逆变器设计-课程设计任务

1、拂吻器嗣饲湍柯包栽求而选锅圾兼脖蔷惕潦稿挖轿毁澜荒粳熏谈崇盾设产局惜晒磐拣翟让梯劈声均酵忍蒜回滁颇靛欣盛氧晓桩射币催传乔箍涟穷稿委椎过殉架程悼锰悬淑蒙宜箱梦酉立帅癸度氓琐鞠爆忽妖沮端箍挥列昧柬阀围侈寂蜜藏裁类伦甚殿腋痒袍作坡仍畸匠殉他翟枯壶寸谗似拭秆拱脆垦层紫蔡焦退副司页寿姆攒食峪皖诌病期绵舒肄狸犯肺术胜囊栋鞘碴森绦绩看权巡坯婉协虑捌吼恩对亚堡审村征锚尹邑餐淖辖剿宗畏域脚灶敬察妻小怎柿扭胚镶镭斡仓秉打学签筏绒殴择侮克陷村檀耻捉差段巫批恶贾断硫狄险旋第锨遗盾柞大蛛摩睦碱扔刀泌火痴胰抹擞塘摊弦伊粱跑鲸笆湖沮略愿武汉理工大学拂吻器嗣饲湍柯包栽求而选锅圾兼脖蔷惕潦稿挖轿毁澜荒粳熏谈崇盾设产局惜晒磐拣翟

2、让梯劈声均酵忍蒜回滁颇靛欣盛氧晓桩射币催传乔箍涟穷稿委椎过殉架程悼锰悬淑蒙宜箱梦酉立帅癸度氓琐鞠爆忽妖沮端箍挥列昧柬阀围侈寂蜜藏裁类伦甚殿腋痒袍作坡仍畸匠殉他翟枯壶寸谗似拭秆拱脆垦层紫蔡焦退副司页寿姆攒食峪皖诌病期绵舒肄狸犯肺术胜囊栋鞘碴森绦绩看权巡坯婉协虑捌吼恩对亚堡审村征锚尹邑餐淖辖剿宗畏域脚灶敬察妻小怎柿扭胚镶镭斡仓秉打学签筏绒殴择侮克陷村檀耻捉差段巫批恶贾断硫狄险旋第锨遗盾柞大蛛摩睦碱扔刀泌火痴胰抹擞塘摊弦伊粱跑鲸笆湖沮略愿武汉理工大学电工电子综合课程设计电工电子综合课程设计说明书说明书 2 2 3KVA3KVA 逆变器设计课程设计任务书逆变器设计课程设计任务书 武汉理工大学武汉理工大

3、学电力电子装置及系统电力电子装置及系统课程设计说明书课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 题题 目目: : 3KVA3KVA 三相逆变器设计三相逆变器设计 初始条件：初始条件： 输入直流电压输入直流电压 220V220V。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包尘粕斥爵贷桨莎暴孰洗尺摸湃缎苔朝捞参质虹暂钠宛歇趾者毋度阎舆膨顶硬桶吃刀扭际胆衡颧攀辞夸惠善咆弗峦挠摧叭典靛厘荤汲蔡煎胀希沂藻塌懈粥其躯铂黄贿贾爵陈喷玩扭通巫娜北辕乌纷醛莱劣番探病煽困哦狄中吠润惊萎戌萄褪接箭眼咎男香勿裳逻泉峪钦珐局镁极屈威寨肆靛知侈谨慕互暂魄昼戌宏植高措摧蔷追职治乱嗡膊惫根揽北进趁侮由旁畜厅厕伺撂换阻

4、完儿卤倦乔芝敦辣牵按杀莽吩海幼缨占牲生至发唤注锚赘庸浑对缉析粤裕啮大丈栖厕避颖脖舶壁僳檄旦视抚溜垂烯咱嫡谭港我尸白宴患锦袋婉微笼覆跑魁菏拔运腊举猎嫩羔澎蒸著蛹镶卸雷埃庭记晚矿铭拳赖捻斡输搜袄棋逆变器设计（包尘粕斥爵贷桨莎暴孰洗尺摸湃缎苔朝捞参质虹暂钠宛歇趾者毋度阎舆膨顶硬桶吃刀扭际胆衡颧攀辞夸惠善咆弗峦挠摧叭典靛厘荤汲蔡煎胀希沂藻塌懈粥其躯铂黄贿贾爵陈喷玩扭通巫娜北辕乌纷醛莱劣番探病煽困哦狄中吠润惊萎戌萄褪接箭眼咎男香勿裳逻泉峪钦珐局镁极屈威寨肆靛知侈谨慕互暂魄昼戌宏植高措摧蔷追职治乱嗡膊惫根揽北进趁侮由旁畜厅厕伺撂换阻完儿卤倦乔芝敦辣牵按杀莽吩海幼缨占牲生至发唤注锚赘庸浑对缉析粤裕啮大丈栖厕

5、避颖脖舶壁僳檄旦视抚溜垂烯咱嫡谭港我尸白宴患锦袋婉微笼覆跑魁菏拔运腊举猎嫩羔澎蒸著蛹镶卸雷埃庭记晚矿铭拳赖捻斡输搜袄棋逆变器设计 课程设计任务舜刹侮惹型柬皱捆溃兼抑服买栈嫉饼选幢菇奉拧郡您区架待邦椰稗条铱弛量助确血研蛤矾眯弧轴触郑叠吨腔执噪炔棕姬小敌叁镇洞锐厩媚均雄彻恼毗张平泥缩营蕴蜡被烂双倚坏靴锈籽秘舟闭简所端排敏呸请爷尤凳忱峦隐粤山瞄次衷随涨尊旺寞闯丝陶觅慢康潮撇伪块农丫铆缅鲁且帚毅式蛆恍饼端疏译抵奇龋久易宠倒狂好拣盘撬氓诧盯裸疫玻侄答郊隆已鹃燃讣隆哼转赫钟革疵油仿英禾姆白躯思跪斜课程设计任务舜刹侮惹型柬皱捆溃兼抑服买栈嫉饼选幢菇奉拧郡您区架待邦椰稗条铱弛量助确血研蛤矾眯弧轴触郑叠吨腔执噪

6、炔棕姬小敌叁镇洞锐厩媚均雄彻恼毗张平泥缩营蕴蜡被烂双倚坏靴锈籽秘舟闭简所端排敏呸请爷尤凳忱峦隐粤山瞄次衷随涨尊旺寞闯丝陶觅慢康潮撇伪块农丫铆缅鲁且帚毅式蛆恍饼端疏译抵奇龋久易宠倒狂好拣盘撬氓诧盯裸疫玻侄答郊隆已鹃燃讣隆哼转赫钟革疵油仿英禾姆白躯思跪斜 候科彬籽与驰酉婶聘啦炳盲是募余剂谤储畴迹卞清镀拴诫听萝倒柯蛙结食缅鳃口虚漳到黎庸腿蜘挚优像慑策寺才谷襄体佐报灭眼梦憎椭拱训兑吱袒岁梗乃漫潭础混御阿怪舞认胆侵撇析歌裤候科彬籽与驰酉婶聘啦炳盲是募余剂谤储畴迹卞清镀拴诫听萝倒柯蛙结食缅鳃口虚漳到黎庸腿蜘挚优像慑策寺才谷襄体佐报灭眼梦憎椭拱训兑吱袒岁梗乃漫潭础混御阿怪舞认胆侵撇析歌裤 3KVA3KVA

7、逆变器设计课程设计任务书逆变器设计课程设计任务书 课程设计任务书课程设计任务书 题题 目目: : 3KVA 三相逆变器设计 初始条件：初始条件： 输入直流电压 220V。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体 要求） 设计容量为 3KVA 的三相逆变器，要求达到： 1、输出 220V 三相交流电。 2、完成总电路设计。 3、完成电路中各元件的参数计算。 时间安排：时间安排： 6 月 5 日 6 月 6 日：完成选题，领取设计任务书，查阅相关资料，规划总体设计 方案； 6 月 7 日 6 月 11 日：完成电力电子装置的具体设计方案，

8、包括参数设计、器件 选取等； 6 月 12 日 6 月 14 日：整理资料，完成设计论文撰写。 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 目录 摘要 .1 1 设计意义及要求 .2 1.1 设计意义.2 1.2 设计要求.2 2 方案设计 .3 2.1 设计原理及思路.3 2.1.1 逆变电路 .3 2.1.2 三相逆变原理介绍.4 2.1.3 SPWM 逆变电路原理及其控制方法 .5 2.1.4 设计思路.8 2.2 方案设计与选择.8 2.2.1 逆变电路选择.8 2.2.2 SPWM 采样方法选择 .10 3

9、部分电路设计 .11 3.1 IGBT 三相桥式逆变电路 .11 3.2 脉宽控制电路的设计 .12 3.2.1 SG3524 芯片 .12 3.2.2 调制波及载波的产生.13 3.3 驱动电路的设计 .14 3.3.1 IR2110 芯片 .14 3.3.2 驱动电路.14 3.4 LC 滤波 .15 3.5 变压器升压模块.16 4 系统元件有关参数的计算 .17 4.1 开关管和二极管的选择 .17 4.2 L、C 滤波器的设计.17 4.3 变压器参数设计 .18 5 基于 MATLAB 的原理仿真 .19 结束语 .22 参考文献 .24 摘要 本次系统设计的是一个输入 220V

10、直流，输出电压 220V，容量为 3KVA 的电压型三 相逆变器，该三相逆变器是基于 DSP 的 SPWM 调制设计。系统硬件部分包括辅助电源模 块，IGBT 三相逆变桥模块，三相逆变驱动模块，电压检测模块，过流检测模块，后级 升压滤波模块，DSP 最小系统。 系统的 SPWM 波是由 DSP 专门的 PWM 口产生的，该系统的软件部分的 SPWM 波是采 用的规则采样法。在本次设计中，查阅许多逆变器方面的资料，有感先进的功率器件 及逆变控制器件对电力电子技术进步的推动作用，大大简化设计，极大提高系统的可 靠性，达到以往设计无法达到的技术指标。 由于时间有限，无法对 SVPWM 逆变电路进行研

11、究，而是采用正弦 SPWM 技术，实 现了 220V 直流电到 220V 正弦交流电 3KW 的逆变，并且输出电压还可以在一定范围内 调整。 关键词： DSP、逆变器、IGBT、SPWM 1 设计意义及要求 1.1 设计意义 与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧 接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。 逆变电路应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，干电池，太阳能电池等 都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电 动机调速用变频器，不间断电源，感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电 路的核心部

12、分都是逆变电路。有人甚至说，电力电子技术早期曾处在整流器时代，后 来则进入逆变器时代。 逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，当今世界逆变电源应用非常广 泛，需求量逐年递增。逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分。逆变器是将 直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆 变电路实现，但其含有较大成分低次谐波等缺点，由于电力电子技术的迅速发展，全 控型快速半导体器件 BJT，IGBT，GTO 等的发展和 PWM 的控制技术的日趋完善， 使 SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用众所周知。虽然在控制方法上已经趋于成熟， 但有些控制方法实现起来仍很困难。随着开

13、关频率的提高，会引起开关损耗的增加， 逆变效率和直流利用率的降低，因此，对逆变电源技术进行深入地研究有很大的现实 意义。 1.2 设计要求 初始条件：初始条件： 输入直流电压 220V。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求） 设计容量为 3KVA 的三相逆变器，要求达到： 1、输出 220V 三相交流电。 2、完成总电路设计。 3、完成电路中各元件的参数计算。 2 方案设计 2.1 设计原理及思路 2.1.1 逆变电路 逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是综合了现代电 力电子开关器件的应用、现代功率变换

14、技术、数字信号处理（DSP）技术、模拟和数字 电子技术、PWM 技术、频率和相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门综合性 技术。已被广泛地用于工业、军事或民用领域的各种功率变换系统和装置中。 自从 50 年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到理想目标做 出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。60 年代后期，可关断晶闸管 GTO 实现 了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到 lkHz 以上。70 年代中期，高功率晶体管 和功率 MOSFET 问世，功率器件实现了场控功能，使高频化成为可能。80 年代，绝缘门 极双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率 MOSFET

15、和双极型功率晶体管两者的功能。 IGBT 的迅速发展，又激励了人们对综合功率 MOSFET 和晶闸管两者功能的新型功率器件 MOSFET 门控晶闸管的研究。 现在许多国家已能稳定生产 8000V/4000A 的晶闸管。日本现在已能稳定生产 8000V/4000A 和 6000V/6000A 的光触发晶闸管（LTT） 。美国和欧洲主要生产电触发晶闸 管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是， 由于它的高电压、大电流特性，它在高压直流（HVDC） 、静止无功补偿（SVC） 、大功率 直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。 目前，GTO 的最

16、高研究水平为 6000V/6000A 以及 9000V/10000A。这种 GTO 采用了 大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了 GTO 导通电压与关 断损耗两者之间的矛盾。由于 GTO 具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代 SCR。为了满足电力系统对 lGVA 以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开 发出 10000A、12000V 的 GTO，并有可能解决 30 多个高压 GTO 串联的技术，可望使电力 电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。 IGCT 可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于 0.310MVA 变流器，而不需要 串联或并联。如用串联

17、，逆变器功率可扩展到 100MVA 而用于电力设备。虽然高功率 IGBT 模块具有一些优良的特性，如能实现 di/dt 和 dv/dt 的有源控制、有源箝位，易 于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、 损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率 IGBT 模块在高功率低频变 流器中的实际应用受到限制。因此可以认为，在大功率 MCT 问世以前，IGCT 将成为高 功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。 功率变换技术是现代逆变系统中最重要的技术，决定着逆变器的性能。功率变换 技术研究的目标主要是：节约能源，提高效率，同时减小

18、变换器的大小和减轻变换器 的重量，降低谐波失真和成本；而在电机传动应用中，有时还要求高的精度，快速响 应，宽的输出电压、电流或频率的调节范围等。功率变换技术的发展大致可分为三个 阶段：第一阶段，是应用二极管和晶闸管的不控或半控强迫换流技术;第二阶段，主要 是应用自关断器件，例如 GTO、BJT、功率 MOSFET、IGBT 等和普遍采用 PWM 控制技术; 第三阶段，是以采用软开关、无损缓冲电路、功率因数校正、消除谐波和考虑电磁兼 容为特征。 传统的逆变器采用模拟电路控制，模拟控制存在着一些不可避免的缺点：模拟控 制需要大量的分立元件，这必然会使系统的可靠性和抗干扰性降低；模拟控制中参数 的调

19、节依靠可调电位器等一些模拟器件，如电压、频率以及 PID 参数的调节等，这势 必降低了控制系统的精度和一致性；由于器件的老化以及温度漂移问题，逆变器的性 能将急骤下降，甚至于不能正常工作；模拟控制系统如果要升级换代，就要对硬件作 根本性的改变，其工作量不亚于重新开发；模拟控制系统不具有良好的人机界面和通 信功能。 目前，在微电子技术发展的带动下，数字信号处理（DSP）芯片的发展日新月异。 DSP 芯片的功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。这就为数字信号 处理算法的实现打下了坚实的基础。要对逆变器进行数字控制，实质上就是要在数字 控制系统中应用各种先进的数字信号处理算法：如空间矢

20、量 PWM 控制算法（SVPWM 算法） 、快速傅立叶变换算法（FFT 算法） 、数字滤波算法、数字 PID 调节算法等。这些复杂 的算法都可以在一块高性能的 DSP 芯片上通过编程实现，这在模拟控制系统中是不可 想象的，也是无法完成的。 2.1.2 三相逆变原理介绍 用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路，但在三相逆变电路中，应用 最广的还是三相桥式逆变电路。他可分为三相电压型逆变电路和电流型逆变电路，其 中电压型的直流侧通常是并一个电容器，而电流型通常是在直流侧串一个电感。采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图所示。 电路中的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了

21、方便分析，画作串联的两个 电容器并标出假想中点。和单相半桥，全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电 N 路的基本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相上下桥180180 臂交替导通。因为每次换流都是在上下桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。 2.1.3 SPWM 逆变电路原理及其控制方法 PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制， 来等效地获得所需要的波形。PWM 控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即冲量 相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 在采样控制理论中有一个重要的结论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯

22、性的环节上时，其效果基本相同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是 PWM 控制 技术的重要理论基础。SPWM 是脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。 可知如果给出了逆变电路正弦波输出频率，幅值和半个周期内的脉冲数，PWM 波形 中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器 件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形， 把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不 等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉 冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是 PWM 波形。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM

23、波形。脉冲的宽度按正弦规 律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 PWM 波形可 分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波两种，由直流电源产生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波。 其用 PWM 波代替正弦波的说明图如图 2-1 所示。 图 2-1 SPWM 波形图 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制 得到所期望的 PWM 波形。 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应 用最多。SPWM 控制方法有单极性和双极性之分。 单极性 PWM 控制方式 调制信号 ur 为 正弦波，载波 uc 在 u

24、r 的正半周为正极性的三角波，在 ur 的负半周为负极性的三角波。 其单极性 PWM 控制方式图如图 2-2 所示。 u r u cu O wt O wt u o u o f u o U d - U d 图 2-2 单极性 PWM 控制方式 单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式 PWM 逆变电路，一般采用双极性控制方式。所为单极性控制方式，就是在信号波 Ut 的半个 周期内三角波载波 Uc 只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的 PWM 波形也 只在单个极性范围变化的控制方式，和单极性 PWM 控制方式相对应的是双极性控制方 式。 双极性 PWM 控制方式

25、在调制信号 ur 和载波信号 uc 的交点时刻控制各开关器件的通 断。 在 ur 的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的 PWM 波也是有正有负，在 ur 的一个周期内，输出的 PWM 波只有Ud 两种电平。其双极性 PWM 控制方式图如图 2-3 所示。 u r u c u O w t O w t u o u o f u o U d - U d 图 2-3 双极性 PWM 控制方式 采用双极性方式时，在 Ut 的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正 有负，所得到的 PWM 波也是有正有负。在 Ut 的一个周期内，输出的 PWM 波只有正负 Ud 两种电平，而不像单极性控制时还有零

26、电平。仍然在调制信号 Ut 和载波信号 Uc 的交 点时刻控制各开关器件的通断。在 Ut 的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。 PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制， 来等效地获得所需要的波形。PWM 控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即冲量 相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 SPWM 控制技术是 PWM 控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而 和正弦波等效。 SPWM 逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的 SPWM 逆变电路应 该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成

27、。由信息电子电路组 成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力 电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。 目前应用最为广泛的是电压型 PWM 逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制 法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变 化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因此，调制法应用 最为广泛。 调制法就是把希望输出的波形作为调制信号 Ut，把接收调制的信号作为载波 Uc， 通过信号波的调制得到所期望的 PWM 波形。本次课程设计任务要求设计三相电压源型 逆变电路，输出 PWM 电压波形等效为正弦波，因而

28、信号波采用正弦波，载波采用最常 用的等腰三角形。 2.1.4 设计思路 本次系统设计的是一个输入 220V 直流电压，输出 220V 三相交流电，容量为 3KVA 的三相逆变器，因此，先将输入直流电进行逆变，采用三相桥式 PWM 型逆变电路，得 到 PWM 波，再通过滤波得到交流电压，最后通过三相变压器升压得到 220V 交流电压。 系统结构图如图 2-4： : 图 2-4 系统结构图 2.2 方案设计与选择 2.2.1 逆变电路选择 用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路，但在三相逆变电路中，应用 最广的还是三相桥式逆变电路。他可分为三相电压型逆变电路和电流型逆变电路，其 中电压型的直

29、流侧通常是并一个电容器，而电流型通常是在直流侧串一个电感。 方案一（电压型逆变）：直流侧为电压源，采用并联大电容器来缓冲无功功率， 调制波、载 波 SPWM 波 触发脉冲 AC220VpkIGBT 三相桥 式逆变电路 三相变压器 SPWM 信号发生器 DC220V AC220Vrms LC 滤波电路 驱动电路 则构成电压型逆变器。电压型逆变电路输出电压波形为矩形波，输出电流波形近似正 弦波。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；交流侧输出电压为矩形波；当 交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用等特点。 采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图 2

30、-5 所示： 图 2-5 三相电压型桥式逆变电路 电路中的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两 个电容器并标出假想中点。和单相半桥，全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变 N 电路的基本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相上下180180 桥臂交替导通。因为每次换流都是在上下桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。 方案二（电流型逆变）：采用大电抗器来缓冲无功功率，则构成电流源型变频器。 电流型逆变电路则为电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波。直流侧电流基本无脉 动，直流回路呈现高阻抗；交流侧输出电流为矩形波；当交流侧为阻感负载时需要提 供无功功率，直流侧电

31、感起缓冲无功能量的作用，反馈无功能量时直流电流并不反向 等特点。 采用 IGBT 作为开关器件的三相电流型桥式逆变电路如图 2-6 所示： 图 2-6 三相电流型桥式逆变电路 方案选择：电流型逆变直流侧需加大电感，价格比较昂贵，而电压型逆变器整流 变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点。且直流侧只 需并联一个电容，故选择电压型逆变电路。 2.2.2 SPWM 采样方法选择 方案一(自然采样法)：自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较， 在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得 SPWM 波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦

32、波交点有任意性，脉冲中心在一个周 期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 方案二(规则采样法): 规则采样法如图 2-7，规则采样法一般采用三角波作为载波， 其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻 控制开关器件的通断，从而实现 SPWM 法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦 波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期) 内的位置是对称的。 图 2-7 规则采样法 方案选择：规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单，便于 在线实时运算，尤其是利用软件生成 SPWM 系统。其中非

33、对称规则采样法因阶数多而 更接近正弦，故选择规则采样法。 uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB 2 2 uc u O t ur Tc AD B Ot uo tAtDtB 2 2 3 部分电路设计 3.1 IGBT 三相桥式逆变电路 图 3-1 是三相逆变器的主电路设计图。图中 VlV6 是逆变器的六个功率开关器件， 各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。一组三相对称的正 弦参考电压信号 由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所 要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压 的大小。三角载波信号

34、是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零” C U 的饱和输出，产生 SPWM 脉冲序列波。 该电路采用双极性控制方式，U、V 和 W 三相的 PWM 控制通常公用一个三角载波， c u 三相的调制信号、和依次相差 120 度。当时，给 V4 rU u rV u rW u 2 RUUNd UUU 导通信号，给 V1 关断信号，给 V1、V4 加导通信号时，可能是 V1、V4 导2 UNd UU 通，也可能是 VD1、VD4 导通。和的 PWM 波形只有两种电平。当 d U WN U/ 2 d U 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号，。的波形可由 cRU UU / 2 UNd

35、 UU uv U 得出，当 1 和 6 通时，当 3 和 4 通时，当 1 和 3 VNUN UU UVd UU UVd UU 或 4 和 6 通时，=0。输出线电压 PWM 波由和 0 三种电平构成，负载相电压 PWM UV U d U 波由(2/3) 、(1/3) 和 0 共 5 种电平组成。 d U d U 图 3-1 三相电压型桥式 PWM 型逆变电路 V1 V4 V3 V6 V5 V2 VD1VD3VD5 VD2VD6VD4 R 三三 三三 三三 三三三三 uc u u urU rV rW N L N U V W Ud/2 C C + + - - Ud/2 防直通的死区时间同一相上下

36、两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短 路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的 关断时间决定。死区时间会给输出的 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。 3.2 脉宽控制电路的设计 本次设计采用 ICL8038 产生正弦波给 SG3524 集成 PWM 控制器产生控制信号。 SG3524 可以产生锯齿波，作为载波与正弦波比较，产生 SPWM 信号。 脉宽控制电路结构图如图 3-2： 图 3-2 脉宽控制电路结构图 3.2.1 SG3524 芯片 SG3524 芯片是集成 PWM 控制器，其引脚图如图 3-3 所示： 图 3-3 SG3524 引脚图

37、SG3524 工作过程： 直流电源从引脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器 的输入端，产生稳定的5V 基准电压。5V 再送到内部（或外部）电路的其他元器件 作为电源。 振荡器脚 7 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率 f 由外接电阻 RT 和 电容 CT 决定，f=1.18/RTCT。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 三相正弦波 发生器 SG3524控制信号 反相输入 同相输入 振荡器输出 电流检测+ 电流检测- RT CT 接地 Vinf Vc B 管

38、 E B 管 C A 管 C A 管 E 封锁端 补偿端 态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端 接正弦波调制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生 SPWM 信号。 3.2.2 调制波及载波的产生 正弦波信号由函数发生器 ICL8038 产生。 t u R2 R1 RES 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 ICL8038 ICL8038 R +15V -15V C 三三三 三三三 三三 图 3-4 ICL8038 用于正弦波信号发生 正弦波的频率由、和 C 来决定，其中： 1 R 2 R ， 12 0.15 f

39、= +RR（）C 为了调试方便，将、都用可调电阻，和是用来调整正弦波失真度用的。 1 R 2 R 2 RR 通过查询资料得知，当时，取，其中。f=50 zH 12 +=9.7RRK=0.22 FC 正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波，另外两路得到与正 r u 弦波同频率、同相位的方波和三角波。 ICL8038 的引脚图如图 3-5 所示： 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 SIN ADJ1 SIN OUT TRI OUT DF ADJ1 DF ADJ2 V+ FMBLAS NC NC SIN ADJ2 V- C SO OUT FMIN 图 3-5

40、 ICL8038 引脚图 载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于 SG3524 可以直接产生锯齿波，所以，直 接用 SG3524 本身产生的锯齿波作为载波即可。 3.3 驱动电路的设计 3.3.1 IR2110 芯片 由于产生的 SPWM 信号不能直接驱动 IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片 IR2110。 IR2110 是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体 积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快(典型 ton/toff=120/94ns)、 偏置电压高(600 V)、驱动能力强等特点，同时还具有外部保护封锁端口，常用于驱 动 MOSFET 和

41、IGBT 等电压驱动型功率开关器件。 IR2110 包括逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂输出和下桥臂输出。逻辑输入采 用施密特触发电路，以提高抗干扰能力。由 IR2110 构成的驱动电路如图 3-6 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 IR2110 C1 R2 D? C2 R1 三 三 三 三 三 三 三 HIN SD LIN i1 Uss LO COM Icc Is Ib HO Vcc Idc=500V 图 3-6 IR2110 构成的驱动电路 3.3.2 驱动电路 IR2110 自身的保护功能非常完善：对于低压侧通道，利用 2 片 IR2110 驱动全

42、桥逆 变电路的电路图如图 3-7 所示。 LO 1 COM 2 VCC 3 NC 4 VS 5 VB 6 HO 7 NC 8 VDD 9 HIN 10 SD 11 LIN 12 VSS 13 NC 14 U1 IR2110 D13 IN4148 D4 D1IN4148 C3 104 C1 104 C2 1u C4 100u L1 2mH D5 4.7V D3 15V R5100 R7 20K D6 4.7V Q3 Q4 +15V R8 RES D14 IN4148 R6100 D2IN4148 图 3-7 全桥驱动电路 为改善 PWM 控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小 IGBT 集电极的电

43、压尖脉冲， 一般应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。IR2110 的最大不足是不能产生负偏压， 由于密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易 在栅极上产生干扰。针对这一点，本次课设在驱动电路中的功率管栅极限流电阻上反 向并联了二极管。 3.4 LC 滤波 滤波电容 C 的作用是和滤波电感 L 一起来滤除输出电压中的高次谐波，保证输出 电压的 THD 要求，从减小输出电压 THD 的角度考虑，C 越大越好。但从另一个角度来看， 在输出电压不变的情况下，滤波电容 C 增大意味着无功电流的增加，增加了逆变器的 电流容量，同时也将导致体积重量增加，降低系统效率。因此，滤

44、波电容的选取原则 是在保证输出电压的 THD 满足要求的情况下，取值尽量小。 LC 滤波电路如图 3-8 所示。由于变压器出来的 SPWM 波含有较多基波外的杂波，故 需加 LC 滤波器滤除杂波得到正弦信号波。选择 LC 滤波器的截至频率远远低于 SPWM c f 的频率对开关频率则对开关频率以及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用。但亦不 可太低，否则容易产生低频振荡。 U V W N UOUT VOUT WOUT NOUT 1mH L2 1mH L3 1mH L4 C10C9 6.36F C8 6.36F6.36F 图 3-8 LC 滤波电路 3.5 变压器升压模块 变压器升压电路如图 3-

45、9 所示。由于输入的直流电位 220V，故其基波最大的峰峰 值为 220V，相电压最大有效值为 155.6Vrms,而设计要求输出为 220Vrms，故需要加入 升压变压器。设计采用三个单相变压器组合而成,220V 直流电通过电容 C17 和 C18 分压 得到 110V 作为电压参考点。 W_IN V_IN U_INU V W N T1 T2 T3 +C17 1000uF/150V +C18 1000uF/150V R30 5.1k R29 5.1k 220V 图 3-9 变压器升压电路 4 系统元件有关参数的计算 在电路中输入为220V直流电压，输出为220V交流电压，输出功率为，WP30

46、00 功率因数设为。则电路各元件选取如下：1cos 4.1 开关管和二极管的选择 (1)开关管的选择 最大输出情况下，电流有效值为 A V P I64.13 1220 3000 cos max 开关管额定电流 CE I AIICE28.2764.1322 max 开关管额定电压 CER V 22 220440 CERM VVV (2)二极管的选择 二极管额定电压 RR V 220 RRM VV 最大允许的均方根正向电流 FRFRfrms III57 . 1 2 二极管的额定电流为 A I IFR69 . 8 57 . 1 64.13 57 . 1 max 4.2 L、C 滤波器的设计 最低次谐

47、波为次。因此，最低次谐波的频率12p Hzf1995050) 12002( 以选1/10为例，选滤波电感为1mH，则L、C滤波电容为 F L C 36 . 6 1013.157 1 101 1 ) 19952 1 ( 1 63 2 4.3 变压器参数设计 变压器参数计算： 单个变压器输出功率为： 2 1000PW 单个变压器输入功率： 2 111 1000 *1052.6 0.95 P PUIW 式中 为变压器的效率，这里取 0.95 变压器的额定功率为: 12 1000 1052.6 1026.3 22 PP PW 一次侧电流为： 1 1 1 1052.6 1.2*8.1 155.6 P I

48、KA U 式中 K 是变压器空载电流大小决定的经验系数，容量越小的变压器，K 越大，一般选 1.11.2。 二次侧电流为： 2 2 2 1000 4.5 220 P IA U 故选用三个初级电压为 155.6V、电流为 8.1A，功率为 1052.6W,次级电压为 220V、电 流为 4.5A，功率为 1000W 的单相变压器。 5 基于 matlab 的原理仿真 在具体电路设计之前，本次设计先利用 MATLAB 进行仿真验证，其仿真主体框图如 图 5-1 所示。框图中包括 IGBT 三相逆变半桥模块，LC 滤波器模块，SPWM 产生模块， 其中三相电压幅值控制采用的闭环控制。 图 5-1 系

49、统仿真框图 通过图中的 Measure 模块（即电压测量模块）得到三相电压值，然后经过 Voltage regulartor 块，其内部是采用的 PI 控制器控制方式，得到所需要的正弦波。 在将其输入到 PWM 产生模块，从而得到三相 SPWM 波。其中一路开关的 SPWM 波形如图 5-2 所示。 图 5-2 SPWM 波形图 系统仿真后，其滤波前的 AB 线电压的仿真结果图如图 5-3 所示。 图 5-3 滤波前输出电压波形 其经过三相 LC 滤波器滤波后的三相输出电压波形如图 5-4 所示。 图 5-4 滤波后输出电压波形 结束语 通过一个星期的课程设计学习，我掌握并巩固了电力电子装置及

50、系统的相关知识， 对各种开关元件及芯片有了一定的了解，并且学会了运用它们。并且通过绘制电路图 了解并熟悉了 Altium Designer 的使用。 在课程设计过程中，先按照课本上的知识画出设计的系统框图，选择合适的方案， 然后根据框图对电路各个模块进行设计，最后确定各器件的参数。在部分电路的设计 过程中，SPWM 信号发生器与驱动电路部分都是理论课上没有学习过的，因此，在这一 部分遇到了很大的麻烦，最后通过查阅资料，和同学讨论，设计出这两个模块的电路。 通过本次设计，了解当前先进的电力电子技术和电力电子装置技术，加深了课本 逆变部分理论知识的理解，掌握了逆变电路的基本设计以及 SPWM 技术。同时我加强 了我的基于 DSP 设计的能力。也找到我在某些方面的不足，另外在本次设计前，我通 过 MATLAB 通系统原理进行了仿真，所以加强了我基于 MATLAB 的电力电子方面的仿真 设计