模块电路结构1）单管模块 一般说来，单管IGBT模块其额定电流比较大，是由多个IGBT芯片和快恢复二极管（FRD）芯片在模块内部并联而成，其电路结构如图1所示图1 单管电路结构 图2 半桥电路结构2）半桥模块 半桥IGBT模块也称为2单元模块，是一个桥臂，其内部电路结构如图2所示两只半桥IGBT模块可组成全桥（H桥）逆变电路 3）高端模块 高端IGBT模块其内部电路结构如图3（a）和图3（b）所示图3（a）为斩波器应用电路结构，图3（b）为感应加热应用电路结构。

图3(a) 高端电路结构 图3(b) 高端电路结构4）低端模块 低端IGBT模块其内部电路结构如图4（a）图4（b）所示图4（a）为斩波器应用电路结构，图4（b）为感应加热应用电路结构图4(a) 低端电路结构 图4(b) 低端电路结构2、IGBT模块驱动保护要点 1）IGBT栅极驱动电压Uge 理论上Uge≥Uge(th)，即栅极驱动电压大于阈值电压时IGBT即可开通，一般情况下阈值电压Uge(th)＝5～6V为了使IGBT开通时完全饱和，并使通态损耗最小，又具有限制短路电流能力，栅极驱动电压Uge需要选择一个合适的值当栅极驱动电压Uge增加时，通态压降减小，通态损耗减小，但IGBT承受短路电流能力减小；当Uge太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极当栅极驱动电压Uge减小时，通态压降增加，通态损耗增加，但IGBT承受短路电流能力提高为获得通态损耗最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力，通常选取栅极驱动电压Uge≥D*Uge(th)，系数D＝1.5、2、2.5、3当阈值电压Uge(th)为6V时，栅极驱动电压Uge则分别为9V、12V、15V、18V；栅极驱动电压Uge折中取12V～15V为宜，12V最佳。

IGBT关断时，栅极加负偏压，提高抗干挠能力，提高承受dv/dt能力，栅极负偏压一般为－10V 2）IGBT栅极电阻Rg 选择适当的栅极串联电阻Rg对IGBT驱动相当重要 当Rg增大时，可抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡，减小开关di/dt,限制IGBT集电极尖峰电压；但Rg增大时，IGBT开关时间延长，开关损耗加大当Rg减小时，减小IGBT开关时间，减小开关损耗；但Rg太小时，可导致ge之间振荡，IGBT集电极di/dt增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏因此，应根据IGBT电流容量和电压额定值以及开关频率选取Rg值，如10Ω、15Ω、27Ω等，并建议ge之间并联一数值为10KΩ左右的Rge，以防止栅极损坏 3）IGBT过电压过电流保护 过电压过电流是造成IGBT损坏的两大主要因素，应加以有效的保护对于过电流，如果采用电流传感器保护，首先应考虑电流传感器的响应时间，建议过电流保护点设定为模块额定电流的1.5~2倍为宜；如GA100TS120K的模块电流额度值为100A，电流传感器设定为150A~200A；如GA200TD120K的模块电流额度值为200A，电流传感器设定为300A~400A。

如果采用通态电压Vce(on)来保护，建议Vce(on)设定为5～6V，这时模块的峰值电流约为额度值的2～2.5倍 对于过电压，通常采用RCD吸收过电压尖峰，最好是采用无感电阻和无感电容同时，必须尽量减少或者消除布线时的杂散电感，可以通过减小整个电路有效回路面积来减小杂散电感另外，还可以通过适当增加栅极串联电阻Rg来抑制过电压尖峰3、IGBT模块典型应用 1）感应加热电源 图5 为并联谐振感应加热电源主电路，由两只低端IGBT模块和两只高端IGBT模块组成，也可由四只单管IGBT模块和四只快恢复二极管模块组成，视感应加热电源功率而定对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压和电流分别为正弦波和方波图5 IGBT感应加热电源主电路 2）逆变焊机电源 图6 为一全桥式逆变电路，由两只半桥IGBT模块组成，采用PWM控制，对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压为交变方波此电路广泛应用于电焊机电源图6 IGBT逆变焊机电源主电路 3）变频调速电源 图7为IGBT三相PWM逆变电路，由三只半桥IGBT模块组成，用于变频调速电源和UPS电源。

图7 IGBT变频调速电源主电路4、IGBT及快恢复二极管模块的使用1）防止静电 IGBT是静电敏感器件，为了防止器件受静电危害，应注意以下两点： （1）IGBT模块驱动端子上的铜环是防静电导电管，用户用接插件引线时取下套管立即插上引线；在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子 （2）焊接器件时，设备或电烙铁一定要接地2）选择和使用 请在产品的绝对最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出绝对最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出VCES的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏，请务必在VCES的绝对额定值的范围内使用！工作频率愈高，工作电流愈小；基于可靠性的原因，必须考虑安全系数如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值） （1）驱动电路：由于IGBT Vce(sat) 和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为+VG=1310%V，-VG=5～10V，要确保在模块的驱动端子的驱动电压和波形达到驱动要求；栅极电阻与IGBT 的开通和关断特性密切相关，Rg小时开关损耗减少，开关时间减少，关断脉冲电压增加；应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷(与频率有关)选择合适的Rg 值，一般选为１０Ω至２７Ω之间。

为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K～30KΩ电阻驱动布线要尽量短且采用双绞线；在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其完全动作后再投入主电路电源 （2）保护电路：IGBT 模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电感和元件的配置，应注意以下保护项目：①过电流保护 ②过电压保护 ③栅极过压及欠压保护 ④安全工作区 ⑤过热保护 （3）吸收电路：由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，所以必须设有浪涌钳位电路 （4）并联使用：应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题 （5）其它事项，使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所5、IGBT安装 散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择，以保证模块工作时对散热器的要求散热器表面的光洁度应小于10mm，每个螺丝之间的平面扭曲小于10mm为了减少接触热阻，推荐在散热器与模块之间涂上一层很薄的导热硅脂，模块均匀受力后，从模块边缘可看出有少许导热硅脂挤出为最佳如果散热器表面的光洁度或是安装力矩和方法不当，尤其是底板为DBC基板（无铜板）的模块可能会造成模块的内部芯片与外部散热器绝缘的陶瓷基板破裂，从而使模块绝缘破坏。

模块安装在散热器上时，螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧力矩不足导致热阻增加或运动中出现螺钉松动力矩过大可能损坏模块外壳或是破坏模块绝缘 仅安装一个模块时，装在散热器中心位置，使热阻效果最佳安装几个模块时，应根据每个模块发热情况留出相应的空间，发热大的模块应留出较多得空间两点安装紧固螺丝时，先依次紧固额定力矩的1/3，然后反次达到额定力矩四点安装和两点安装类似，IGBT长的方向顺着散热器的纹路紧固螺丝时，依次对角紧固1/3额定力矩，然后反次达到额定力矩 使用带纹路的散热器时，IGBT长的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形两只模块在一个散热器上安装时，短的方向并排摆放，中间留出足够的距离，主要是风机散热时减少热量迭加，容易散热，最大限度发挥散热器的效率二是模块端子容易连接，有利于减少杂散电感，尤其高频使用时更重要在连接器件时，连接模块的母线排不能给模块主端子电极造成过大的机械和热应力，以免模块电极的内部焊接断裂或电极端子发热在模块上产生过热1．2脉冲宽度调制（PWM）原理PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制波通常由一列占空比（有效脉冲与周期之比）不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。

图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成输入信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波通过图1 b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的输入信号幅度值因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs<

1）模拟控制系统图1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件2）微机过程控制系统图2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器控制规律的实现，是通过软件来完成的改变控制规律，只要改变相应的程序即可3）数字控制系统DDC图3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律（算法）进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制2、模拟PID调节器1）模拟PID控制系统组成图4 模拟PID控制系统原理框图2）模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

（1）PID调节器的微分方程式中 （2）PID调节器的传输函数3）PID调节器各校正环节的作用（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强3）微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间3、数字PID控制器1）模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式2）数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项； 称为积分项； 称为微分项3）常用的控制方式（1）P控制 （2）PI控制 （3）PD控制 （4）PID控制 4）PID算法的两种类型 （1）位置型控制，例如图5调节阀控制： （2）增量型控制，例如图6步进电机控制：【例1】设有一温度控制系统，温度测量范围是0～600℃，温度采用PID控制，控制指标为4502℃。

已知比例系数,积分时间，微分时间，采样周期当测量值，，时，计算增量输出若，计算第n次阀位输出解：将题中给出的参数代入有关公式计算得，，由题知，给定值，将题中给出的测量值代入公式计算得：代入公式计算得：代入公式计算得：4、PID算法的程序流程1）增量型PID算法的程序流程（1）增量型PID算法的算式式中，，（2）增量型PID算法的程序流程2）位置型PID算法的程序流程（1）位置型的递推形式（2）位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可流程如上面所示3）对控制量的限制（1）控制算法总是受到一定运算字长的限制2）执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限 1．3．2标准PID算法的改进1、微分项的改进1）不完全微分型PID控制算法（1）不完全微分型PID算法传递函数图1 不完全微分型PID算法传递函数框图（2）完全微分和不完全微分作用的区别图2 完全微分和不完全微分作用的区别（3）不完全微分型PID算法的差分方程2）微分先行和输入滤波（1）微分先行微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分，这样，在给定值变化时，不会产生输出的大幅度变化。

而且由于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变，被控量也是缓慢变化的，从而不致引起微分项的突变微分项的输出增量为：（2）输入滤波输入滤波就是在计算微分项时，不是直接应用当前时刻的误差e(n)，而是采用滤波值e(n)，即用过去和当前四个采样时刻的误差的平均值，再通过加权求和形式近似构成微分项：2、积分项的改进1）抗积分饱和积分作用虽能消除控制系统的静差，但它也有一个副作用，即会引起积分饱和在偏差始终存在的情况下，造成积分过量当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出u(n)才脱离饱和区这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调，恶化调节品质这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象克服积分饱和的方法：（1）积分限幅法积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅值时，即停止积分项的计算，这时积分项的输出取上一时刻的积分值其算法流程如下所示2）积分分离法积分分离法的基本思想是在偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值ε时才进行积分累积这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象其算法流程如下所示 积分限幅法程序流程 积分分离法程序流程（3）变速积分法变速积分法的基本思想是在偏差较大时积分慢一些，而在偏差较小时积分快一些，以尽快消除静差。

即用代替积分项中的 式中 为一预定的偏差限2）消除积分不灵敏区（1）积分不灵敏区产生的原因当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，)容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，这就称为积分不灵敏区【例2】某温度控制系统的温度量程为0至1275℃，A/D转换为8位，并采用8位字长定点运算已知，，，试计算，当温差达到多少℃时，才会有积分作用？解：因为当时计算机就作为“零”将此数丢掉，控制器就没有积分作用将，，代入公式计算得而0至1275℃对应的A/D转换数据为0～255，温差对应的偏差数字为令上式大于1，解得可见，只有当温差大于50℃时，才会有，控制器才有积分作用2）消除积分不灵敏区的措施：增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度；当积分项小于输出精度ε的情况时，把它们一次次累加起来，即：其程序流程如下所示1．3．3数字PID参数的选择1、采样周期的选择1）选择采样周期的重要性采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制对大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期缩短时，频繁的采样必然会占用较多的计算工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对有些变化缓慢的受控对象无需很高的采样频率即可满意地进行跟踪，过多的采样反而没有多少实际意义。

2）选择采样周期的原则，采样定理：最大采样周期式中为信号频率组分中最高频率分量3）选择采样周期应综合考虑的因素（1）给定值的变化频率加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延2）被控对象的特性考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工对象时，T一般取得较大在对象变化较快的场合，T应取得较小从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正3）使用的算式和执行机构的类型采样周期太小，会使积分作用、微分作用不明显同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化4）控制的回路数要求控制的回路较多时，相应的采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成控制的回路数n与采样周期T有如下关系：式中，Tj是第j个回路控制程序的执行时间2、数字PID控制的参数选择1）数字PID参数的原则要求和整定方法（1）原则要求：被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。

显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面2）PID参数整定方法：理论计算法：依赖被控对象准确的数学模型（一般较难做到）；工程整定法：不依赖被控对象准确的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定（简单易行）2）常用的简易工程整定法（1）扩充临界比例度法适用于有自平衡特性的被控对象，整定数字调节器参数的步骤是：A．选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下B．去掉积分作用和微分作用，逐渐增大比例度系数直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态（稳定边缘)，记下此时的临界比例系数及系统的临界振荡周期C．选择控制度通常，当控制度为1.05时就可以认为DDC与模拟控制效果相当D．根据选定的控制度，求得T、KP、TI、TD的值2）扩充响应曲线法适用于多容量自平衡系统，参数整定步骤如下：A．让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号B．用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如下图所示C．在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数Tτ以及它们的比值Tτ/τD．由求得的τ、Tτ及Tτ/τ查表5-3-3，即可求得数字调节器的有关参数KP、TI、TD及采样周期T。

3）归一参数整定法令，，则增量型PID控制的公式简化为 改变KP，观察控制效果，直到满意为止1．3．4数字PID控制的工程实现1、给定值和被控量处理1）给定值处理图5-4-2 给定值处理（1）选择给定值SV――通过选择软开关CL/CR和CAS/SCC选择： 内给定状态――给定值由操作员设置 外给定状态――给定值来自外部，通过软开关CAS/SCC选择： 串级控制――给定值SVS来自主调节模块 SCC控制――给定值SVS来自上位计算机（2）给定值变化率限制――变化率的选取要适中2）被控量处理（1）被控量超限报警：当PV>PH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”；当PV

4、控制量处理1）输出补偿――根据输出补偿方式OCM的四种状态，决定控制量输出2）变化率限制――控制量的变化率MR的选取要适中3）输出保持――――通过选择软开关FH/NH选择当软开关FH/NH切向NH位置时，输出控制量保持不变；当软开关FH/NH切向FH位置时，又恢复正常输出方式4）安全输出当软开关FS/NS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS；当软开关FS/NS切向FS位置时，又恢复正常输出方式5、自动/手动切换在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态自动/手动切换处理框图1）软自动/软手动当软开关SA/SM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；当软开关SA/SM切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，称为软手动(SM)一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式2）控制量限幅，对控制量MV进行上、下限限处理, 使得MH≤MV≤ML3）自动/手动当开关处于HA位置时，控制量MV通过D/A输出，称为自动状态(HA)状态)；当开关处于HM位置时，手动操作器对执行机构进行操作，称为手动状态(HM状态)4）无平衡无扰动切换（1）无平衡无扰切换的要求在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。

2）无平衡无扰切换的措施在手动(SM或HM)状态下，应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数据，如e(n-1)和e(n-2)清零，还要使u(n-1)跟踪手动控制量(MV或VM)从输出保持状态或安全输出状态切向正常的自动工作状态时，可采取类似的措施6、程序实例 以下是用PID调节原理实现的水量调节器运行图和程序段：// PID 调节程序段procedure TForm1.Timer1(Sender: TObject);begin Kp := StrToFloat(EditP.Text); // 比例放大系数 Ki := Kp*0.001/StrToFloat(EditI.Text);//积分放大系数 = 比例放大系数*采样周期 / 积分时间； //“采样周期”Timers1.Interval/1000 Kd := Kp*StrToFloat(EditD.Text)/0.001;// 微分放大系数 = 比例放大系数*微分时间 / 采样周期 Ek_1{Error(k-1)} := Ek{Error(k)}; Ek := SliderTank.Position - AnalogDisplayTank.Value; // 误差量 ErrorValueSum := ErrorValueSum + Ek; // 积分，误差量合计 EditError.Text := FormatFloat(0.00,SliderTank.Position - AnalogDisplayTank.Value); // PID 计算公式 SliderInTemp{调节量} := Kp*Ek + Ki*ErrorValueSum{积分} + Kd*(Ek-Ek_1){Ek-Ek_1：微分}; end;2．调频逆变原理 下图是通用调频逆变原理图：3．单片机调频逆变设计3．1设计功能图功能图如下所示：3．2 IPM介绍1、IPM特点1）结构方面①IPM由高速低功耗的IGBT（或MOSFET）电力半导体管芯和优化的栅极驱动电路以及快速保护电路组成。

即在模块内把IGBT（或MOSFET）等功率开关器件和驱动电路集成在一起，并且具有短路保护和输出温度信号功能，可保护IPM不受损坏②外形美观，体积小，结构紧凑复杂的电联结经过巧妙设计，布线极为合理，大大减少和缩短了连线，很好地解决了高速大电流开关器件的分布参数问题，优化了门极驱动电路，得到了较高的技术指标，同时给用户安装带来极大的方便③由于产品采用先进的电力半导体模块工艺生产，是靠模具和自动化设备进行生产，人的因素干扰小，产品质量稳定该产品在材料、制造、规模、服务等方面都具有较大优势与其他品牌的IPM相比能给用户带来更多的实惠④主电路采用进口的IGBT（或MOSFET）方形芯片，模块电压高、电流大、开关速度快、压降小、功耗低⑤采用（DCB）陶瓷覆铜板，经独特处理方法和特殊焊接工艺，保证焊接层无空洞，热阻小、热应力小、耐热疲劳次数高⑥驱动采用进口专用IC、贴片元件，大大保证了驱动电路的可靠性⑦模块内部采用进口高热导绝缘硅凝胶灌封，满足主电路所有芯片防护、绝缘、防潮、导热的需要模块壳体间采用进口高级粘接胶牢固联结，达到较高的防护强度和气闭密封⑧主电路、驱动控制电路与导热底板相互绝缘，绝缘耐压≥2500VAC（RMS），保证人身安全。

⑨模块内置辅助驱动电源，实现驱动与主电路电气隔离不但保证人身安全，而且不论IPM模块采用什么样的拓扑结构，所有模块外部只需一只12V直流电源供电即可，解决了其他品牌IPM需多路辅助电源问题，给用户带来极大方便和实惠IGBT模块控制端与主电路为光电隔离，可方便地实现模块间的随意串、并联，为制造较大功率设备提供方便 2）驱动及其他方面①模块内采用高性能驱动电路，开关速度快、输出电流脉冲大②具有快速的短路保护功能，当发生短路时，IGBT（或MOSFET）将被软关断模块同时输出一个脉冲信号，用户可通过短路保护输出端口外接短路保护指示③模块内置温度传感器，可实时反映主电路基板温度的变化情况，用于过热保护该温度传感器实际上是一只热敏电阻，温度越高，阻值越小其阻值与温度的对应关系为：25℃时R=50kΩ、40℃时R=26.8kΩ、50℃时R=18.1kΩ、55℃时R=15kΩ、60℃时R=12.56kΩ、65℃时R=10.57kΩ、70℃时R=8.92kΩ、75℃时R=7.55kΩ、80℃时R=6.41kΩ④抗干扰能力强优化的栅极驱动与IGBT（或MOSFET）集成，布局合理，无外部驱动连线⑤模块主电路内置RCD吸收电路，更好地保护模块安全工作。

另外外部连线大为减少，极大方便用户这是其它品牌IPM所不具备的2、模块内部电原理图3、模块通用额定值1）模块最高工作频率：IGBT芯片为25kHZ，MOSFET芯片为25kHZ；2）芯片结温范围Tj：25～125℃；3）工作壳温TC：≤80℃；4）控制驱动电路所需直流电源电压UD：121.0 VDC；5）控制驱动电路所需直流电源电流ID：≥0.15A；6）绝缘电压UISO(RMS)：芯片采用IGBT的IPM模块为2500VAC，芯片采用MOSFET的IPM模块为1000VAC4、安全使用注意事项1）安装注意事项（1）安装前应确认模块的主电路元件（即IGBT或MOSFET）哪一种能够符合您的要求、确认模块的UCES或（UDSS）是否满足主电源电压的要求、确认模块的额定电流能否满足特定工作频率下负载额定电流的要求，确认模块的工作频率能否满足控制原理的要求；（2）安装接线前，务必切断电源；（3）送电中绝对不可插拔模块上的连线及接插件，以免造成损坏；（4）模块工作中，请勿触摸所有带电端子，以防触电，造成人身伤害；请勿触摸散热片、模块等发热元件，以防烫伤2）串并联注意事项当模块串联或并联使用时，要求同一组的模块其“开通延迟时间” 参数应基本一致和“关断延迟时间”参数也应基本一致。

配对时应参考模块一侧标贴的这两项数据3）维护和保养IPM模块是一种精密的电子器件，虽然在制造过程中，厂家进行了可靠性设计，但如果使用不当，仍可能发生故障或出现运行不佳等情况，因此日常维护是必要的5、模块的安装与接线1）把散热器和风机按通风要求装配于机箱合适位置2）在模块导热底板表面与散热器表面各均匀涂覆一层导热硅脂，然后用4个螺钉把模块固定于散热器上，每个螺钉用力要均等，使模块底板与散热器表面紧密接触，并避免拉裂塑料外壳当模块工作一段时间后，由于热胀冷缩的原因，会使螺钉松动，应在停机断电后重新紧固一遍4个固定螺钉及其他端子的螺钉，以保持各部位连接牢固3）用接线端头环带将电缆铜线扎紧，最好再浸锡然后套上绝缘热缩管，用热风或热水加热收缩4）将接线端头平放于模块电极上，用螺钉紧固，保持良好平面压力接触5）将控制电源、控制信号、过热过流保护信号等各引线对应规定位置，牢固压接在接线端子内6、模块的简单应用1）直流电机调速用IPM模块可直接对直流电机实现斩波调速，可以是开环控制，也可以是闭环控制主电源输入可以采用三相桥式整流或单相桥式整流，也可以采用电池组接线示意图如下图所示：2）交流电机变频调速下图介绍的是由6只相同型号的IGBT型的IPM模块组成的变频调速系统的接线示意图，交流输入电压为380VAC。

如果额定电压为660VAC或1140VAC时，则每个单元需把2只或更多IPM模块串联使用，以满足耐压要求如果控制功率不能满足更大功率负载要求时，则可将IPM模块并联使用当负载需要紧急制动时，可再增加制动单元所需的IPM模块图中C1: 铝电解电容；C2: 无感电容；R：充电电阻；K : 交流接触器3）开关电源下图介绍的是IPM模块应用于高频开关电源的原理图此装置采用全桥式逆变电路，由1块三相桥式整流模块和4块IPM模块以及高频变压器、整流二极管等器件组成本电路可以作为各种功率的高频开关电源，具有功耗低、频率高等优点由于控制板设计有电压、电流反馈，可达到非常理想的稳压稳流效果注意事项：为防止高频干扰，IPM模块须与高频变压器隔离屏蔽，且控制信号线要采用屏蔽线图中：QS—开关；JC—交流接触器；RD—熔断器；C1、C3—铝电解电容；C2—无感电容；VD1﹑VD2—整流二极管；L—平波电抗器；RL—负载电阻；T1、T2﹑T3﹑T4—IPM模块；B—高频变压器，其中W1为初级绕组，W2为次级绕组；A1﹑A2—直流电流表；V1﹑V2—直流电压表3．3 PWM发生器SG3525介绍1、SG3525功能简介随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。

SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET其产品一推出就受到广泛好评SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器1)其管脚图和原理图 2)管脚Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端在闭环系统中，该引脚接反馈信号在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器 Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端 CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端 RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端 Discharge(引脚7)：振荡器放电端该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路 Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端该端通常接一只5 的软启动电容 Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端该端接高电平时控制器输出被禁止该端可与保护电路相连，以实现故障保护 Output A（引脚11）：输出端A引脚11和引脚14是两路互补输出端 Ground(引脚12)：信号地 Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端 Output B（引脚14）：输出端B引脚14和引脚11是两路互补输出端 Vcc（引脚15）：偏置电源接入端 Vref(引脚16)：基准电源输出端该端可输出一温度稳定性极好的基准电压 3)特点 工作电压范围宽：8—35V 5.1（1 1.0%）V微调基准电源 振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz. 具有振荡器外部同步功能。

死区时间可调 内置软启动电路 具有输入欠电压锁定功能 具有PWM琐存功能，禁止多脉冲 逐个脉冲关断 双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值) 2、SG3525的工作原理SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性在CT(引脚5)和Discharge(引脚7)之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。

当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态反之亦然 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电 此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位3、SG3524与SG3524主要区别作为SG3524的增强版本，SG3525在以下方面进行了改进1）增加欠电压锁定电路当SG3525输入电压低于8V时，控制器内部电路锁定，除基准电源和一些必要电路之外的所有电路停止工作，此时控制器消耗的电流极小。

2）增加了软启动电路引脚8为软启动控制端，该端可外接软启动电容软启动电容由SG3525内部50 的恒流源进行充电3）提高了基准电源的精度SG3525中基准电源的精度提高了1%，而SG3524中基准电源的精度只有8% 4）去除了限流比较器SG3525去除了SG3524中的限流比较器，改由外部关断信号输入端（引脚10）来实现限流功能，同时还具有逐个脉冲关断和直流输出电流限幅功能实际使用中，一般在引脚10上接电流检测信号，如果过电流检测信号维持时间较长，软启动电容将被放电 5）PWM比较器的反向输入端增加至两个在SG3524中，误差放大器输出端、限流比较器输出端和外部关断信号输入电路共用PWM比较器的反向输入端在SG3525中对此进行了改进，使误差放大器输出端和外部关断信号输入电路分别送至PWM比较器的一个反向输入端这样做的好处在于，避免了误差放大器和外部关断信号输入电路之间相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度提高 6）增加了PWM琐存器为了使关断电路更可靠的工作，SG3525在其内部增加了PWM琐存器PWM比较器输出信号首先送至PWM琐存器，琐存器由关断电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。

当关断电路工作时，即使过电流信号立即消失，琐存器也可以维持一个周期的关断控制，直到下一周期时钟信号使琐存器复位为止同时，由于PWM琐存器对PWM比较器的置位信号进行琐存，误差放大器上的噪声信号、振铃及其他信号在此过程中都被消除了只有在下一个时钟周期才能重新复位，可靠性大大提高 7）振荡器增加了同步端和放电端SG3524中的振荡器只有CT和RT两个引脚，其充电和放电回路是相同的在SG3525中的振荡器除了CT和RT两个引脚外，又增加了一个同步端（引脚3）和一个放电端（引脚7）RT的阻值决定了内部恒流源对CT充电电流的大小，而CT的放电则由引脚5和引脚7之间的外接电阻决定将充电回路和放电回路分开，有利于通过引脚5和引脚7之间的外接电阻来调节死区时间这样SG3525的震荡频率由下式进行计算： Fosc= （1）同步端（引脚3）主要用于多只SG3525之间的外部同步，同步脉冲的频率应比震荡频率Fosc略低一些 8）改进了输出级的结构SG3525对SG3524输出级进行了改进，以适应功率MOS-FET的需要，其末级采用了推挽式电路，关断速度更快4、SG3525应用电路分析SG3525的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过200mA。

在单端变换器应用中，SG3525的两个输出端应接地，如图1所示当输出晶体管开通时，R1上会有电流流过，R1上的压降将使VT1导通因此VT1是在SG3525内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于SG3525内部振荡器的频率 当采用推挽式输出时，应采用如下结构，如图2所示VT1和VT2分别由SG3525的输出端A和输出端B输出的正向驱动电流驱动电阻R2和R3是限流电阻，是为了防止注入VT1和VT2的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流C1和C2是加速电容，起到加速VT1和VT2导通的作用由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端A和输出端B与VT1和VT2栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET，如图3所示另外，SG3525还能够直接驱动半桥变换器中的小功率变压器如果变压器一次绕组的两端分别直接接到SG3525的两个输出端上，则在死区时间内可以实现变压器的自动复位，如图4所示SG3525典型应用的是逆变器，反馈电路如图5所示，当电流互感器从负载端感应出交流电流，通过桥式整流器把他转化为直流电，在滑动变阻器PR2上产生电压。

由滑动端输出的信号接到SG3525A的10脚上，当脚10电压大于0. 7V时，芯片将进行限流操作，当脚10电压超过1.4V时，将使PWM锁存器关断，直至下一个时钟周期才能够恢复SG3525典型应用电路如图5所示 在中小容量变频电源的设计中，采用自关断器件的脉宽调制系统比非自关断器件的相控系统具有更多的优越性第一代脉宽调制器SG3525A应用于交流电机调速、UPS电源以及其他需要PWM脉冲的领域其外围电路可对串联谐振式逆变电源进行多功能控制，实现H桥式IGBT脉宽调制PWM信号的生成和逆变电源的保护功能，以及变频电源工作过程中谐振频率的跟踪控制控制电路如上图的核心为PWM控制器SG3525A，用SG3525A发出的PWM脉冲，来控制逆变器VT1、 VT4和VT2、VT3轮流导通，从而控制逆变电压和逆变频率SG3525A的6脚连接电阻R，改变R的大小，这样就可调控SG3525输出的PWM脉冲频率同时通过调节SG3525的9脚电压来改变输出脉宽输出交流频率的控制 对输出频率的控制也可以通过改变SG3525芯片的调制频率来实现的SG3525的脚3(SYN)是输入同步端，可由单片机输出的频率可调的脉冲HSO经缓冲后送入该脚，即可改变SG3525的振荡频率，从而实现输出频率的改变。

如下图所示第30页 共30页。