三相电压型逆变电路驱动控制研究

张丽红

【摘 要】采用单片机控制三相桥式逆变电路开关器件的触发信号，使其按设定的要求进行控制。本文通过编制驱动电路由一个三相桥式IGBT的驱动信号，在Proteus环境中进行仿真，并搭建了硬件实验电路，通过两种方案对所设计的电路进行了验证，通过测试验证了设计的正确性和合理性。

【关键词】单片机;逆变器;驱动控制;换流方式

中图分类号： TG155.2文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）27-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.017

0 引言

开关电源的应用范围较广，大到电力设备的变电系统，小到日常的手机充电器，对开关电源的研究仍是目前的一个研究热点。开关电源已向着高频、大功率、小体积的方向发展，电力电子装置中核心单元的开关器件具有频率高、转换速率快的特点。目前在电力电子装置高压大电流的应用领域上，IGBT的应用具有绝对优势。IGBT管结合了GTR和MOSFET二者的优点，具有开关速度快，耐压能力高，热稳定性能好等优点，基于IGBT的驱动电路也已经成为电力电子应用领域中的核心产品。IGBT的导通或断开均是采用PWM控制的方式，就开关本身来说通断是一个不连续的过程，调节占空比，可以得到不同的控制方式。

1 三相电压逆变电路的原理

三相逆变电路有电压型和电流型两种类型。电压型三相桥式逆变电路是指由电压型直流电源供电的逆变电路。它的直流侧为电压源，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。电压型逆变电路主要应用于各种直流电源中，如UPS、有源滤波器、不可逆传动或稳速系统以及对快速性要求不高的驱动场合。电流型三相桥式逆变电路是指由电流型直流电源供电的逆变电路，一般直流侧串联大电感，电流脉动小，可近似看成直流电流源。电流型逆变电路常用于加减速频繁或需要经常反向的电机拖动系统。下面以三相电压型逆变电路进行分析。

图1中开关器件V1～V6是采用IGBT的电压型三相桥式逆变电路，其直流侧串联的两个电容器中间标出假想的中点N。在三相电压型桥式逆变电路中，每相桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°，任一瞬间有三个桥臂同时导通，采用纵向换流方式进行换流。

2 开关器件的驱动电路

三相桥式电压型逆变电路中采用IGBT开关管，在使用时需要驱动电路，才能使IGBT管子正常地开通和关断。IGBT的驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT 栅极的电隔离;二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。驱动信号采用51单片机的6个I/O口输出6路控制信号分别控制6个开关管，以达到三相逆变的目的。采用定时器分时上下拉来确定6路信号的相位关系。

2.1 程序代码片段

#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中的一项进行分析，以U相输出进行说明。在三相桥式电压型逆变电路中，当桥臂1导通时，，当桥臂4导通时，uUN'=Ud/2。所以，uUN'的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相似，uVN'、uWN'的波形形状和相同，在相位上依次相差120°。uUN'、uVN'、uWN'的波形如图2 中的a、b、c所示。

负载线电压uUV、uVW、uWU分别为：

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

设负载中点N与直流电源假象点N之间的电压为uNN'，则负载各相的相电压分别为：uWN=uWN'-uNN'，uUN=uUN'-uNN'，uVN=uVN'-uNN'。

4 硬件电路设计及结果分析

在Proteus环境下搭建的硬件驱动电路仿真的原理图如下如图3所示。在搭建实际电路时，还涉及电力电子装置中功率开关器件IGBT的驱动与保护技术。  搭建硬件电路时设计了两套方案，方案一是采用三极管模拟开关管来控制电路的通断，方案二是将MOS管作为开关管。方案一采用了1个450μF的电容，3个1000Ω的电阻和6个NPN型小功率三极管C9014。

方案二采用了6个低压MOS管IR7843组成逆变电路。在实验中单片机提供的5V驱动信号不足以驱动MOS，因此采用了半桥驱动电路将一路信号放大至两路反向的12V信号来驱动MOS管，使MOS管正常导通以实现逆变目的。

搭建实验电路，用示波器测试驱动信号波形图如图4所示，与理想工作波形一致。经由方案一和方案二得到实际实际硬件电路中每相的输出电压波形，与工作波形的理想波形基本一致，验证了设计的合理性和可行性，为进一步研究三相电压型逆变电路的工作特性打下了基础，拓展了研究思路，有一定的工程應用价值。

【参考文献】

[1]Wei Zhang， Kun Wang ，Senlin Yang，Design and Research of Electronic Switch based on Proteus Circumstance，IOP Conf. Series： Journal of Physics： Conf. Series，1176（2019）062022.

[2]ZHANG Wei， the Electromagnetic Interference Model Analysis of the Power Switching Devices， TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering， Vol 11，No.1，January2013，pp：167-172.

[3]赵莉华.电力电子技术[M].机械工业出版社，2015.5（2），pp：180-186.

[4]王超，朱立超，邬丰羽.基于MATLAB的三相PWM整流/逆变电路仿真研究[J].通信电源技术，2017，34（5），pp：24-25，28.