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三相逆变电源研究 小组成员：林燕贞 丁仲侣 郁舒雁 指导老师：李强（自动化院 ） 课题背景 l逆变器就是一种将低压（12伏或24伏或48伏 ）直流电转变为220伏交流电的电子设备。 l因为我们通常是将220伏交流电整流变成直 流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因 此而得名。 现代逆变技术 逆变技术，逆变技术就是电力电子技术上的使直流变成交流 (DC/AC)的一门技术， 是电力电子学四种变换技术中最主要的 一种。 l1）按逆变器输出交流的频率分为：工频、中频、和高频逆变 ； l2）按交流侧与电网相接或与负载分为：无源逆变和有源逆变 ； l3）按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变和非正弦波逆 变； l4）按逆变器输出的交流的相数分为：单相逆变、三相逆变和 多相逆变； l5）按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源逆变和电流源 逆变； l6）按逆变器的控制方式分为：脉宽调制（PWM）逆变、脉频 调制（PFM）逆变和数字逆变。 逆变器用功率开关器件 主要功率开关器件 l晶闸管 l电力场效应管 l电力（GTR）晶体管 l绝缘栅双极晶体管 器件的选择 l通过对各种功率器件的分析，对于本次逆变 电源设计将选用IGBT场效应晶体管作为逆变 器用功率开关器件 IGBT的结构和特点 IGBT的基本特性 l静态特性 l动态特性 静态特性 l输出伏-安特性 l转移特性 输出伏-安特性 转移特性 高温特性 lIGBT具有优良的高温通态特性，在环境温度 （散热片温度）达到200左右时，仍能正常 工作。 动态特性 l导通特性 l关断特性 导通特性 l一般情况下，IGBT的栅极加有一个负偏压以 保证IGBT可靠地处于关断状态。当栅极电压 由这个负偏压开始往正方向变化时，由于栅 极电容有个充电过程，在经过一段时间后， 达到栅极开启电压，IGBT的集电极电流才有 漏电流开始增加。这段时间称为导通延迟时 间。 关断特性 l在IGBT处于导通状态时，栅极电容上充有正 电压，当向负方向变化时，由于栅极电容有 个放电过程，在经过一段时间后，减小到栅 极开启电压，集电极电流开始下降。这段时 间称为存储时间。 IGBT的擎住效应和安全工作区 l因为集电极电流过大（静态擎住电流），可 能是因为duce/dt过大（动态擎住效应），温 度升高会加重发生擎主效应的危险。由于动 态擎住电流比静态擎住电流所允许的集电极 电流还要小，因此器件给出的通常按动态擎 住效应来规定 IGBT驱动电路的要求 l电压足够陡的上升沿和下降沿，使IGBT开关时间短 ，开关损耗小。 l由驱动电路提供的驱动电压和驱动电流要有足够的 幅值，一般选取15V. l在关断过程中，施加一定幅值的负驱动电压（一般 取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 lIGBT内部存在寄生晶闸管，当集电极电流IC过大或 IGBT关断过程中 太高时，都可能使寄生晶闸管误导 通，形成静态和动态擎住效应，使IGBT失控。故应 注意限制IGBT集电极电流的最大值。 逆变电路的选择 电压型逆变电路 l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。 l由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形 位矩形波，并且与负载阻抗角无关。 l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。为了给交流侧向直流 侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了 反馈二极管。 单相电压型逆变电路 l半桥逆变电路 l全桥逆变电路 半桥逆变电路 优点 l其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压较 低，绝不会超过输入电压的峰值； l晶体管的饱和电压也降至最低； l输入滤波电容的耐压也可以减小。 全桥逆变电路 4个桥臂。高频变压器T连接在它们中 间。相对臂的驱动电路激励而交替导 通，将直流输入电压变换成高频方波 交流电压。 三相电压型逆变电路 l本课题设计采用IGBT作为开关器件的电压型 三相桥式逆变电路 l基本工作方式是180度导电方式,即每个桥臂 的导电度数为180度,同一相上下两个臂交替 导电,个相导电的角度依次相差120度,这样, 在任一瞬间,将三个桥臂同时导通。 逆变电路的选择 本系统选择三相电压型逆变电路作主电路 采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器 件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量 ，然后再给应导通的器件发出开通信号，即 在两者之间留一个短暂的死区时间 主电路设计 l斩波器的设计 l整流与逆变电路 斩波器的设计 l该电路使用一个全控型器件V，本设计采用 的是IGBT。为在V关断时给负载中的电感电 流提供通道，设置了续流二极管VD。 整流与逆变电路 l整流电路 l逆变电路 整流电路 l由六个二极管组成三相整流桥，将电源的三 相交流电全波整流成直流电。 逆变电路 l器件换流和强迫换流 是由于器件本身或变 流器自身的原因而实 现换流，属于自换流 ； l电网换流和负载换流 不是依靠变流器内部 的原因而实现换流， 属于外换流。 l电压型逆变电路 控制电路的设计 l正弦脉宽调制波（SPWM）的产生原理 lSPWM波形的产生方法 l正弦脉宽调制的调制算法 正弦脉宽调制波的产生原理 l面积等效原理 脉宽调制的控制方式 l参加调制的载波和参考信号的极性不变，称 为单极性调制; l三角载波信号和正弦波信号具有正负极性， 则称为双极性调制。 SPWM波形的产生方法 l自然采样法 l 按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三 角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去 生成SPWM波形，成为自然采样法。 l 规则采样法 l为使采样法的效果既接近自然采样法，没有 过多的复杂运算，又提出了规则采样法。 正弦脉宽调制的调制算法 l在SPWM逆变器中，载波频率fc与调制信号 频率fr之比N=fc/fr，称为载波比。根据载波 和信号波是否同步及载波比的变化情况， SPWM逆变器调制方式分为异步调制和同步 调制。 异步调制 l当调制信号频率fr变化时，载波比N是变化的 。 l特注：在采用异步调制方式时，希望尽量提 高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍 能保持较大的载