数字式SPWM控制技术研究——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）数字式SPWM控制技术研究 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电 气 学生姓名： 指导教师： 副教授 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）任务书学院： 自动化学院 专业班级： 电气 姓名： 学号： 毕业设计（论文）题目： 数字式SPWM控制技术研究 任务书含以下方面的内容：（一） 设计（论文）主要内容：设计一种50Hz高频逆变器，输入为直流，输出为220V、50Hz交流AC。设计全桥逆变电路，研究逆变控制技术，设计SPWM控制器，建立系统模型并仿真。重点研究单极性SPWM调制技术及双极性BSPWM调制技术，利用MATLAB仿真研究两种调制技术对逆变器的影响及优缺点比较，重点分析比较输出谐波与转换效率。（二） 要求完成的主要任务：1.完成不少于2万印刷符，且与选题有关的英文文献翻译工作；2.查阅相关文献资料（论文参考文献不低于中文13篇，英文2篇）；3.撰写开题报告；4.掌握单极性SPWM调制技术及双极性BSPWM调制技术；5.根据系统要求，完成逆变器主电路与控制电路的硬件设计，主要器件的选型6.完成的控制器的控制策略设计7.MATLAB建模并完成系统仿真8.绘制图纸3张（三） 进度安排第1周-第2周 收集高频链逆变有关资料，分析SPWM调制原理第3周-第4周 设计并比较逆变方案，完成开题报告第5周-第10周 逆变电路设计，相关参数计算第11周-第15周 MATLAB软件仿真实现，比较两种波形FFT并得出结论第16周-第17周 撰写毕业设计报告，完成答辩（四）必读参考资料及主要参考文献1林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:中国电力出版社,20082林渭勋.现代电力电子电路.杭州:浙江大学出版社,20023陈坚.电力电子学-电力电子变换与控制技术.北京:高等教育出版社,2002（五） 其他要求无指导教师签名： 年 月 日系主任签名： 年 月 日院长签名（章）： 年 月 日本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名： 导师姓名、职称： 、副教授 所属学院： 自动化学院 专业班级： 电气0906班 设计（论文）题目：数字式SPWM控制技术研究2013年 3 月 25日开题报告填写要求1开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后两周内完成。2开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3“设计的目的及意义”至少800字，“基本内容和技术方案”至少400字。进度安排应尽可能详细。4指导教师意见：学生的调研是否充分？基本内容和技术方案是否已明确？是否已经具备开始设计（论文）的条件？能否达到预期的目标？是否同意进入设计（论文）阶段？1、 目的及意义（含国内外的研究现状分析）目前，在许多的领域都运用到了直-交流逆变电源，这其中包括新能源领域如燃料电池、太阳能电池的直-交流的变换技术。针对在传统的低频逆变技术中缺点（由于采用的是工频变压器，它体积大、重量大、音频噪声大），有人提出了高频链逆变技术的新概念，该技术利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量，该系统由一个并联逆变器和12个晶闸管组成的周波变换器构成，具有简单的自适应换流、高频电气隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限工作能力等优点，但受当时半导体器件的限制，谐振储能电路工作频率局限在2K-4KHz范围，未完全体现高频链逆变技术的优越性。近年来，随着功率半导体器件的发展，高频链技术引起人们越来越多的兴趣。高频链逆变技术用高频变压器替代了低频逆变技术中的工频变压器，克服了低频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的符性。高频链逆变技术按功率的传输方向可分为单向型和双向型，按功率变换器的类型分为电压源型和电流源型。现有的高频逆变技术大多属于电压源高频链逆变电路，单向电压源高频链逆变器目前已经用于生产。PWM变换器的功率因数高，并且可同时变频、变压及抑制谐波的作用。因此以PWM控制为代表的数字化控制技术迅速发展，并在在电力电子技术领域广泛应用，使得电力电子技术产生了脱胎换骨的变化。目前电力电子设备设计中的研究的热点是电力电子控制技术的高频化和全数字化。使用数字技术实现电力电子器件的控制时，控制器的性能决定了控制系统和整个系统的性能。在场控型自关断器件的不断涌现的同时，相应的高频SPWM技术在电机调速中得到了广泛应用。这种SPWM的脉冲宽度按正弦规律变化，因此能有效抑制低次谐波，使输出的正弦波的谐波含量容易控制在规定的范围内，而无需采用其他降低谐波含量的方法。本论文主要描述的是数字式SPWM波形的研究，课题重点研究单极性SPWM调制技术及双极性BSPWM调制技术，并且得到的相关的波形，通过比较两种波形的谐波率，转换效率以及波形质量，来分析两种调制技术优缺点，从而在不同的场合选择合适的调制技术。2、 研究的基本内容、拟采用的技术方案及措施本论文主要描述的是数字式SPWM波形的研究，课题重点研究单极性SPWM调制技术及双极性BSPWM调制技术，以50Hz高频链逆变器为研究对象，通过MATLAB仿真研究两种调制技术对此种逆变器的影响及优缺点比较。SPWM调制电路本设计采用的是桥式高频链逆变器，电路设计主要分为三个部分：DC/DC变换电路，稳压电路和SPWM逆变电路。DC/DC电路主要完成从直流电源变压到工作电压以及电气隔离，稳压电路主要采用电容电路来消除变压电路中的纹波，SPWM电路是桥式逆变电路在SPWM调制波的触发电路实现的工频交流电的输出，其主电路电路框图模块图如下图1所示大电容滤波直流电压输入PWM高频逆变50Hz正弦输出逆变电路高频变压器图1 主电路电路框图逆变电路模型图如下图2所示图2 逆变电路模型图仿真利用的是MATLAB中的SIMULINK仿真，在搭建的逆变电路中分析在单极性SPWM和双极型SPWM调制得到的波形，并且得到的相关的波形，通过比较两种波形的谐波率，分别进行FFT谐波分析，转换效率以及波形质量，来分析两种调制技术优缺点，从而在不同的场合选择合适的调制技术。3、 进度安排（按周次填写）第1周：查阅相关资料，分析高频链逆变技术与SPWM调制原理第2周：初步确定方案，完成开题报告第3周：确定最终方案，比较并确定最终方案第4周：做中期报告，学习相关学术论文第5周：完成DC/DC的单元电路设计第6周：完成SPWM调制电路的单元电路设计与整体电路设计第7周：完成相关参数的选型并就结果做出分析论证第8周：利用MTALB/Simulink完成电路的仿真第9周：调试仿真电路并且完善电路第10周：绘制得出两种调制电路得到的波形第11周：分析比较输出谐波与转换效率。第12周：分析两种调制技术对逆变器的影响及优缺点比较第13周：撰写论文第14周：交与指导老师验收认证工作第15周：论文装订、评阅第16周：论文答辩4、阅读的参考文献1 林飞，杜欣电力电子应用技术的MATLAB仿真北京：中国电力出版社，20082 林渭勋现代电力电子电路杭州：浙江大学出版社，20023 陈坚电力电子学-电力电子变换与控制技术北京：高等教育出版社，20024 王兆安，黄俊电力电子技术M北京：机械工业出版社，20005 贺益康电力电子技术北京：科学出版社，20106 张燕宾SPWM变频调速应用技术北京：机械工业出版社，20127 张燕宾变频器应用教程（第2版）北京：机械工业出版社，20118 陈国呈PWM逆变技术及应用北京：中国电力出版社，20079 龚纯，王正林MATLAB语言常用算法程序集（第2版）北京：中国电力出版社，200710 王水平PWM控制与驱动器使用指南及应用电路西安：西安电子科技大学出版社，200511 孙向东，钟彦儒高频链逆变技术发展综述.西安：西安理工大学，2010.12 姜振航现代逆变技术.成都：电子科技大学，2011.13 何中一SPWM逆变器控制技术研究.南京：南京航空航天大学，2005.14 William Menke，Joshua Menke. Environmental Data Analysis with MatLabAmerica：McGraw-Hill Professional，201115 Amos GilatNumerical Methods with MATLABAmerica：John Wiley & Sons，20115指导教师意见指导教师签名：_ 年 月 日目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究意义11.2 国内外研究现状21.3 主要研究内容3第2章 逆变电路方案设计52.1 逆变电路整体方案52.2 SPWM脉宽调制技术分析72.2.1 单极性SPWM逆变电路分析92.2.2 双极性SPWM逆变电路分析92.3 SPWM波形脉宽计算10第3章 逆变电路参数计算143.1 输入电源参数计算143.2 逆变电路开关器件选型143.3 缓冲电路参数计算163.4 输出滤波参数计算17第4章 电路建模与控制仿真204.1 SIMULINK软件介绍204.2 逆变电路仿真电路204.3 PI参数计算23第5章 试验结果与对比分析275.1 波形失真度对比分析275.2 效率对比分析325.2.1 开关管损耗325.2.2 损耗输出结果比较365.3 综合比较分析39结束语40参考文献41附 录42致 谢43摘 要本文借助仿真软件MATLAB/Simulink针对一50Hz高频链逆变器为建模对象，分别对单极性调制方法和双极性调制方法两种情况从输出电压效率和谐波两个方面进行了比较，所得的结果对于SPWM调制方法有比较重要的意义。论文主要比较了在单极性SPWM和双极性SPWM调制方式下的逆变器输出电压谐波失真度和输出电压的效率。研究结果表明：单极性调制方式输出电压较双极性调制方式谐波少，输出效率更高。本文的特色在：利用逆变器作为研究对象比较两种调制方式不同功率损耗，从而选择较为合适的调制方式。电路仿真是在MATLAB中的SIMULINK环境下进行的，在搭建的逆变电路中分别分析在单极性SPWM调制和双极型SPWM调制得到的波形，主要从效率和波形的畸变率两项指标来完成两种调制方式优缺点的比较，从而得到理想要求逆变调制方式。关键词：逆变器；SPWM；单极性；双极性AbstractThis thesis mainly describe the study of 50 Hz high frequency inverter with the help of software-MATLAB/Simulink, which mainly study unipolar and bipolar modulation methods in the power efficiency and output voltage harmonic, which play an important role in the SPWM modulation.This paper mainly compares unipolar and bipolar modulation methods of the high frequency inverter in the power efficiency and output voltage harmonic. This study emphasis that: the unipolar modulation has a better performance than the bipolar modulation in two aspects. This paper shining spots lie in that choose the best modulation method by the study of the power efficiency and output voltage harmonic in different modulation. The circuit simulation is under the environment of SIMULINK in MATLAB, respectively in structures, the inverter circuit analysis in single polarity SPWM modulation and bipolar SPWM modulation waveform, mainly from the efficiency and waveform distortion rate of the two indicators to complete the two kinds of modulation mode, compares the advantages and disadvantages, and ideal requirements inverter modulation method.Key words: Inverter；SPWM；Unipolar；Bipolar II武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题研究意义21世纪是能源开发、资源利用与环境保护互相协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与可持续发展战略的重要组成部分。在这种形式下，电力电子技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。而在电力电子领域中，逆变技术有着其重要地位，它是现代电力传动系统的主要支撑，是不间断电源，应急电源的核心技术，更是太阳能，风能潮汐能和化学能等为代表的新能源转化为电能并形成并网发电的关键。此外，逆变技术还在在以直流发电机和燃料电池为直流电源的领域、以变频或恒频为主交流电源以及交流电机变频调速系统中的核心部件逆变器的领域有着广泛的应用前景。经研究发现，当前提出的电流源高频链逆变电路拓扑在每一个工作模式下等效于反激变换器，此种电流模式逆变器具有拓扑紧凑、动态响应好、控制简单、无输出滤波电感等优点。由于电流模式高频链逆变器工作在不连续状态，这就导致了很高的开关电流、电压应力和相当高的导通损耗;在输出电压的正，负半周，变压器都在连续的SPWM脉冲下工作，高频变压器在把能量释放给负载前存储了所有的能量，因存在器件和磁性材料的容量限制等原因，使之难以用于大输的情况，这将引起输入直流侧电压的波动，对直流母线上工作的其他部件造成不良影响。尽管双向逆变器的技术水平高于单向逆变器，但对某一类应用来说依据功能、性能、可靠性和成本等综合考虑，最合适的方案才是最佳方案。对于应用于运输工具、UPS和分布式发电系统大量选用的小功率装置来说，单向电压型高频链逆变器有其自身独特的优势:技术成熟，成本低，可靠性高。尤其对小功率的高频链逆变器来说，产品的成本和可靠性是非常重要的。PWM变换器的功率因数高，并且可同时变频、变压及抑制谐波的作用。因此以PWM控制为代表的数字化控制技术迅速发展，并在在电力电子技术领域广泛应用，使得电力电子技术产生了脱胎换骨的变化。目前电力电子设备设计中的研究的热点是电力电子控制技术的高频化和全数字化。使用数字技术实现电力电子器件的控制时，控制器的性能决定了控制系统和整个系统的性能1。本文主要针对小功率单向电压型高频链逆变器展开理论、技术和工程方面的研究。这一类逆变器的共同点是低压直流输入并且电路拓扑中加入高频链进行隔离，其输出可为一般电气设备提供工频或可变频率的交流电源。这一类电源在航空、民用和新能源转换领域有着较为广泛的应用前景。传统逆变器电路结构由主功率变换电路由全桥逆变器、工频隔离变压器和低频滤波器三部分组成。此种逆变器通常用于UPS、车载电源、光伏电源等小功率电源。此结构中控制电路产生驱动信号来驱动开关器件进行开关动作，将直流电转换为基频为50Hz的正弦脉宽调制波，再经过隔离变压器、低频滤波器得到50Hz的正弦交流。这种传统的逆变电路结构性能可靠、技术成熟，已经得到了广泛的应用，但是仍然存在一定的不足：升压变压器工作在低频状态并且原副边电压差较大，因此，由于传递的电压波形是SPWM波，其中含有的谐波成分会引起变压器的附加发热，为满足散热要求，不得不加大变压器的体积和重量，同时为了减小谐波引起的铁耗，需要采用更薄的冷轧硅钢片，带来成本的增加。同时逆变器体积大，损耗大。由于在全桥逆变器输出端接入了工频隔离升压变压器，无形中增加了整个系统的体积。另外，对于输入电压及负载的波动，装置的动态响应性能较差。1.2 国内外研究现状为了解决以上问题，人们不断提出了各种各样的方法，特别是将逆变器的开关频率提高至20KHz以上，可以解决上面提到的滤波器体积、噪音和动态响应问题，但是由于工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关，只是和变压器的基波频率有关，因此单纯的从提高逆变器的开关频率这方面并不能减小变压器的体积，为了实现逆变电源的小型化、轻便化和高效化的目的，必须研究新的逆变拓扑结构或控制策略。高频链逆变技术就是在这种背景之下应运而生。Mr. Espelage于1977年提出了高频链逆变技术。采用高频链逆变技术的目的就是高频变压器取代基频变压器传输能量，并实现变流装置的一、二次侧的电气隔离，这样不仅仅减小了逆变器的体积、重量，而且也大大提高了逆变器的性能。虽然该文献提出的可变高频链逆变技术的概念具有许多的优点，然而由于当时半导体器件的限制，其工作频率局限在2k4kHz的范围，还不能完全体现出高频链逆变技术的优点。该拓扑结构通过高频DC/DC环节获得合适的直流电压，然后通过逆变器获得所需的交流输出，这种拓扑在DC/DC环节中使用了高频变压器，避免了使用工频变压器。进入上世纪90年代，高频链逆变技术开始受到国内学者的关注，发表了大量的相关文献。有人首次提出了一种适用于中小功率场合、新颖的全桥电流源高频链逆变器，其特点是电路拓扑结构简单，无需输出滤波电感，控制方案容易实现等。进入本世纪，又相继出现了一些新的高频链逆变器电路拓扑结构和控制方案，主要提出了推挽式、半桥式和反激式电流源高频链逆变器的电路拓扑和控制方案，电路结构都是基于反激式Fly-back变换器。它是由高频逆变器和周波变换器组成，其中高频变压器不但提供电气隔离和电压调整还兼具储能作用，因此可以省去输出滤波电感1。与传统的逆变拓扑相比，高频链逆变技术具有的优点有：系统的效率高可接近DC/DC变换器的效率、可靠性较高、系统的动态响应好、输出电压的波形失真度小以及系统易于串并联。在本设计中涉及的高频链技术主要是工程运用中电池电源电压等级不是很高一般都是24V、48V。所以就需要一个高频变压电路实现升压功能，将低压直流先高频逆变得到高频电压，经过变压得到所需电压等级，在经过整流稳压后就可以实现DC/DC的变换，即运用高频链技术1。所谓高频链逆变技术就是采用高频脉冲变压器替代低频变压器传输能量，并实现变流装置的一、二次侧电源之间的电气隔离。从不同角度看高频链逆变器，可以有不同的划分形式。按电路拓扑结构又可分为AC/AC变换型、DC/DC变换型（DC/HFAC/DC/LFAC）和周波变流型。本文主要介绍DC/DC电路。DC/DC这种类型高频链逆变器是目前应用最广泛的单向功率流动电压源高频链逆变器方案，它的经典电路如图1.1所示。该拓扑是在直流侧和逆变器之间插入一级DC/DC变换器，使用高频变压器实现电压调整和电气隔离。很明显，它具有三级功率变换过程：DC/HFAC/DC/LFAC。 图1.1 DC/DC逆变电路拓扑图这种DC/DC变换型式的主要优点有电路中所有开关都是单向的，DC/DC部分和DC/AC部分的控制相对独立，两部分配合起来比较简单，基本上不需要同步。但同时存在一些不足如功率流向单向流动、电路中通态损耗大、并且由于功率级较多，导致可靠性降低。高频链转换器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧凑，功率密度和效率高，响应速度快。另外，系统可以工作在20kHz以上，无音频噪音，滤波相对容易，并且功率可达级以上。因此，无论在恒压恒频（CVCF）领域，还是在调频调压（VVVF）领域都有很大实用价值，它是未来继续研究发展的一个重要课题。1.3 主要研究内容本论文主要描述的是数字式SPWM波形的研究，课题重点研究单极性SPWM调制技术及双极性BSPWM调制技术，并以50Hz高频链逆变器为研究对象，通过MATLAB仿真研究两种调制技术对此种逆变器的影响及优缺点比较。在场控型自关断器件的不断涌现的同时，相应的高频SPWM技术在电机调速中得到了广泛应用。这种SPWM的脉冲宽度按正弦规律变化，因此能有效抑制低次谐波，使输出的正弦波的谐波含量容易控制在规定的范围内，而无需采用其他降低谐波含量的方法。本设计采用的是桥式高频链逆变器，电路设计主要分为三个部分：DC/DC变换电路，稳压电路和SPWM逆变电路。DC/DC电路主要完成从直流电源变压到工作电压以及电气隔离，稳压电路主要采用电容电路来消除变压电路中的纹波，SPWM电路是桥式逆变电路在SPWM调制波的触发电路实现的工频交流电的输出，其主电路具体包括直流电压PWM高频逆变高频变压器快恢复二极管整流大电容滤波SPWM逆变器单相50Hz正弦波输出。仿真利用的是MATLAB中的SIMULINK仿真，在搭建的逆变电路中分析在单极性SPWM和双极型SPWM调制得到的波形，分别进行FFT谐波分析，比较在两种调制方式在桥式逆变电路的优缺点。第一章是绪论部分，主要对本课题研究的背景和意义进行一些阐述，在大量查阅国内外学者对数字式SPWM调制技术的研究文献的基础上，分析了本文主要能够完成的研究与研究目标。第二章主要是针对一个高频链逆变器作为研究对象，对电路的整体方案进行了设计，并且对SPWM调制技术原理和规则采样法进行了分析。第三章是逆变电路主要参数计算，包括输入电源参数、开关管参数计算及选型以及滤波参数计算。第四章是主要是电路建模和控制仿真，本设计主要是MATALB软件simulink模块搭建模型，本章主要介绍了软件的使用方法和反馈电路中PI计算。第五章是比较两种调制方式的输出结果，主要是对电路中波形失真度和效率对比分析两个方面分析。后面是本文结束语和致谢。第2章 逆变电路方案设计本章主要是对文献6中提出的逆变电路中存在的两种调制方案进行原理性分析。2.1 逆变电路整体方案本方案论证主要包括三个部分DC/DC电路、逆变电路和SPWM波形电路三个部分。进一步分析任务书题目要求，在工程应用中需要考虑在负载端或输入端加入有扰动的情况，所以需要在电路中加入一个负反馈，来保持输出电压有效值的稳定，减少纹波的输出。本设计方案的原理框图如图2.1所示。图2.1 方案总体原理框图电池电源输入为低电压，经过PWM高频逆变得到高频的交流电压，再经过高频变压图2.2 DC/DC电路部分电路图器得到输出电压所需要的电压等级，再经过电容稳压电路实现电路的稳压以保持DC/DC电路稳压输出，在经过由SPWM波驱动逆变电路后，可以得到50Hz的正弦电压输出，其中SPWM电路中正弦调制信号的频率为50Hz，三角载波信号频率为20kHz，那么就需要开关管承受20kHz的开关频率。其中，DC/DC部分电路如上图2.2所示。低压直流逆变采用的是全桥逆变电路，驱动信号是高频的PWM波形，从而可以实现输出波形的高频，由于高频技术可以让设备体积更小，其中的优点在第一章中原理分析已经介绍清楚，后面是变压器，变压器可以将电压变压到相关的输出电压中9。在后面就是采用的不控整流电路，将交流整流成所需的电压314V左右的直流电压。图2.3 逆变电路部分电路图上图2.3是逆变电路部分电路图，该逆变电路中是SPWM逆变电路，在经过DC/DC直流变换后得到所需要的电压，在通过单相桥式逆变实现电压的逆变，开关管采用的是IGBT，同时开关管反并联的是一个二极管是在IGBT断开时用来续流的。利用SPWM模块产生的是SPWM波形来驱动电路中开关管的通断。从而实现逆变。由于双极性SPWM逆变器的直接输出电压含有大量的高频谐波, 一般采用LC滤波器(上图2.3所示)滤除输出电压中的高频谐波成分，降低输出电压的总谐波畸变。滤波电感是LC滤波器的重要器件, 而电感电流有效值和电流峰值是滤波电感设计的两个重要参数。由于电路中需要实现负载的扰动，那么还需要在系统运行在某个时刻时加入扰动。具体电路会在仿真电路中给出。同时，在负载发生扰动时，输出电压波形会发生扰动，这就需要在系统中加一个负反馈，让输出电压保持稳定。下图2.4就是负反馈电路系统流程图。在逆变电路末输出的是交流电压，首先使用的是RMS模块，是用来实现计算交流波形电压的有效值，我们知道，参与反馈的需要的是有效值，不然就与给定电压进图2.4 电路中反馈电路图行比较时会发生偏差，所以此处采用的是RMS模块来测定交流电压的有效值。通过与给定220V电压值比较再经过PI调节，其中PI带有限幅值，幅值是没有加反馈时的调制比，得到的可以直接作为带有反馈的调制比系数。另外在电路中除了在负载端加入负载，在输入端电路的直流电压可能存在扰动，由于DC/DC可能存在扰动，直接得到直流模型可以在之上基础上加上一个幅值较小的正弦波，来表示输入扰动。具体PI参数计算在下面参数设置中介绍。2.2 SPWM脉宽调制技术分析在采样控制理论中，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。这是PWM控制的基本思想，也就是面积等效原理 。图2.5 PWM波形示意图如上图2.5所示的，一个正半波可以和等幅不等宽的脉冲序列来等效，但必须使该半波7等分的各部分面积与相对应的7个脉冲序列面积相等，其作用效果才能相等。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而且和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形。正弦脉冲宽度调制的方法很多，其中有同步调制和异步调制、单极性调制和双极性调制等5。这里主要介绍同步调制和单极性调制。在SPWM逆变电路中，调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比称调制度，即MaAr/Ac。载波频率fc与调制信号频率fr之比，称为载波比N，即Nfc/fr。载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。相应地，载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式，称为异步调制。基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；为使PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的3范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。单相桥式逆变器有四个带反并联续流二极管的IGBT组成，分别为VT1VT4，直流侧图2.6 单相桥式逆变电路拓扑图由两个串联电容构成，他们共同提供直流电压Ud，负载为阻感负载，具体电路如图2.6所示，调制电路分别由单相交流正弦调制波形和三角载波组成，其中三角载波和正弦调制波的幅值和频率之比分别被称为调制度和载波频率，这是SPWM调制中的两个重要参数2。本设计主要研究的是单极性SPWM和双极性SPWM调制技术，下面主要分析的是两种调制技术的原理以及比较。2.2.1 单极性SPWM逆变电路分析在上图2.6所示的单相桥式SPWM电压型逆变电路，IGBT作为开头器件，负载为感性负载，工作时VT1和VT2通断状态互补，VT3和VT4通断状态也互补。在负载上可以得到Ud、-Ud和0三种电平。在输入电压U0的正半周，使VT1保持通态、VT2保持断态，VT3和VT4交替通断。由于负载电流i0比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为负。在负载电流为正的时，VT1和VT4导通，U0=Ud；VT4关断时，由于感性负载的电流不能突变，负载电流通过VD3续流，则有U0=0。在负载电流为负的区间，VT1和VT4导通时，i0实际上从VD1和VD4流过，仍有U0=Ud；VT4关断，VT3导通后，i0从VT3和VD1续流，U0=0，这样负载电压U0可以得到Ud和0两种电平。图2.7单极性PWM控制方式波形图同时，在输出电压U0的负半周，使VT2保持通态，VT1保持断态，VT3和VT4交替通断。输出的调制波形与输出电压正半轴相似，控制VT3或VT4通断方法如图2.7所示，其中Uc为三角载波信号，Ur为正弦调制波信号。 2.2.2 双极性SPWM逆变电路分析和单极性SPWM控制方式相对应的是双极性控制方式。在图2.6所示的桥式逆变电路中，对于双极性调制方式，在Ur的半个周期内，载波在正负两个方向变化，所得的SPWM波也有正有负。在Ur的一个周期内，输出SPWM波只有Ud和-Ud两种电平。在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时需要控制各开头器件通断5。图2.8 双极性PWM控制方式波形图在Ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，所以在此处不需要分是正半轴还是负半轴，当UrUc时，给VT1和VT4导通信号，给VT2和VT3关断信号，输出U0UD，如果I00，VT1和VT4导通；如果I00，VD1和VD4导通。当UrUc时，给VT2和VT3导通信号，给VT1和VT4关断信号，输出电压U0-Ud，如果I00，VD2和VD3导通。双极性调制方式如上图2.8所示。对于两种方案的选择，本论文将在第4章继续研究电路中单极性调制和双极性调制两种方案的优劣。2.3 SPWM波形脉宽计算对于SPWM波形的脉宽得到本设计采用的是规则采样法，按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成的SPWM波形的方法称为自然采样法。自然采样法是最为基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。但是这种方法要求复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线控制，因而在工程中实际运用的不多10。规则采样法是一种运用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法。但计算量却比自然采样法小的多。取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。而规则采样法使两者重合，也图2.9 规则采样法说明图就是使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点对称，这样就使计算大为减化。图2.9为规则采样法说明图，在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别是分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。2设正弦调制信号波为ur=asinwrt(2.1)式中，a称为调制度0a1；wr为正弦信号波角频率。从图2.9中可以得到如下关系式1+asinwrtD/2=2Tc/2 (2.2)因此可得到=Tc2(1+asinwrtD) (2.3)在三角波的一个周期内，脉冲两边的间隙宽度为=12Tc-=Tc4(1-asinwrtD) (2.4)结合设计的具体要求：开关频率为20kHz，输出的电压频率为50Hz。那么可以计算出Tc=0.00005s，wr=2f =23.1450=314rad/s，因此可以得到=Tc2(1+asinwrtD)=0.000025(1+asin314tD) (2.5)=Tc41-asinwrtD=0.0000125(1-asin314tD) (2.6)对于双极性电路，在2.2.2中可以知道，在UrUc时输出电压为Ud，在UrUc时输出电压为Ud，在UrUc时输出电压为0，在调制波负半轴，在UrUc时输出电压为0。上面的公式仅使用于双极性的电路，对于单极性电路中，考虑到调制波在正负半轴的差异，同时载波在正半轴时为正和载波在负半轴时为负。图2.10 单极性SPWM规则采样法图对照图2.10可以得到单极性关系式asinwrtD/2=1Tc/2(2.8)=TCasinwrtD (2.9)按照双极性同样可以得到=12(TC-TCasinwrtD)(2.10)那么在正半轴电路中：Ud kTCtkTC+或(k+1)TC-t(k+1)TCU0= (2.11)0kTC+t(k+1)TC-在负半轴电路中：-Ud kTCtkTC+或(k+1)TC-t(k+1)TCU0= (2.12)0kTC+t(k+1)TC-那么可以得到关系式如下：Ud (kTCtkTC+或(k+1)TC-t(k+1)TC)且kTrt(k+0.5)Tr U0=0 kTC+t(k+1)TC- (2.13)- Ud (kTCtkTC+或(k+1)TC-t(k+1)TC)且(k+0.5)Trt(k+1)Tr其中Tr为调制波周期，在本设计中由于输出电压50Hz，那么取Tr=0.02s。第3章 逆变电路参数计算这里参数计算包括电路中输入电源参数、开关管参数、滤波参数的相关计算。设定本逆变器功率为5kW级别的，SPWM调制电路三角波频率为20kHz。3.1 输入电源参数计算根据题目给定的电池电源（24V），经过DC/DC变换器电路，可以得到直流电压，本设计主要研究的是DC/AC部分，对于DC/DC研究本设计就不做仿真研究，依照在之前电路原理分析中的方案，这里我们来计算DC/AC直流母线电压的大小讨论。这里可以直接根据输出电压范围，以及直流母线到电网的电压损失，计算所需的最低母线电压，从而确定直流母线电压。由于输出电压为220V，考虑到20%的左右浮动，那么输出电压为220V的0.8或者1.2即2200.82201.2即184V264V，不考虑开关管、滤波电感引起的压降，直流母线电压范围，（考虑到幅值问题）1841.4142641.414=260V373V。对于开关管导通压降：导通电阻Ron=0.15，由于开关管导通时是上下各导通一个开关管，所以需要考虑两个开关管的压降，那么开关管上的导通压降为20.1912.5=4.75V (3.1)对于开关频率为20KHz，其中死区时间Td=1us，那么死区引起的最大电压损失为U=fsTsU0=20k1u220=4.4V (3.2)对于基波电流在滤波电感上的压降有如下公式UL=2fLI0=23.14501.5m12.5=6V(3.3)那么最小的直流母线电压Udc=373+4.75+4.4+6=388.15V，那么在考虑相关裕量时可以选择直流母线电压为Udc=400V。3.2 逆变电路开关器件选型对于开关管的选择，由于在本设计中SPWM波形三角载波的频率为20KHz，结合电力电子技术中介绍的各种开关管的适用场合，采用的是结合了MOSFET开关管电压控制和开关速度快特点和双极型晶体管与之相反的特点的IGBT管。由于该逆变器的额定电压和额定电流都比较大，且工作频率比较高，工作频率能在10KHz以上的开关器件有MOSFET和IGBT，但是MOSFET的工作电流不是很大，需要采用多管并联。故本设计采用的器件为IGBT，它集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、过流电流大的优点，已经开始成为中等功率电力电子装置中大的主流器件。IGBT为电压驱动，所需的驱动功率小，开关损耗小，工作频率高。在电路中给IGBT反并联的二极管是在逆变电路工作时起续流作用的。下面主要分析IGBT开关管电流电压主要的参数，按照第1章中分析的原理，开关管中需要考虑的参数包括： 开关管导通时，流过的IGBT电流It； 开关管断开时，IGBT需要承受最大反向电压和最大正向电压Uoff1和Uoff2； 开关管断开时，续流二极管流过的最大电流和承受的最大电压。由于续流二极管状态和电流和二极管中流过的电流和电压是相同的，所以容量的考虑可以直接考虑It 、Uoff1和Uoff2。另外还要考虑的包括栅极驱动，由于本电路涉及的主要是开关管在电路中功率损耗，那么驱动相关参数在此处不做详细分析。下面主要就在单极性和双极性电路分析。在单极性电路中，分析第一章电路中的原理，在输出电压正半轴时，负载端承受电压为Ud和0，在输出电压负半轴时，负载端承受电压为-Ud和0，那么IGBT四个开关管承受最大关断电压为Ud，IGBT导通时通过最大的电流不会超过输入端电流，续流电路中二极管导通时最大的电流为输入端电流。在双极性电路中，同样分析在第一章的内容，在输入电压无论正负半轴，负载端输出电压为Ud和-Ud，那么四个IGBT开关管承受的最大关断电压为Ud，IGBT导通时通过最大电流不会超过输入端的电流，续流电路中的导通时最大电流为输入端电流。查阅相关资料可以得到后面的DC/AC变换器效率大约为96%，这里需要确定逆变器开关管的耐压和耐流；由于由3.1中计算得到，选择直流母线电压约为400V。考虑到逆变桥能正常工作并含有一定的安全裕量，选择开关管的耐压为Umin= 600V，逆变器以最大功率正常工作时，流过MOS管的电流峰值和主电路峰值相等。因此，在选取MOS管的电流额定值时，必须大于电感电流峰值的最大值。由设计指标的要求可知，逆变器的最大输出功率为5kW，输出电压为184V，可以算出电流最大值： Imax1=2PU=50002184=38.42A(3.4)所以逆变器开关管的耐压和耐流：600V/40A，网上查询相关资料，可以找到很多符合条件的开关管，综合其它温度等因素，可以选取的型号为BSM50GB60 DLC，该型号的具体参数参见附录。3.3 缓冲电路参数计算缓冲电路又叫吸收电路，用来抑制电力电子器件的内因过电压或者过电流，以减小器件的开关损耗。由于IGBT工作在比较高的开关频率下，主回路有分布电感，逆变桥如果不加缓冲电路，工作时会出现过大的尖峰电压加在开关器件上，必然会使开关器件损坏，故需要在IGBT的集电极和发射极之间加吸收电路，吸收IGBT关断过程中出现的尖峰电压。在母线上加入开通缓冲电路，抑制开通时的过电压和过电流2。关于导通缓冲电路，在桥式电路中，为了限制了二极管反响恢复期间桥臂电流的上升率，应该设置开通缓冲电感，选用IGBT的DI/DT额定为1500，则所选电感值为L0Uddidt=220V1500Aus=0.14uH （3.5）该电感应该是线性的，可以