逆变器控制框图

变频器的工作原理及其应用

变频器是一种静止的频率变换器，可将电网电源的50Hz频率交流电变成频率可调的交流电，作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛。使用变频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率等。

1．变频器组成原理

（1）变频器的基本结构

调速用变频器构成：主电路、控制电路、保护电路

变频器主电路工作原理

变压变频装置结构框图

按照不同的控制方式，交－直－交变频器可分成以下三种方式：

采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图。

可控整流器调压、逆变器调频的控制方式的特点：

在这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数较低。而输出环节多用由晶闸管组成多拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用的较少。

采用不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式，其结构框图。

不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式的特点：

整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压，这种方法克服功率因数较低的缺点；但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点

采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图。

不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式的特点：

在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用（PWM）逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控型电力半导体器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用绝缘双极型晶体管IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为SPWM逆变器，成为当前最有发展前途的一种装置形式。

电压型变频器结构框图：

电压型变频器：

在交－直－交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器

电流型变频器结构框图：

电流型变频器：

当交－直－交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器。

几种典型的交－直－交变频器的主电路。

①交－直－交电压型变频电路

常用的交—直—交电压型PWM变频电路。

交—直—交电压型PWM变频电路采用二极管构成整流器，完成交流到直流的变换，其输出直流电压Ud是不可控的；中间直流环节用大电容C滤波；电力晶体管V1～V6构成PWM逆变器，完成直流到交流的变换，并能实现输出频率和电压的同时调节，VD1～VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管。

②交－直－交电流型变频电路

常用的交－直－交电流型变频电路。

交－直－交电流型变频电路：整流器采用晶闸管构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，输出可控的直流电压U，实现调压功能；中间直流环节用大电感L滤波；逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，完成直流到交流的变换，并实现输出频率的调节。

③交－直－交电压型变频器与电流型变频器的性能比较

绝缘门极晶体管（IGBT）

1．IGBT的结构和基本工作原理

绝缘门极晶体管IGBT也称绝缘栅极双极型晶体管，是一种新发展起来的复合型电力电子器件。

由于它结合了MOSFET和GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低，耐压高和承受电流大的优点，这些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在变频器驱动电机，中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有着主导地位。

（1） IGBT的基本结构与工作原理

1）基本结构

IGBT也是三端器件，三个极为漏极（D）、栅极（G）和源极（S）。

（a) 内部结构 （b）简化等效电路（c）电气图形符号

2）工作原理

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。

开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。

当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。

（2） IGBT的基本特性与主要参数

IGBT的转移特性和输出特性

（a) 转移特性 （b) 输出特性

1）IGBT的基本特性

① 静态特性

IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。

开启电压UGE（th）是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。

UGE（th）随温度升高而略有下降，温度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC时，UGE（th）的值一般为2~6V。

IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。

IGBT的开关过程

2）主要参数

①集电极—发射极额定电压UCES

②栅极—发射极额定电压UGES

③额定集电极电流IC

（3）IGBT的擎住效应和安全工作区

从IGBT的结构可以发现，IGBT电流可能发生失控的现象，就像普通晶闸管被触发以后，即使撤消触发信号晶闸管仍然因进入正反馈过程而维持导通的机理一样，因此被称为擎住效应或自锁效应。

引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是最大允许电压上升率duCE/dt过大（动态擎住效应），温度升高也会加重发生擎住效应的危险。

动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

根据最大集电极电流、最大集电极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作电压（RBSOA）

IGBT的驱动电路

（1)对驱动电路的要求

①IGBT是电压驱动的，具有一个2.5~5.0V的阀值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

②用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UCE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。

③驱动电路中的正偏压应为+12~+15V，负偏压应为-2~-10V。

④IGBT多用于高压场合，故驱动电路应整个控制电路在电位上严格隔离。

⑤驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。

⑥若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。

（2)驱动电路

因为IGBT的输入特性几乎与MOSFET相同，所以用于MOSFET的驱动电路同样可以用于IGBT。

在用于驱动电动机的逆变器电路中，为使IGBT能够稳定工作，要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。

为了使驱动电路与信号电隔离，应采用抗噪声能力强，信号传输时间端的光耦合器件。

基极和发射极的引线应尽量短，基极驱动电路的输入线应为绞合线

为抑制输入信号的振荡现象，基极和发射极并联一阻尼网络。

驱动电路的输出级采用互补电路的形式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。

IGBT基极驱动电路

a) 阻尼滤波 （b) 光电隔离

（3)集成化驱动电路

IGBT有与其配套的集成驱动电路。

这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。

IGBT的保护电路

因为IGBT是的保护主要是栅源过电压保护、静电保护、采用R-C-VD缓冲电路等等。

在IGBT电控系统中设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠工作。

必须保证IGBT不发生擎住效应；具体做法是，实际中IGBT使用的最大电流不超过其额定电流。

1）缓冲电路

几种用于IGBT桥臂的典型缓冲电路。

（a) （ b) （c)

a)图是最简单的单电容电路，适用于50A以下的小容量IGBT模块，由于电路无阻尼组件，易产生LC振荡，故应选择无感电容或串入阻尼电阻RS；

b)图是将RCD缓冲电路用于双桥臂的IGBT模块上，适用于200A以下的中等容量IGBT；

c)图中，将两个RCD缓冲电路分别用在两个桥臂上，该电路将电容上过冲的能量部分送回电源，因此损耗较小，广泛应用于200A以上的大容量IGBT。

（2）IGBT的保护

过电流保护措施主要是检测出过电流信号后迅速切断栅极控制信号来关断IGBT。

实际使用中，要求在检测到过电流后，通过控制电路产生负的栅极驱动信号来关断IGBT。只要IGBT的额定参数选择合理，10内的过电流一般不会使之损坏。

采用集电极电压识别方法的过流保护电路。

集电极电压识别方法的过流保护电路

为了避免IGBT过电流的时间超过允许的短路过电流时间，保护电路应当采用快速光耦合器等快速传送组件及电路。

检测发射极电流过流的保护电路。

模拟芯片SG3525：PWM驱动设计

SG3525是一款广泛应用的PWM控制器，由多家制造商生产，如ST Microelectronics、Fairchild Semiconductors、On Semiconductors等。它广泛用于DC-DC转换器、DC-AC逆变器、家用UPS系统、太阳能逆变器、电源、电池充电器等众多应用。在进行详细描述和应用前，我们先来看看其框图和引脚布局。

SG3525的引脚介绍如下：

1. 引脚1（反相输入）和2（非反相输入）是板载误差放大器的输入，实现对PWM关联的“反馈”的占空比的增加或减少。

2. Pin1和Pin2用于负反馈，实现输出的稳定。当INV IN和NINV IN电压相等时，SG3525产生的占空比不再变化。通过调整电路输出到INV IN，NINV IN接到VREF，可实现INV IN跟随VREF。通过调整分压比例实现对输出的稳压控制。

3. Pin5连接电容CT再接地，Pin6连接电阻RT再接地，Pin7和Pin5之间接电阻RD用于电容CT放电，决定死区时间。PWM的频率取决于定时电容和定时电阻。定时电容（CT）连接在引脚5和地之间。定时电阻（RT）连接在引脚6和地之间。引脚5和7（RD）之间的电阻决定了死区时间（也会稍微影响频率）。频率与RT、CT和RD的关系如下：

4. 频率公式：RT和RD以Ω为单位，CT以F为单位，f以Hz为单位。RD的典型值在10Ω至47Ω范围内。可用值的范围（由SG3525制造商指定）为0Ω至500Ω。RT必须在2kΩ至150kΩ范围内。CT必须在1nF（代码102）至0.2μF（代码224）范围内。振荡器频率必须在100Hz至400kHz范围内。

5. PIN8是软起动功能，连接在引脚8和地之间的电容提供软启动功能。电容越大，软启动时间越长。这意味着从0%占空比变为所需占空比或最大占空比所需的时间更长。通过调整分压比例实现对输出的稳压控制。

6. PIN16是电压参考部分的输出，SG3525包含一个额定电压为+5.1V的内部电压参考模块，经过调整可提供±1%的精度。此参考通常用于向误差放大器提供参考电压，以设置反馈参考电压。它可以直接连接到其中一个输入，也可以使用分压器进一步降低电压。

7. PIN15是VCC芯片供电引脚，使SG3525运行。VCC必须在8V至35V范围内。SG3525具有欠压锁定电路，当VCC低于8V时，该电路可阻止运行，从而防止错误操作或故障。

8. PIN13是VC驱动电压，引脚13是SG3525驱动器级的电源电压，连接到输出图腾柱级中的NPN晶体管的集电极。因此得名VC。VC必须在4.5V至35V的范围内。输出驱动电压将比VC低一个晶体管的电压降。因此，在驱动功率MOSFET时，VC应在9V至18V的范围内（因为大多数功率MOSFET需要至少8V才能完全导通，并且最大VGS击穿电压为20V）。对于驱动逻辑电平MOSFET，可以使用较低的VC。必须小心确保不超过MOSFET的最大VGS击穿电压。同样，当SG3525输出馈送到另一个驱动器或IGBT时，必须相应地选择VC，同时牢记馈送或驱动设备所需的电压。当VCC低于20V时，通常将VC连接到VCC。

9. PIN12是接地连接，应连接到电路接地。它必须与其驱动的设备共用接地。

10. PIN11和PIN14是输出，驱动信号将从这些输出中获取。它们是SG3525内部驱动器级的输出，可用于直接驱动MOSFET和IGBT。它们的连续电流额定值为100mA，峰值额定值为500mA。当需要更大的电流或更好的驱动时，应使用使用分立晶体管的进一步驱动器级或专用驱动器级。同样，在驱动导致SG3525功率耗散和发热过多的设备时，应使用驱动器级。当以桥式配置驱动MOSFET时，必须使用高低侧驱动器或栅极驱动变压器，因为SG3525仅设计用于低侧驱动。

11. PIN10是高电平时快速关断，通常接低电平。引脚10为关机。当此引脚为低电平时，PWM启用。当此引脚为高电平时，PWM锁存器立即设置。这为输出提供了最快的关机信号。同时，软启动电容器通过150μA电流源放电。关闭SG3525的另一种方法是将引脚8或引脚9拉低。但是，这不如使用关机引脚那么快。因此，当需要快速关机时，必须向引脚10施加高信号。此引脚不应悬空，因为它可能会拾取噪声并导致问题。因此，此引脚通常通过下拉电阻保持在低电平。

12. PIN9为补偿，与PIN1一起用于补偿反馈信号。引脚9为补偿，可与引脚1配合使用，提供反馈补偿。

在了解了每个引脚的功能后，我们来设计一个实际应用电路。为了设计一个以50kHz运行的电路，驱动MOSFET（采用推挽配置），该MOSFET驱动铁氧体磁芯，然后升压高频交流电，然后整流和滤波，以产生290V稳压输出直流电，可用于运行一个或多个CFL。电路设计包含以下参数和步骤：

1. 电源电压已提供，并已接地。VC已连接到VCC。在电源引脚上添加了一个大容量电容器和一个去耦电容器。去耦电容器（0.1μF）应尽可能靠近SG3525。始终在所有设计中使用它。也不要省略大容量电容器，尽管您可以使用较小的值。

2. 引脚5、6和7提供了死区时间。在引脚6和地之间连接RT，在引脚5和地之间连接CT。RD=22Ω，CT=1nF（代码：102），RT=15kΩ。这给出了振荡器频率：由于振荡器频率为94.6kHz，开关频率为0.5*94.6kHz=47.3kHz，这足够接近我们的目标频率50kHz。如果需要50kHz的精度，可以使用电位器（可变电阻器）与RT串联并调整电位器，或者使用电位器（可变电阻器）作为RT，尽管我更喜欢第一种方法，因为它允许微调频率。

3. 引脚8提供了一个小型软启动电容，避免使用过大的软启动，因为使用CFL时，占空比缓慢增加（因此电压缓慢增加）会导致问题。

4. 引脚10通过上拉电阻上拉至VREF。因此，PWM被禁用并且不运行。但是，当开关打开时，引脚10现在处于接地状态，因此PWM被启用。我们利用了SG3525关机选项（通过引脚10），开关就像一个开/关开关。

5. 引脚2连接至VREF，因此电位为+5.1V（±1%）。转换器的输出通过电阻为56kΩ和1kΩ的分压器连接至引脚1。电压比为57:1。在反馈“平衡”时，引脚1处的电压为5.1V，这也是误差放大器的目标-调整占空比以调整引脚1处的电压，使其等于引脚2处的电压。因此，当引脚1处的电压为5.1V时，输出电压为5.1V*57=290.7V，这足够接近我们的290V目标。如果需要更高的精度，可以将其中一个电阻器替换为电位器或与电位器串联，并调整电位器以提供所需的读数。

6. 引脚1和9之间的电阻和电容的并联组合提供反馈补偿。反馈补偿是一个大话题，这里不详细讨论。

7. 引脚11和14驱动MOSFET。栅极上串联有电阻，用于限制栅极电流。栅极至源极的电阻可确保MOSFET不会意外开启。

总之，参考《EDA设计智汇馆高手速成系列_SABER电路仿真及开关电源设计》，也有SG3525的Saber仿真实例。搬运链接：Using the SG3525 PWM Controller - Explanation and Example: Circuit Diagram / Schematic of Push-Pull Converter

下垂控制的原理是什么?

下垂控制的原理在于模仿传统发电机的频率下降特性曲线，作为微源的控制方式。这种控制方法通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制分别对微源输出的有功功率和无功功率进行控制，实现无须机组间通信协调的即插即用和对等控制，确保孤岛环境下微电网内电力平衡和频率统一，展现出简单可靠的特点。

在电机学中，发电机的功角特性曲线揭示了有功功率和无功功率与电压和功角之间的关系。通过控制电压U和功角，可以调整有功功率P和无功功率Q。反之，通过调整P和Q，同样能控制U和功角。

微电网中的常规下垂控制通过模拟传统发电机的特性，实现微电源的并联运行。各逆变单元检测自身输出功率，并根据下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，各自调整输出电压幅值和频率，以合理分配系统有功和无功功率。

逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为w0、U0分别为逆变器输出的额定角频率、额定电压，kp、kq为逆变器下垂系数，P、Q为实际输出的有功功率和无功功率，P0、Q0为逆变器额定有功和无功功率。

在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感时，可以推导出三相逆变器常规的P-f和Q-U下垂控制框图。然而，不同电压等级的线路阻感比不同，在电压较低的线路中，阻感比较高，常规下垂控制可能不再适用。因此，提出了一种改进型功率耦合下垂控制策略，以考虑线路阻抗影响，实现对有功功率和无功功率的耦合调节。

逆变电源输出的有功功率P和无功功率Q通过耦合关系影响电压和频率。通过数学推导，得出考虑阻感比的通用下垂控制表达式，以适应低压微电网控制需求。对比常规下垂控制表达式，当线路阻感比r=0时，即为常规控制。

改进后的控制框图充分考虑了不同电压等级下线路阻抗的影响，实现了对有功功率和无功功率的更精确控制，从而确保微电网内电力平衡和频率统一。

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