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电子触发器的工作原理分析

文/ 发布于2017-09-28 浏览次数：5750

　　触发器原理分析

　　JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。

　　JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。

　　1.CP=0时，触发器处于一个稳态。CP为0时，G3、G4被封锁，不论J、K为何种状态，Q3、Q4均为1，另一方面,G12、G22也被CP封锁,因而由与或非门组成的触发器处于一个稳定状态，使输出Q、Q状态不变。

　　2.CP由0变1时，触发器不翻转，为接收输入信号作准备。

　　JK触发器电路图：

　　设触发器原状态为Q=0，Q=1。当CP由0变1时，有两个信号通道影响触发器的输出状态，一个是G12和G22打开，直接影响触发器的输出，另一个是G4和G3打开，再经G13和G23影响触发器的状态。前一个通道只经一级与门，而后一个通道则要经一级与非门和一级与门，显然CP的跳变经前者影响输出比经后者要快得多。在CP由0变1时，G22的输出首先由0变1，这时无论G23为何种状态(即无论J、K为何状态)，都使Q仍为0。由于Q同时连接G12和G13的输入端，因此它们的输出均为0，使G11的输出Q=1，触发器的状态不变。CP由0变1后，打开G3和G4，为接收输入信号J、K作好准备。

　　3.CP 由1变0时触发器翻转　　设输入信号J=1、K=0，则Q3=0、Q4=1，G13和G23的输出均为0。当CP 下降沿到来时,G22的输出由1变0,则有Q=1，使G13输出为1，Q=0，触发器翻转。虽然CP变0后，G3、G4、G12和G22封锁，Q3=Q4=1，但由于与非门的延迟时间比与门长(在制造工艺上予以保证),因此Q3和Q4这一新状态的稳定是在触发器翻转之后。由此可知,该触发器在CP下降沿触发翻转，CP一旦到0电平，则将触发器封锁，处于(1)所分析的情况。

　　总之，该触发器在CP下降沿前接受信息，在下降沿触发翻转，在下降沿后触发器被封锁。

　　触发器工作原理

　　在溅镀ITO层时，不同的靶材与玻璃间，在不同的温度和运动方式下，所得到的ITO层会有不同的特性。一些厂家的玻璃ITO层常常表面光洁度要低一些，更容易出现“麻点”现象；有些厂家的玻璃ITO层会出现高蚀间隔带，ITO层在蚀刻时，更容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带；另一些厂家的玻璃ITO层则会出现微晶沟缝。

　　ITO导电层的特性：

　　ITO膜层的主要成份是氧化铟锡。在厚度只有几千埃的情况下，氧化铟透过率高，氧化锡导电能力强，液晶显示器所用的ITO玻璃正是一种具有高透过率的导电玻璃。由于ITO具有很强的吸水性，所以会吸收空气中的水份和二氧化碳并产生化学反应而变质，俗称“霉变”，因此在存放时要防潮。

　　ITO层在活性正价离子溶液中易产生离子置换反应，形成其它导电和透过率不佳的反应物质，所以在加工过程中，尽量避免长时间放在活性正价离子溶液中。

　　ITO层由很多细小的晶粒组成，晶粒在加温过程中会裂变变小，从而增加更多晶界，电子突破晶界时会损耗一定的能量，所以ITO导电玻璃的ITO层在600度以下会随着温度的升高，电阻也增大。

　　ITO导电玻璃的分类：

　　ITO导电玻璃按电阻分，分为高电阻玻璃（电阻在150~500欧姆）、普通玻璃（电阻在60~150欧姆）、低电阻玻璃（电阻小于60欧姆）。高电阻玻璃一般用于静电防护、触控屏幕制作用；普通玻璃一般用于TN类液晶显示器和电子抗干扰；低电阻玻璃一般用于STN液晶显示器和透明线路板。

　　ITO导电玻璃按尺寸分，有14”x14”、14”x16”、20”x24”等规格；按厚度分，有2.0mm、1.1mm、0.7mm、0.55mm、0.4mm、0.3mm等规格，厚度在0.5mm以下的主要用于STN液晶显示器产品。

　　ITO导电玻璃按平整度分，分为抛光玻璃和普通玻璃。

　　透明导电氧化物薄膜主要包括Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｂ和Ｃｄ的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性。透明导电薄膜以掺锡氧化铟（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ，ＩＴＯ）为代表，广泛地应用于平板显示、太阳能电池、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。平板显示器市场广阔，被认为具有比半导体产业更高的增长率，特别是液晶显示器（ＬＣＤ）具有体积小、重量轻、能耗低、无辐射、无闪烁、抗电磁干扰等特点，广泛应用于笔记本电脑、台式电脑、各类监视器、数字彩电和手机等电子产品，以全球显示器市场来看，ＬＣＤ产值远高于其他显示器。透明导电薄膜是简单液晶显示器的三大主要材料之一，随着ＬＣＤ产业的发展，市场对ＩＴＯ透明导电膜的需求也随之急剧增大。

　　ＩＴＯ薄膜的制备方法多样，研究较多的制备方法为磁控溅射法，另外还有真空蒸发法、化学气相沉积法、喷涂法、溶胶－凝胶法等方法。其中，溶胶－凝胶法的优点是生产设备简单、工艺过程温度低，易实现制备多组元且掺杂均匀的材料。

　　采用溶胶－凝胶法制备ＩＴＯ薄膜多以铟、锡的有机醇盐为前驱物。以铟、锡的无机盐为前驱物，采用溶胶－凝胶法制备的ＩＴＯ薄膜，比以有机醇盐为前驱物的溶胶－凝胶法制备成本低，该方法制备ＩＴＯ薄膜具有生产设备简单、成本低的优势。本文以氯化铟和氯化锡为前驱物，采用溶胶－凝胶法制备ＩＴＯ薄膜，探索以铟、锡的无机盐为前驱物制备ＩＴＯ薄膜的方法。

　　液晶显示器现已成为技术密集，资金密集型高新技术产业，透明导电玻璃则是LCD的三大主要材料之一。液晶显示器之所以能显示特定的图形，就是利用导电玻璃上的透明导电电膜，经蚀刻制成特定形状的电极，上下导电玻璃制成液晶盒后，在这些电极上加适当电压信号，使具有偶极矩的液晶分子在电场作用下特定的方面排列，仅而显示出与电极波长相对应的图形。

　　在氧化物导电膜中，以掺Sn的In2O3（ITO）膜的透过率最高和导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出微细的图形。其透过率已达90%以上，ITO中其透过率和阻值分别由In2O3与Sn2O3之比例来控制，通常SnO2：In2O3=1：9。

　　ITO是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡，ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，通常有两回事个主要的性能指针：电阻率和光透过率。

　　目前ITO膜层之电阻率一般在5*10-4左右，最好可达5*10-5，已接近金属的电阻率，在实际应用时，常以方块电阻来表征ITO的导电性能，其透过率则可达90%以上，ITO膜之透过率和阻值分别由In2O3与Sn2O3之比例控制，增加氧化锢比例则可提高ITO之透过率，通常Sn2O3： In2O3=1：9，因为氧化锡之厚度超过200？时，通常透明度已不够好---虽然导电性能很好。

　　如用是电流平行流经ITO脱层的情形，其中d为膜厚，I为电流，L1为在电流方向上膜厚层长度，L2为在垂直于电流方向上的膜层长主，当电流流过方形导电膜时，该层电阻R=PL1/dL2式中P为导电膜之电阻率，对于给定膜层，P和d可视为定值，P/d，当L1=L2时，怒火正方形膜层，无论方块大小如何，其电阻均为定值P/d，此即方块电阻定义： R□=P/d，式中R□单位为：奥姆/□（Ω/□），由此可所出方块电阻与IOT膜层电阻率P和ITO膜厚d有关且ITO膜阻值越低，膜厚越大。

　　目前在高档STN液晶显示屏中所用ITO玻璃，其R□可达10Ω/□左右，膜厚为100-200um，而一般低档TN产品的ITO玻璃R□为100-300Ω/□，膜厚为20-30um。

　　在进行LCD走线设计时，由ITO阻计算方式，可知影响ITO阻值有如下因素：

　　1、ITO玻璃之方块电阻

　　要确保走线电阻小，应酬让ITO玻璃方块电阻小，因为R□=P/d，则必须选P小，d适当大些的材料。

　　2、L1/L2

　　L1/L2即走线在平行电流方向与垂直电流方向上的长度比，在R□一定时，要保证走线电阻值小，就要让L1/L2小，当L1一定时，只有增大L2，也说法是在设计时，走线应尽可能加宽;而当L2一定时，L1就要小，即走线宽度一定时，细线应尽可能短。

　　3、在LCD显示屏设计当中，不仅要考虑走线布对ITO阻值的影响，还要考虑生产工艺对ITO阻值的影响，以便选择适当方块电阻的ITO玻璃，以便设计到制作的全面控制，生产高对比的LCD产品，这时高占空比及COG产品无为重要，如ITO膜厚的均匀性，因为ITO的耙材及工艺的为稳定，会使同样长度与宽度的ITO阻值发生变化，如目标值为10Ω时，其R□范围在8-12Ω之间，所以在生产中要使用ITO膜厚均匀的导电玻璃，以减少电阻的变化，其次为ITO玻璃的耐高温时性，酸碱性，因为通常LCD生产工艺中要使用高温烘烤及各种酸碱液的浸泡，而一般在300°C *30min的环境中，会使R□增大2-3倍，而在10wt%NaOH*5min及6wt%HCL*2min（60°C）下也会增到1。1倍左右，由此可知，在生产工艺中不宜采用高温生产及酸碱的长时清洗，若无法避免，则应尽量在低温下进行并尽量缩短动作时间。

　　4、由于在液晶显示器中，ITO方块电阻等效于电路图中的分压电阻，其阻值大小直接影响电路两端电压的大小，即方块电阻越大，LCD值电压越大。有数据表明，ITO之方块电阻由100Ω/□降至60Ω/□。（Cell Gap为6um）左右，Vth值会降低0。03V左右。

　　光电显示透明导电膜玻璃

　　机器博弈是人工智能学科的一个重要研究方向，被称为人工智能领域的“果蝇”，是检验人工智能发展水平的一个重要方面。国内外研究专用博弈集成电路系统的成果还较少，基本上都是采用高性能或多CPU的计算机来实现，使系统像大型服务器那样庞大。因此，本文以牛角棋为载体，进行机器博弈算法硬件实现技术的研究，使用片上可编程系统(System on a Programmable Chip，SoPC)开发了完整的牛角棋的双人博弈系统。进而为开发体积小、实时性能高的机器博弈专用硬件板卡系统进行探索。

　　1 牛角棋博弈软件设计

　　1．1 系统总体结构

　　根据牛角棋博弈系统的功能需求分析，将系统进行模块划分，系统总体功能结构如图1所示。

　　1．2 招法生成

　　招法生成模块提供了在局面中选出所有可行招法的功能，从而为正确地展开博弈树提供了支持。

　　1．2．1 牛角棋的数字化描述

　　为了让计算机下棋，首先就要将所有的棋局元素，包括棋盘、棋子、棋局、着法、规则、知识等通过数字化(编码)成为数据元素，而各种数据元素再以特定的关系构成相应的数据结构进行存储和处理。

　　牛角棋的棋盘和棋子编码如图2所示。12个棋位编码为0～11，红子用0表示，两黑子分别用1和2表示。这样初始棋局便可有两种形式的表示：

　　(1)棋位向量(0，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，1，2)；

　　(2)棋子向量(11，10，0)。

　　1．2．2 招法的形式化描述

　　用表示红蓝3枚棋子在第n步时的棋位，第n步时刻的棋位向量的形式化描述为状态Sn：

　　式中qn+1为第n+1时刻的招法。

　　由于红子走子方向不受限制，可上可下，可横走，只能走向空位，不得跳跃。所以红方棋子可以表述为：

　　蓝方的棋子走棋方向受到限制，只能上不能下，可以横走，只能走向空位，不得跳跃。故蓝方的两枚棋子可以描述为：

　　1．2．3 预置表招法生成

　　预置表可看作一个可快速检索到满足某些简单条件的、预先生成的招法列表的知识库。

　　对照图2棋盘的编码方式，参照牛角棋的规则，一种预置招法表的设计方案如图3所示。

　　preTable是三维的预置表，其中的两个高维度分别代表了2个条件：

　　(1)棋子的颜色是什么；

　　(2)棋子处在什么位置上。

　　在明确上述两个条件的具体值之后，就可以获得全部可行着法的列表。由于预置表是频繁访问的数据，所以，预置表占用的空间不应太大，而且执行时应以能够载入内存为宜，所以针对具体棋类还须因地制宜地采用一些技巧。

　　1．3 搜索控制

　　在解决机器博弈问题中，搜索是机器博弈的核心，他控制着系统各个模块的调用，他效率的高低直接影响搜索的速度，是决定整个博弈系统棋力高低的首要因素。

　　首先，他调用招法生成模块，对当前局面产生所有可能的招法并将产生的招法保存到招法列表中。然后，判断当前局面是否有获胜方，如果有获胜方返回当前局面的估值；否则再判断是否是叶子节点，如果是叶子节点，调用估值模块对当前局面进行估值并将其返回；如果不是叶子节点则按照当前招法走一步棋并且调用自身将刚生成的节点展开，此过程一直持续下去直到分出胜负或者搜索到叶子节点。接着，按照走法将当前局面撤销，退到没有走棋时的局面。然后判断是否需要剪枝。以上过程反复执行，将庞大的博弈树一层一层展开以搜索最佳招法，并将其输出。

　　在NiosⅡ系统中，使用递归调用的方式来实现搜索算法，使用负极大值算法(Negamax algorithm)，并且采用固定深度的深度优先搜索，同时配合α-β剪枝技术来搜索最佳招法。

　　1．4 局面评估

　　对叶子结点所对应的局面打分是估值函数的职责，通过对局面的量化值来表示局面的好坏，而博弈树的其他节点的值则通过算法从叶子节点返回得到。函数的输入是待评估的函数，输出是一个数值。

　　博弈树的叶子结点是需要调用估值函数加以估值的结点。而博弈树的中间结点和根节点的分值，均可利用极大极小原理从叶子节点的取值倒推出来。除了残局阶段，搜索树中的大部分叶子结点，都是未分胜负的结点，需要估值函数对该局面做出评价，并以数值的形式反映优劣程度。一般地，将所有特征的取值的加权和作为估值函数值。局面p的估值函数V(p)，一般形式如下：

　　式中：fi表示特征；wi表示权值。

　　需要注意到是，对于负极大值算法中叶子节点的估值必须对那一方走棋敏感，评估模块设置使能信号，在搜索状态机发出评估使能信号后，评估模块立即对当前局面进行评估并在一定的延时后返回局面的评估值。如果评估使能信号无效，评估模块的输出保持在高阻态，不对局面进行评估。

　　2 牛角棋博弈系统硬件设计

　　本系统的处理器为NiosⅡ嵌入式软核处理器。NiosⅡ是Altera公司提出的数字系统SoPC解决方案，使得处理器可配置到可编程逻辑器件之中，因此被称为软核处理器。NiosⅡ软核处理器与常见的微控制器相似，它们都是在一个芯片上包含了处理器、存储器、以及输入／输出电路等功能模块。相对于微控制器，NiosⅡ软核处理器最大的特点为它是一种软核、可配置的系统。软核表示处理器的目标器件只有在下载设计文件后才具备处理器的功能；可配置意味着处理器系统的组成和性能可以根据需要进行调整。另外，系统还包含计时模块和PLL分频模块，硬件系统主要包括NiosⅡ快速型内核、SDRAM、三态桥(tristate bridge)cfi控制器、sysid和并行输入输出(pio)。对系统的各个模块添加和配置完成之后，可以使用SoPC Builder自动配置各个模块的的地址和系统的中断。

　　3 测试结果

　　该设计采用的开发板为A1tera公司的DE2 FPGA开发板，板上的FPGA为CycloneⅡ系列，芯片的型号为EP2C35F672C2。

　　SoPC系统配置完成以后，在原理图中将系统各个模块的硬件系统进行连接，生成硬件系统原理图。之后，对系统进行综合、时序分析等操作，完成硬件系统的调试。接着对FPGA的引脚进行锁定，然后将硬件系统全编译生成FPGA配置文件用于配置FPGA。在使用QuartusⅡ将SoPC系统硬件配置到FPGA之后即可在NiosⅡIDE中对系统的软件进行在线调试。

　　博弈树的搜索最大层数设置为15层，对系统重新进行编译成功以后将FPGA配置文件和软件一起下载到FPGA上进行验证，图4为验证过程中的一些局面。其中(a)为游戏开始时的局面，蓝方2枚棋子和红方棋子的棋位分别为11，10，0，图中显示的是十六进制，此时机器等待用户选择走棋方；(b)为游戏过程中的一个局面，此时蓝方2枚棋子和红方棋子的棋位分别为9，6，4；(c)是游戏结束时的局面，此时红子被蓝子憋在牛角尖处无法移动，蓝方获胜，LEDG7闪亮。

　　在SoPC系统中，设置的最大搜索层数为15层。从上面的结果可以看出，每个局面搜索时间最大为2 s，满足系统设计是的性能要求：最大搜索深度大于10层；每个局面最大搜索时间最大不超过3 s。针对系统的智能性和速度方面的测试结果如表1所示。选10个人每人做10次实验，共计100次实验，对实验结果进行综合分析得到数据如表1所示。

　　从上面结果可以看出：系统的智能性还有待提高，这主要是为了使系统搜索更快而降低搜索层数导致的结果。

　　4 结语

　　本文以牛角棋的博弈过程为研究载体，论述了机器博弈系统的设计和实现过程。实验结果表明本文方法具有较好的智能性和实时性。随着现代集成技术的发展，FPGA的规模和速度不断提高。更加丰富的逻辑资源和嵌入了RAM块，使得利用FPGA技术设计复杂度很高的棋类博弈系统(如中国象棋)成为可能。

　　博弈电路系统设计

　　变频电源产品功能特征:

　　■ 广泛的使用范围：针对世界各地不同电源种类，使用者不仅可以模拟其电压和频率（47~63Hz）作测试应用，还可以支援400Hz频率的国防军事侦测、航空电子及航海、通讯等应用设备。

　　■ 纯净化输出电源品质：双重电力转换，提供纯净可靠的正弦波电力输出。不但是研发和实验室的最佳电源，也是EMI/EMC等安规测试的标准电源。

　　■ 稳定性佳：输出负载稳压率≤±1%，输出频率≤0.01%。[其输出频率是由石英振荡器（如手表内计时零件）所振荡产生，故拥有非常稳定、精确的频率]

　　■ 高效率IGBT模组：省电、省能源、省钱。采用新型 IGBT 模组，能推动大工作输出电流，提升产品品质及稳定度，减少电力损耗及干扰。

　　■ 简便又省时的三档预设输出电压范围供高、低电压模拟用：三档快速切换，直接模拟负载的电压容许范围。不需来回设定，既提高其准确性，且省时又省事。

　　高档：标准设定电压的+10% ~ +25%；中档：标准设定电压；低档：标准设定电压的-10% ~ -30%

　　■ 直接切换选择的输出频率档：47~63Hz、50Hz、60Hz、400Hz、2倍频、4倍频可以供变压器等线圈制品作层间耐压绝缘测试。

　　■ 快暂态反应速度：对100%的除载/载入，输出负载稳压率在反应时间内，可立即稳定在±1%（线性负载）。

　　■ 超强过载能力：容许100%满载长延时使用；可以承受瞬间负载容量超过3倍额定电流，并且不会造成电压压降。

　　■ 安全的多项保护功能：具过电压、过电流、过高温、短路保护及告警装置。遇异常状况时，本机的电子电路会自动感应并立即跳脱，

　　同时发出告警声通知使用者做紧急状况处理。

　　■ 适合各项负载使用：不论是纯阻性、容性、电感性或非线性负载都可以使用。

　　变频电源产品应用目的：

　　变频电源其主要特点是提供纯净可靠的正弦波电力输出、低谐波失真、高稳定度的频率和稳压率。可模拟世界各地不同电压及频率的输出特性，涵盖了各产业的需求，完全符合工程师在设计开发、生产线测试及品保的产品检测、寿命、过高压/过低压模拟测试等应用。此外，还可以支援400Hz高频率的航空电子及军事上的设备。例如：

　　■ 外销电器/电子/电机制造厂：外销产品在研发、制造、品管及寿命试验过程，需模拟世界各地不同电压/频率，以免产品外销到目的国家不能使用。如家电制品、电子安定器、电脑相关产品等，在产品外销前，需做50Hz±5%或60Hz±5%的检验。

　　■ 交换式电源供应器 / 变压器测试：几乎所有电器产品都在电源输入端，会有输入变压器或者交换式电源供应器，但是：

　　1. 它需要模拟不同的电压及频率，作输入电压容许变动范围的测试（一般在±10%~±20%之间）以及电力公司输入频率变动时，是否会影响电器产品特性的检测（一般输入频率的容许范围为±5%）；

　　2. 它的体积、消耗功率、使用效率、激磁电流和产品的散热都和频率有关；

　　3. 因产品工作频率愈高，体积愈小，才能满足轻薄短小的时代要求；在军事航空及船舶方面，更需400Hz的供电要求。

　　■ 压缩机/马达相关产品制造厂：如吸尘器、洗衣机、空调设备、冷气机、电冰箱、雷射印表机、CNC设备等制品。在研发、生产、品管及使用过程中需要：

　　1. 纯净的正弦波，才不会影响其运转，甚至造成不可恢复的损坏；

　　2. 准确的工作频率，才不会影响其转速；

　　3. 变动的频率，以吻合变频家电及变频设备的时代趋势；

　　4. 2倍频和4倍频的层间耐压绝缘测试；

　　5. 耐瞬间大启动电流冲击的静态变频电源（无输出隔离变压器的变频电源不适用）。

　　■ 实验室及商品标准检验单位需要：

　　1. 纯净无干扰的标准交流电源。具有高稳定度的电压及频率，纯净的正弦波输出电力的最佳交流电源；

　　2. 电磁兼容性（EMC）测试；

　　3. 电压和频率模拟测试。如此才能提供有公信力的产品检测。

　　■ 输出400Hz专用电源（可选）：军用系统、航空设备、航海系统、超级电脑的交换式电源供应器等，对体积小、重量轻、高效率的要求非常重要。

　　变频电源功能种类

　　本文将矩阵变换器中的直流变换到三相交流的拓扑和高频链技术相结合，提出了一种新型控制策略。该控制策略利用工作于PWM调制模式的高频逆变桥生成的高频环电压方波经高频变压器升压后作为后级矩阵变换器的输入。对于后级矩阵变换器，利用“拓扑解耦”思想将其解耦成两个常规的电压源逆变器，从而可将常规电压源逆变器的控制方法引入其中，分别对单个电压源逆变器进行控制，最后通过后级矩阵变换器功率器件适当的开关组合，将高频环方波整形成单极性的高频脉冲，经过滤波器后输出与调制波同频率的低频正弦波。将PWM控制策略和高频变压器构成高频链并与矩阵变换器拓扑相结合也是本文的创新点所在。对所提控制策略进行了实验研究，实验结果验证了该控制策略的可行性。

　　1 电路拓扑及控制策略

　　直流变换到三相交流矩阵式高频链逆变器的主电路拓扑如图1所示。主电路的前级由单相全桥电路和高频变压器组成高频逆变桥，后级由矩阵变换器和输出滤波电路组成。高频逆变桥生成的高频环方波由矩阵变换器对其进行解调，由滤波电路滤除高次谐波，从而在输出滤波电路两端解调到与调制波同频的交流脉冲电压，控制结构框图如图2所示。

　　对于主电路后级，属于单相交流(输入信号是高频交流环方波)到三相交流的矩阵变换器结构，仔细研究发现，通过将后级矩阵变换器进行解耦，即将其分解成两个常规三相电压源逆变器，从而就可以将常规电压源逆变器的控制方法引入其中，大大简化了对后级矩阵变换器的分析。由于前级高频逆变桥输出的是高频交流环方波列，利用解耦控制思想，当高频逆变桥输出正极性脉冲时，让三个双向桥臂上的正极性开关管导通，当输出为负极性脉冲时(所谓“正、负极性”是根据保证桥臂上二极管能导通的方向来确定)，让双向桥臂上的负极性开关管导通，这样就实现了对后级矩阵变换器的解耦控制，如图3所示，只不过此时对于两个电压源逆变器的输入信号不再是恒定的直流电压源，而是周期性离散的电压脉冲列。以A相为例，矩阵变换器双向桥臂上四路开关驱动信号的实现过程如下：利用正弦调制波和三角载波进行比较后获得两路互补的SPWM信号，然后再将此两路信号与相位互差180°、占空比为0．5的方波V2、V1进行逻辑组合，方波V3、V4与前级高频逆变桥开关管的驱动脉冲同步。

　　这样就可以得到A相双向桥臂上四路开关的驱动信号，波形示意如图4所示。由以上分析知，矩阵变换器A相双向桥臂四路开关的驱动信号的逻辑关系为：

　　以上利用V3，V4与SPWM1，SPWM2波形进行信号逻辑处理的过程，体现了对SPWM信号的分解和矩阵变换器拓扑结构的分离，即体现了解耦的控制思想。图4中给出了A相双向桥臂上四个开关管驱动信号的实现方法，同理可得出B、C相开关管的驱动信号。在分析后级拓扑的时候，利用解耦思想实现了后级拓扑的分解，但电路的工作过程是在同一个拓扑上实现的，并且两个过程是同步进行的，因此，将解耦后的控制信号经过逻辑组合后又应用于后级同一拓扑上，实现了对矩阵变换器的控制。

　　2 实验

　　对所提的控制方法进行了实验研究，实验参数见表1。

　　图5(a)是高频逆变桥MOS管栅极驱动信号ugs和漏源电压uds波形。图5(b)是由DSP产生的载波频率为10 kHz、调制比为0．8的三相SPWM1、SPWM3和SPWM5信号及对SPWM5二分频后的信号。图5(c)是解耦环节逻辑信号经功率型光耦TLP250芯片驱动后的开关管驱动信号，依次是Guhh，Guhl，Gull和Gulh，实验结果和图4中的开关时序信号相同。图5(d)是逆变器输出的频率是50 Hz的相电压波形。

　　本文基于拓扑解耦思想，将单相到三相的矩阵变换器解耦成两个常规的电压源型逆变器，高频逆变桥采用PWM调制，矩阵变换器采用SPWM调制实现了对矩阵式高频链逆变器的控制，大大简化了矩阵变换器的控制过程。搭建了实验样机，通过实验验证了所提控制思想的正确性，为进一步研究矩阵变换器的控制策略具有一定的借鉴意义。

　　拓扑解耦高频链逆变器

　　本文描述了基于ARM7 Cortex-M3 的单片机STM32F103 和T I C2000 系列DSP 芯片TMS320F2808 联合控制的IPS 核心控制电路，针对上述产品中的不足而提出了改进。所设计的IPS 核心控制电路通过测试仿真及现场测试结果证明，这种新型IPS 设计改善了IPS 结构设计，满足IPS 运作的高要求，而且丰富了远程监控等人机交互接口，从而也间接多方面节约用户的管理成本。

　　1 逆变电源整体介绍

　　为满足电源敏感性设备对逆变电源的要求，目标IPS 采用本次设计的电路作为核心；以高速数字信号微处理器（ DSP TMS320F2808）及外围器件作为信号产生及反馈检测调整模块；以ARM7 单片机ST M32F103及其外设作为人机交互逻辑控制模块，两个模块交互协同控制。应用硬件自反馈调节SPWM 波形输出，采用DSP 数字化算法提供高精度锁相技术。软件编程进行全数字化分任务模块控制， DSP 模块执行IGBT 逆变所需的控制波形产生、反馈调节、铅酸蓄电池充电波形产生及调节、自检和自侦测功能，对电路板上所有独立电路连接进行自检和故障分析等功能。而ARM7 模块执行参数设定、运行管理、环境参数监控和人机交互处理等任务。DSP 模块控制力求精准， ARM 模块则具备完善的系统级事件管理功能。如图1 所示，两个模块在任务上相互独立而又紧密联系，分工协调共同维护IPS 的正常运转。

　　图1 IPS 逆变原理框图

　　2 双核控制系统的组成

　　2. 1 DSP 控制模块

　　该模块是逆变信号产生及反馈检测调整模块，核心是一片C2000 系列高性能DSP 处理器TMS320F2808（以下简称F2808） , F2808 产生的SPWM 信号经过CPLD 进行逻辑延时移相形成三相逆变器IGBT 控制信号。F2808 是德州仪器（ TI）公司的一款高速DSP 芯片，最高运行速度可达100 MIPS, 为适应工控强干扰环境， F2808 内部集成了增强型输入捕获单元（ eCAP）和带死区控制功能的输出比较PWM 产生单元（ ePWM） ,12 位16 通道快速ADC 单元；内核支持用于定点DSP实现浮点运算的IQ 变换函数库；还有诸如SCI, SPI,eCAN 等丰富而通用的外设接口。如图2 所示，设计中F2808 的主要任务是监控IPS 功率部分的开关状态和动作，根据逆变器和负载状态反馈调整3 路SPWM波形的输出，电池充电脉冲控制。DSP 输出的3 路SPWM 信号直接送给CPLD，经过CPLD 的等间隔脉冲延迟移相作为逆变器产生U, V, W 三相电的控制波形。

　　图2 DSP 控制模块框图

　　2. 2 人机交互全局控制模块

　　人机交互控制模块是此IPS 设计中最为复杂的数字化管理模块，它不仅监测和管理逆变系统的运作，还要保证IPS 控制器与外界的通信。设计中要求人机交互模块能处理复杂的任务调度和很强的突发访问（中断）处理，这就必须有较高运行速度；模块内部还要有丰富的扩展接口提供IPS 与外部即时通信；具备优越的总线控制和访问机制等。综合考虑上述需求，设计中选择了意法半导体（ ST ）公司推出的最新32 位单片机STM32F103ZET6 （以下简称ST M32）。ST M32 是基于ARM7 Co rtexM3 内核架构的高速高性能嵌入式控制芯片，拥有72 MHz 内核工作频率和1. 25 DMIPS/ MHz的指令流水处理速度；先进的总线结构和多达16 级的带DMA 功能抢占中断机制（ NIVC） [ 10] 。如图3 所示，设计中ST M32 通过SCI 接口及1 根中断请求/ 接收线与DSP 2808 进行通信；利用片上扩展的其中2 个SCI 口分别作为RS 232 和RS 485通信协议口； CAN 总线接口和U SB 总线通过共享数据缓冲区和中断向量入口与外界互联通信；通过STM32 的26 位地址总线和16 数据总线扩展外挂256 KB SRAM 和4 MB N OR FLASH, 以及8 位数据口的LCM 模块RA8806 以及用于SNMP 的16 位并行数据的以太网芯片W5100; 启用ST M32 的SDIO 总线以启用用户插入SD 卡存储查询IPS 状态数据功能；启用现场环境下独立时钟看门狗电路和STM32 特有的窗口看门狗；启用内部芯片温度传感器采样监控， RC时钟源以及外部唤醒功能；通过通用引脚接入DS18B20 温度传感器对环境温度的采样，预留I2 C 方式E2PROM 和SPI 方式的DA TA FLASH 接口为产品后续升级开发做准备。

　　图3 STM32 模块组成框图

　　通信接口电路设计如图4 和图5 所示。

　　图4 IPS 与外间通信接口电路图

　　图5 STM32 通信接口定义

　　3 控制系统的软件架构

　　控制模块中的程序语言为ANSI 标准C 语言，程序结构、变量命名和注释都遵循国际通用标准，容易理解，也便于移植或扩展，如图6 和图7 所示。

　　DSP 程序流程图

　　图6 DSP 程序流程图

　　代码经过合理编写，逻辑清晰，功能完善，结构紧凑而又突出健壮性，可维护性强，符合工控软件编写要求。

　　项目过程中整理的开发测试说明文档详实准确，也为后继研究带来便捷。

　　4 样机验证

　　目标板经过测试验证后成功应用在一台6KVA 工频双变换纯在线式单相小功率逆变电源上。各负载加载测试波形如图8 所示。空载输出电压波形1/ 4 负载输出电压波形满载输出电压波形测量结果表明， 220 V 交流输入时不同负载情况下电源的输出波形失真度小于3%,非线性负载失真小于5%, 逆变器效率大于96%。

　　图8 负载测试波形输出

　　5 结语

　　许多IPS产品因遵循传统设计而不符合或落后于现代电源理念，突出表现为控制模块的单一复杂化，控制器芯片落后且控制任务繁重，模拟闭环控制而得不到理想的监控和反馈调节效果，并由此带来单个控制设备软硬件设计上的隐患，这对IPS 电源输出造成不利影响，甚至对用电设备因为供电故障而导致灾难性后果。数字化控制技术日趋成熟，而且在某些领先理念的电源设备控制应用场合得到应用，凸显出模块化、数字化控制已成为一种必然的趋势。本文所研究设计的基于基于STM32 和TMS320F2808 控制的IPS 处理速度快，控制精度高，模块化结构合理，能很好的实现现代IPS 设计的要求，而且增加了SNMP, U SB和SDIO 等人机交互通信接口，便于IPS 本地及远程管理维护。

　　逆变电源仿真测试

　　UPS电源系统设备技术是指依托先进功率转换技术、数字控制技术、高频开关变换技术、脉宽调制技术、电磁兼容技术、冗余并机技术、智能充放电技术、网络技术、驱动技术和新工艺技术等的一门综合技术。

　　UPS电源已从60年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还在继续发展。目前，UPS电源一般均指静止式UPS电源，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类，按照UPS电源功率的大小和应用领域有以下的分类方式：

　　1、按照UPS功率大小分类：

　　UPS电源系统按其应用的功率可分为：大、中、小三个分区类别。

　　小功率UPS电源系统定义为：功率小于3kVA的UPS电源产品;

　　中等功率UPS电源系统定义为：大于等于3kVA同时小于10kVA的UPS电源产品;

　　大功率UPS电源系统定义为：大于或等于10kVA的UPS电源产品。

　　不同功率段UPS产品和技术情况如下：

　　●功率(P)<3KVA产

　　小于3KVA的产品主要包括500VA-2KVA的后备式、互动式UPS，以及1-2KVA的在线式UPS。这一功率段的UPS由于技术门槛比较低，市场竞争激烈，国际知名品牌中除了APC、SANTAK作为主要厂家外，其它厂家是很多国内中小UPS厂家。从国内和国际市场的统计数据看，这部分产品的市场销售额比例一直存在小幅下降的趋势。

　　●3 KVA≤功率(P)<10 KVA产品：

　　这一功率段的UPS主要是在线式产品，以及少量的3KVA后备式、互动式产品，涉及的技术相对复杂些，产品的质量控制有一定的难度，除了国外品牌产品外，国内的中大规模的UPS厂家有这一功率段的产品。从国内和国际市场的统计数据看，这部分产品的市场销售额比例相对稳定。

　　●10KVA≤功率(P)<50KVA产品：

　　这一功率段的UPS是在线式产品，涉及的技术比较复杂，产品的质量控制有相当的难度，除了国外品牌产品外，国内中等以上规模的UPS厂家才有这一功率段的产品。从国内和国际市场的统计数据看，这部分产品的市场销售额比例相对稳定，略有上升。

　　●功率(P)P≥ 50KVA产品：

　　这一功率段的UPS是在线式产品，涉及的技术相当复杂，产品的质量控制需要较高的水平和综合实力，除了国外品牌产品外，国内只有极个别的上规模UPS厂家才有这一功率段的产品。从国内和国际市场的统计数据看，这部分产品的市场销售额比例稳步上升。　2、按照UPS应用领域分类

　　UPS电源系统按其应用领域可分为：信息设备用UPS电源系统设备和工业动力用UPS电源系统设备二个大类别

　　1 信息设备用UPS电源系统设备

　　近几年来UPS电源系统在IT行业发挥着越来越重要的作用，被人们誉为计算机信息的保护神。在世界迈进信息时代之后，信息的安全问题已经被人们广泛关注，因此，在这种时代背景中，UPS的发展趋势引起业界的高度重视是顺理成章的。

　　信息化通信UPS电源系统主要应用于：信息产业、IT行业、交通、金融行业、航空航天工业等计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的安全保护问题。

　　UPS电源作为计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的重要外设，在保护计算机数据、保证电网电压和频率的稳定，改进电网质量，防止瞬时停电和事故停电对用户造成的危害等是非常重要的。

　　2 工业动力用UPS电源系统设备

　　工业动力UPS电源系统设备主要应用于：工业动力设备行业电力、钢铁、有色金属、煤炭、石油化工、建筑、医药、汽车、食品、军事等领域，作为所有电力自动化工业系统设备、远方执行系统设备、高压断路器的分合闸、继电保护、自动装置、信号装置等的交、直流不间断电源设备，保证工业自动化动力供给的可靠性。

　　工业动力用不间断电源是不间断电源产品中的高端产品，涉及大功率(可能达到兆瓦级)能量变换的电力电子技术、数字化控制技术、交流电源并联冗余技术、有源谐波抑制技术、大功率产品制造技术等，显然，一般的电源企业无法进入该领域，只有已经拥有大功率电力电子技术和系列产品开发、生产、服务能力，并积累相应工业应用经验的企业，才能做好工业动力不间断电源系统的设计、生产、市场服务。传统UPS厂家在这些地方采用的UPS电源往往是具备适应工业自然环境的UPS电源产品，而不是适应工业电气环境、感性动力负载特性的真正工业动力设备用不间断电源。

　　我国UPS电源市场需求综述

　　国外在不间断电源上起步于70年代，国内起步于80年代后期，起步差距十几年。国内UPS行业经过20年的发展，虽然在中国市场上虽然总体的市场份额被国外知名品牌占据大部分，但是，少数国内较大规模的厂家在市场份额、高端技术等方面已经十分接近国际知名品牌，以下是国内市场需求汇总。

　　1、UPS电源企业总体规模与销售额分布

　　UPS电源企业规模较大的销售额达超过2亿元的企业5家，1~2亿元的企业5家; 5000～8000万元左右企业约有15～20余家;2500～5000万元左右企业约有274余家，500～2500万元左右企业约有1380余家，其它有300多家。

　　2、国内UPS电源市场总容量

　　根据相关统计和我们的分析，2006年国内信息设备用UPS电源市场总销售额26.1亿元人民币，2007年总销售额预计达到27.4亿元人民币。工业动力UPS电源系统设备中大功率UPS年市场需求也达近30亿元人民币。

　　我国UPS电源年市场需求总容量应该在50~60亿元人民币，市场需求巨大。

　　在各媒体单位年终评选中，梅兰日兰、APC、科华、科士达等UPS电源厂商大出风头，拿下多项评选冠军。

　　3、国内中大功率UPS电源市场容量

　　中大功率UPS是不间断电源行业中的高端产品，根据赛迪顾问统计,2006年中国中大功率UPS电源市场销售额为22.1亿元人民币,同比增长7.3%。协会认为，如果加上工业动力设备用的大功率UPS电源需求，市场销售额应有相当比例的上升。

　　在2006年中国中大功率UPS电源市场的品牌格局中，以销售额来衡量，厦门科华加大行业销售力度，增加新品，市场占有率居于本土品牌第一;科士达充分利用渠道优势的同时，加强新行业开发，拓展其他行业市场，市场占有率占据本土品牌第二。另外，传统中大功率UPS提供商志成冠军也取得了不俗的成绩。

　　4、工业动力设备用不间断电源市场需求

　　在电信、金融等行业采购规模与以前相比出现了稳步增长期间，有专业机构做出的调查表明，由于这两个行业的硬件投资比重会逐渐减少，加上这两个行业的UPS电源保有率较高，因此其UPS电源需求不太可能出现大的增长，预计未来的市场份额将逐渐下降。相反，一些以往占市场比重不大的行业如制造业、交通业、能源业等对UPS电源的需求呈现出了快速增长的势头，特别是制造业中，中小企业的大规模崛起，更是成为了带动UPS电源市场增长的新动力源泉。

　　工业动力UPS电源系统设备市场销售额随着工业自动化成套设备和设备更新改造的飞速发展，工业动力大功率UPS电源系统设备市场在2000年后开始提高，2003年出现加速，平均增长率达到16%，2006年1至9月更是达到18%。随着重工业化时期的来临，中国工业化、城市化进程加快，全球产业链加速向中国转移。依据协会相关统计数据，分析其数据特征，我们预测工业动力UPS电源系统设备市场未来五年的销售额平均增长率将达到17.5%，2007年市场销售额在30-35亿元间，潜力巨大。

　　自然环境的UPS电源产品，而不是适应工业电气环境、感性动力负载特性的真正工业动力设备用不间断电源。

　　UPS电源制造企业特点概述

　　从目前在中国市场上销售的品牌和厂家来看，按照厂家企业性质来划分，销售额超过亿元规模的UPS制造商主要有以下的三大集团：

　　A、大陆本土品牌：科华、冠军、科士达;

　　B、台商品牌：山特、中达电通;

　　UPS 电源系统

　　由于太阳能电池组件封装技术简单，入行门槛低，成为了很多小型企业进军光伏产业的首选。如今光伏产业风雨飘摇，没有核心技术，又没有背景支持的封装企业接连倒闭。那些组件封装的技术早已不再神秘，下面给大家带来详细的组件封装工艺流程图解。

　　电池组件定义是具有外部封装及内部连接、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置，叫太阳能电池组件，即多个单体太阳能电池互联封装后成为组件。

　　单个太阳能电池往往因为输出电压太低，输出电流不合适，晶体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件，因而在实际使用中需要把单体太阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连电线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件（Solar Module或PV Module，也称光伏组件）。太阳能电池组件通过吸收阳光，将太阳的光能直接变成用户所需的电能输出。

　　组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。下面我们开始着手做组件封装了：

　　一、准备工作

　　1. 组件封装所用的原材料

　　按顺序1.电池片 2. EVA 3.TPT 4. 玻璃 5. 铝合金型材 6. 互联条 7. 硅胶 8. 接线盒 9. 电池组件

　　1.组件测试仪 2.叠层台 3.单、串焊台 4.修复台 5.装框机 6.待装框组件周转车 7.待压组件周转车

　　二、工艺流程

　　1、电池检测（分片）——2、正面焊接—检验—3、背面串接—检验—4、叠层（玻璃清洗、材料（TPT、EVA）检验、玻璃预处理、敷设） ——5、中道检验（过程检验）——6、层压（去毛边）——7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）——8、焊接接线盒——9、高压测试——10、组件测试—11、外观检验—12、包装入库

　　1、电池检验：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。

　　2、正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。

　　3、背面串接：背面焊接是将72片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有72个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将72片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。

　　4、叠层：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、钢化玻璃和切割好的EVA、背板（TPT）按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、背板TPT）。

　　5、中道检验：过程检验，层压前检验人员负责对层叠好后待压组件进行100%目检。检验范围在观察架区域，要求在观察架上无组件检验时可在层叠区域观察层叠员工是否按标准操作（存在过程检验）。发现问题时，请在“中检工序检查记录表”上清楚记录。如有异常问题，请及时反馈，并使相关人员进行返工处理。

　　6、组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压循环时间约为22分钟。固化温度为145℃ 左右，层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。

　　7、装框：类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂（1527硅胶）填充。

　　8、焊接接线盒：在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。焊接面积大于总面积的80%，接线盒用1521（A、B）硅胶一定比例填充。

　　9、组件清洗：好的产品不仅有好的质量和好的性能，而且要有好的外观，所以次工序保证组件清洁度，铝边框边上的毛刺要去掉，确保组件在使用减少对人体的损伤。

　　10、组件测试：测试的目的是对电池的输出功率等参数进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。

　　11、外观检验。

　　12、成品检验：为了使组件产品质量满足相关要求，使组件的最终检验操作过程规范化，主要对组件成品的全面检验：型号、类别、清洁度、各种电性能的参数的确认，以及对组件优劣等级的判定和区分。

　　13、包装入库：对产品信息的记录和归纳，便于使用和今后查找和数据调用。

　　三、销售

　　做到这一步就可以卖钱了，到此为止一个小型封装企业就已经完成了产品的所有程序了。

　　光伏企业太阳能封装工艺

　　进入光伏逆变器行业有3个年头，回想过去，想从可靠性设计这个角度谈一下我对光伏逆变器的理解。

　　设计方案的可靠性选择

　　500KW逆变器，就IGBT排布，就有很多选择，每一种都有优缺点。

　　总结起来分为四种，IGBT单个模块，并联，逆变桥并联，混合并联。

　　(1) 采用6个单管IGBT，型号为FZ2400R12HP4，经过计算，每个IGBT损耗是1932W，总损耗是11592W，这种方式优点是电路简单，结构设计方便，体积较少，功率密度大，电气上不存在IGBT均流和逆变桥均流等问题，驱动芯片只有3组；缺点是IGBT价格比较贵，热源比较集中，如果散热器的温度不超过85°C，散热器的热阻为0.02K/W，要采用水冷散热器或者加热管的散热器才能达到要求，成本比较高，只有一个电感和滤波电容，在低功率时，THD比较大，总体发电量比较低。

　　(2)分为两个250KW的逆变矩形并联，每一相只有一个功率器件，500K逆变器选用FF1400R12IP4，直流电经过逆变，各自接一个LC滤波，交流接触器，再汇流进电网，每一个逆变矩形可以单独控制，当输入功率不足45%时，可以关闭其中一个，欧洲效率比较高，低载时THD比较小，整体发电量提高，在阴雨天太阳辐照度低时也能发电。

　　(3)是IGBT并联方案，每一个桥臂用两个IGBT并联，逆变器只用一组LC滤波器，这种方式总成本稍低，功率密度大，缺点是存在IGBT均流，在多个IGBT并联使用时，由于功率器件不一致，IGBT驱动电路也不一定特性能保持一致加上电路布局等的影响，会引起流过各并联IGBT的电流不均衡，电流大的器件有可能由于过热而损坏。在实际应用中，要采取以下措施：要使用同一批次的器件，减少器件参数的不一致性，改善静态均流的效果；共用一路驱动电路，提高器件参数的一致性，改善动态。

　　IGBT并联和逆变桥并联比较

　　(1) 效率比较：最大效率IGBT并联方案高，欧洲效率逆变桥并联方案高。总发电量逆变桥并联高。

　　(2) 控制方法：IGBT并联需要6组PWM，逆变桥并联需要12组PWM。

　　(3) 均流：IGBT并联要考虑器件之间均流，主要靠硬件实现，成本较高，逆变桥并联需要考虑逆变桥之间均流，主要靠软件实现。

　　(4) 可移植性：IGBT并联250K，500K，750K不能移植，需要重新开发，逆变桥并联可以植移，逆变桥可以共用。

　　(5) 结构：IGBT并联需要3个散热器，三相之间距离较长不对称，成本稍低；模组并联需要6个散热器，三相之间距离较短对称性好，成本稍高。

　　功率设计方案比较

　　光伏逆变器由电阻、电容、继电器、接插件、半导体器件及集成电路等元器件组成的。系统的可靠性除取决于这些电子元器件的固有可靠性外，还与设计时元器件能否合理选用有关。

　　元器件的选用要遵循下述原则：

　　1）在元器件型号、规格众多的情况下，应根据产品要实现的功能要求及环境条件，选用相应种类、型号规格及质量等级的元器件。

　　2）估算元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术，选用元器件。

　　3）根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的、符合生产许可证审查要求的A，B，C 级元器件。

　　4）设计产品时，尽量选用标准元器件，并使品种简化，这是大型电子系统设计的一个重要原则，也是系统总体对部件及线路设计者提出的约束条件。

　　5）对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准手续。

　　6）制定元器件选用手册，规范元器件的选用和采购。

　　降额设计的依据

　　所谓降额设计，就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命，必须有意识地降低施加在器件上的工作应力（如：电、热、机械应力等），降额的条件及降额的量值必须综合确定，以保证电路既能可靠性地工作，又能保持其所需的性能。降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定，如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比；电容降额是使工作电压低于额定电压；半导体分立器件降额是使功耗低于额定值；接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。

　　降额的等级分为三个等级，分别称I 级降额、II 级降额和III 级降额。

　　I 级降额是最大降额，超过它的更大降额，元器件的可靠性增长有限，而且使设计难以实现。I 级降额适用于下述情况：设备的失效将严重危害人员的生命安全，可能造成重大的经济损失，导致工作任务的失败，失败后无法维修或维修在经济上不合算等。

　　II 级降额指元器件在该范围内降额时，设备的可靠性增长是急剧的，且设备设计较I 级降额易于实现。II 级降额适用于设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。

　　III 级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大，且在设备设计上实现困难最小，它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小，不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。

　　降额应注意的问题

　　1）有些元器件的负荷应力是不能降额或者对最大降额有限制的，如电子管的灯丝电压、继电器线包的吸合电流是不能降额的，否则电子管的寿命要降低；

　　2）有些元器件降额到一定程度时却得不到预期的降额效果。如薄膜电阻器的功率减额到10%以下时，一般二极管的反向电压减额到最大反向电压的60%以下时，失效率将不再下降；

　　3）有些类型电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效，也就是说，降额不但不能使失效率下降，反而会使失效率增高。

　　降额系数的选择大部分是依靠试验数据和根据元器件使用的环境因子来确定。确定降额系数的方法如下：

　　1）数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线；

　　2）减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该减额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高；

　　3）应用减额图，即在减额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线；

　　4）各种元器件的减额因子参见国家标准。

　　功率开关管驱动电路设计

　　IGBT驱动电路的作用是将DSP发出的控制信号加以隔离并放大，以驱动IGBT等功率器件，并检测电路的电压，防止因电路过压，短路而造成IGBT损坏，因此驱动电路应满足以下要求：

　　（1）为了减少器件的损耗，驱动电路应保证器件充分导通和可靠关断。驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

　　（2）保障驱动电路和主回路的电气隔离，由于主回路是高电压，驱动控制电路是低电压，所以要求驱动信号与主回路无电气耦合。

　　（3）具有抗干扰能力，防止开关器件在各种外界干扰下的出现误动作，影响逆变器总的发电量，保证器件的高可靠的工作。

　　（4）具有可靠的保护能力，当主回路或驱动控制电路出现故障时 (如主电路过电流、过电压和驱动电路欠电压），驱动电路应迅速封锁IGBT的PWM信号，关断器件。主要的保护功能有：过流检测及保护，欠压检测及保护，温度检测及保护。

　　IGBT驱动电路按功能可分三种类型：单功能型、多功能型、全功能型。

　　（1）单功能型驱动电路是由功率缓冲器和光耦构成，如HCLP-3150，

　　（2）多功能型的大功率IGBT驱动保护电路，如HCPL-316J、 M57962， VLA500-01等。

　　直流母线电容设计

　　太阳能组件输出的连续的直流电流，逆变桥采用高频PWM控制，输出的是高频脉冲电流，因此在逆变桥和太阳能组件之间，需要一个直流支撑电容，主要有以下几个作用：

　　（1）和太阳能组件一起提供逆变器输入电流；

　　（2）降低谐波电流进入电网；

　　（3）当机器在紧急情况下急停时，能吸收功率开关器件关断下能量；

　　（4）在特殊工况下，能提供瞬时峰值功率；

　　（5）当逆变器受到电网瞬时峰值冲击，能保护逆变器。

　　母线电容设计选型，要考虑的以下主要因素：电容器的额定电压、电容器容量、电容器的纹波电流、电容器的安装散热方式，电容器的温升和寿命等等

　　1）从纹波电流考虑，母线电容中的纹波电流一般取流过IGBT电流的0.65倍。所有电容的纹波电流之各要大于此值。

　　2）从能量的转换考虑，一般要使电容组能提供0.5个周期的能量。

　　3) 电容的电压要大于电流最高电压

　　选择IGBT时需要考虑额定电压和额定电流是否在允许的范围内：

　　耐电压要求：IGBT在开通和关断时，会在产生尖峰电压，这个电压要低于器件的耐压值，否则器件将

　　[1] [2]

　　光伏逆变器可靠性设计

　　因电压过高击穿而损坏；本逆变器输入电压范围是450VDC到820VDC，关断时的峰值电压为： UCESP (820×1.1+50)×α=1047V

　　式中，IGBT的CE两端承受的最高电压是820V，1.1为IGBT电压保护系数，α为安全系数，一般取1.1，50为L×(di/dt)引起的尖峰电压。令UCES≥UCESP，并向上靠拢IGBT的实际电压等级，取UCES=1200V。

　　安全电流：IGBT工作过程中，峰值电流必须小于IGBT的额定电流；

　　[1] [2]

　　光伏逆变器可靠性设计

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