基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路.doc

基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路.txt台湾一日不收复，我一日不过4级！如果太阳不出来了，我就不去上班了；如果出来了，我就继续睡觉！ 本文由czrecall贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 电力电子技术课程设计报告 题目： 逆变电路设计 题目：三相桥式 PWM 逆变电路设计 学 姓 学 院： 名： 号： 专业班级： 专业班级： 指导老师： 指导老师： 时 间： 目 录 课题背景*2 三相桥式 SPWM 逆变器的设计内容及要求*3 SPWM 逆变器的工作原理*3 MATlAB 仿真设计*12 硬件实验*19 实验总结*23 附录一 附录二 Matab 简介*24 Protel 简介*25 参考文献*26 1 逆变电路设计 三相桥式 PWM 逆变电路设计 一、课题背景 正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装 置被广泛地应用于国民经济生产生活中 ,其中有:针对计算机等重要负载进行断 电保护的交流不间断电源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ;针对交流异步电动 机 变 频 调 速 控 制 的 变 频 调 速 器 ; 针 对 智 能 楼 宇 消 防 与 安 防 的 应 急 电 源 EPS ( Emergence Power Supply) ;针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply) ;还有针对风力发电、 太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制 理论的发展与电力电子器件的不断革新 ,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出 现 ,大大简化了正弦逆变电源的换相问题 ,为各种 PWM 型逆变控制技术的实 现提供了新的实现方法 ,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制. 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR） 、可关断晶闸管（GTO） 、晶体管（BJT） 、 绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、 模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高可靠性、驱 动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能， 采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。 IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并 联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管 IGBT 模块在大功 率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效 机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一 个问题。 随着电力电子技术的飞速发展， 正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各 个领域中， 与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要 求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动 态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略， 已成为电力电子领域的研究热点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到 SPWM 波，一般都采用 双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的 6 个功率管都工作在较高频率 (载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对 正弦波输出变压变频电源 SPWM 调制方式及数字化控制策略进行了研究，以 SG3525 为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变 2 频输出。 二、三相桥式 SPWM 逆变器的设计内容及要求 对三相桥式 pwm 逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直 要求频率范围： 10Hz100Hz。 流电压为 100 V。 三相阻感负载， 负载中 R=2 ? ,L=1mH， 设计要求：1.理论设计：了解掌握三相桥式 PWM 逆变电路的工作原理，设计三相 桥式 PWM 逆变电路的主电路和控制电路。包括： IGBT 电流，电压额定的选择 驱动保护电路的设计 画出完整的主电路原理图和控制原理图 列出主电路所用元器件的明细表 2.仿真试验： 利用 MATLAB 仿真软件对三相桥式 pwm 逆变电路的主电路及控制 电路进行仿真建模，元件管脚数，并进行仿真试验。 3.实际制作：利用 PROTEL 软件绘出原理图，结合具体所用外型尺寸，考虑散 热和抗干扰等因素，设计 PCB 印刷电路板。最后完成系统电路组装，调试。 三、SPWM 逆变器的工作原理 由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作 N 等 分。 然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高 矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半 周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。由于各脉冲的幅值 相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器 中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了(见图 2-1，2-2，2-3 )。逆变 器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。 当逆变器各开关器件都是在理想状态 下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是 很容易推断出来的。 从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控 制逆变器中各开关器件通断的依据。 但较为实用的办法是引用通信技术中的“调 3 制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波 (ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 SPWM 中 常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当 它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到 一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结 果 （2-1）可控整流器调压、六拍逆变器变频 (2-3) 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频 2-3 不控整流、PWM 逆变器调压调频 1. 工作原理 图 2-4 是 SPWM 变频器的主电路，图中 VTlVT6 是逆变器的六个功率开关器 件(在这里画的是 IGBT)，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。图 2-5 是它的控制电路，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 U C 是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的 饱和输出，产生 SPWM 脉冲序列波 U da , U db , U dc 作为逆变器功率开关器件的 4 驱动控制信号。 2-4 主电路 当 U rU uUN = ?U d / 2 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号 uUN = ?U d / 2 给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通。 U d 和 uWN 的 PWM 波形只有Ud/2 两种电平。当 urUuc 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号， uUN = ?U d / 2 。 uUV 波形可由 uUN uVN 得出，当 1 和 6 通时， uUV =0。输出 uUV = U d ，当 3 和 4 通时， uUV = U d ，当 1 和 3 或 4 和 6 通时， 线电压 PWM 波由Ud 和 0 三种电平构成负载相电压 PWM 波由(2/3) U d 、( 1/3) U d 和 0 共 5 种电平组成。 防直通的死区时间同一相上下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。 5 2-5 控制电路 1.自然采样法 自然采样法 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。如图 2-8 所示 图 2-8 自然采样法原理图 2.规则采样法 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。其出发点是设法使 SPWM 波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。这样， 6 图 2-9 中的 法。计算就大大简化了。 图 2-9 规则采样法原理图 3.双极性正弦波等面积法 正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成 H， 个区段， 区段数 H t 一定是 6 的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差 120 ，要从一相正弦波方便 地得到其他两相，必须把一个周期分成 6 的整数倍。由图 2-10 可见， H t 越大， 输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这 N 个 等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改 善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间 1 2 。如图 2-10 所 示其正弦波面积为 7 四、 MATlAB 仿真设计 1） 主电路 整个三相桥式 PWM 逆变电路的设计分为两块主电路部分和控制电路部 分。据原理图 1，在 Simulink 中搭建系统主电路如下图所示。主要用到了 simpowersystems 工具箱和 Simulink 工具箱。图中的逆变主电路用 Universal Bridge 则更加简单。图中的变压器起到隔离作用，使得 spwm 波和负载波形同时 能测取。 主电路原理图如下： 8 图 2-11 主电路原理图 9 2） 控制电路设计 控制电路原理如下：据自然采样法，三个互差 120 的正弦波与高频三角载 波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥 臂 IGBT 的导通与关断。这样产生的六路 spwm 波分别控制六个 IGBT 的通断，从 而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。图中的三角载波用 S 函数产生。 o 图 2-12 三相桥式 PWM 逆变电路中的控制部分电路 MATLAB 仿真模型 3） 仿真结果与分析 产生频率为 30HZ 时的实验 10 将控制电路中的三相正弦波函数发生器 Sine Wave 的频率调为 30HZ，即在频率 参数栏中输入 60*pi，则系统输出频率也应为 30HZ。 仿真运行系统，显示如图 2-13 所示。 图 2-13 频率为 30HZ 仿真模型 11 从图 2-13 可以看出，系统输出正弦波周期为 0.033s 左右，即频率约为 30HZ.前 三路波形分别为 uUN,uVN,uWN,第四路为滤波前的 uVW，第五路为滤波后的 uVW。 产生频率为 50HZ 时的实验 图 2-14 频率为 50HZ 的仿真模型 从图 2-14 可以看出，系统输出正弦波周期为 0.02s，即频率为 50HZ。 12 产生频率为 100HZ 时的实验 图 2-15 频率为 100HZ 的仿真模型 从图 2-15 可以看出，系统输出正弦波周期为 0.01s，即频率为 100HZ。 4） 滤波装置 13 图 2-16 LC 滤波装置 L 为工频电感，电感量可选为 12mH。为减小噪声，选闭合铁芯，如 OD 型 硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯 C 为工频电容，可以选 CBB61-10F-250VAC 5 . 带滤波频率为 100 Hz，三正弦波源电压幅值 0.8V 时逆变波形图 图 2-17 带滤波的电流 c ,电压 U ab , U aN 14 i 带滤波，为 50 Hz，三正弦波源电压幅值 0.8V 时逆变波形图 图 2-18 带滤波的电流 c ,电压 U ab , U aN 图 i 加 LC 滤波装置后发现输出电流 ic ,电压 U ab , U aN 为标准正弦波.通过调节信 调节信号波波的 fo, uo 影响 SPWM 的频率和脉宽改变 IGBT 导通时间，从而可 改变输出电压电流频率幅值。 五、硬件实验 1. IGBT 选择 逆变器允许输出峰值电流为 Im=3Iom=3*5.5A=16.5A （4-1） 所以开关管的电流定额可以选为 600V。我们可以选 30A，600V，TO-247 封 装的 IGBT 管，如三星公司的 SGH30N60VFD、IR 公司的 IRGPC50KD2、HARRIS 公司 的 HGTG27N60C3DR、IXYS 公司的 IXSH30N60AVI 等 5 6 。 15 2. IGBT 驱动保护电路选择 本设计采用日本富士公司的 EXB841（日本富士公司的 EXB 系列混合集成电 路是生产的 IGBT 专用驱动芯片）高速集成芯片去驱动。它本身具有驱动电流放 大能力，同时具有使控制电路和 IGBT 所在主电路间实现电流隔离的功能，还具 有过电流保护功能 7 。 驱动芯片 EXB841 的控制原理 EXB841 的驱动主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流 保护动作过程。14 和 15 两脚间外加 PWM 控制信号，当触发脉冲信号施加于 14 和 15 引脚时，在 GE 两端产生约 16V 的 IGBT 开通电压；当触发控制脉冲撤销时， 在 GE 两端产生-5.1V 的 IGBT 关断电压。过流保护动作过程是根据 IGBT 的 CE 极 间电压 Uce 的大小判定是否过流而进行保护的，Uce 由二极管 Vd7 检测。当 IGBT 开通时， 若发生负载短路等发生大电流的故障， Uce 会上升很多， 使得 Vd7 截止， EXB841 的 6 脚 “悬空” B 点和 C 点电位开始由约 6V 上升， ， 当上升至 13V 时， Vz1 被击穿，V3 导通，C4 通过 R7 和 V3 放电，E 点的电压逐渐下降，V6 导通，从而 使 IGBT 的 GE 间电压 Uce 下降，实现软关断，完成 EXB841 对 IGBT 的保护。射极 电位为-5.1V，由 EXB841 内部的稳压二极管 Vz2 决定。 其典型接线图如下： 图 2-19 M57962L 型 IGBT 驱动器的原理与接线图 16 Protel 仿真图如下 图 2-20 单个 IGBT 驱动保护电路原理图和控制及其驱动电路 PCB 图 2-21 单个 IGBT 驱动保护电路原理图 17 3. 硬件实现 利用 PROTEL DXP 做得自动布线图如下 图 2-22 PROTEL DXP 自动布线图 18 六、实验总结 这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的 很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联 系实际的能力还急需提高。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出, 分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训 练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前 活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌 握电子的开发技术是十分重要的。 回顾此次电力电子技术课程设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从选题到 定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以 学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很 多在书本上所没有学到过的知识。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重 重， 这毕竟第一次做的， 难免会遇到过各种各样的问题， 比如有时候被一些小的， 细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。 最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。 自己看起来多完美的设计在实践 下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多 不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固.以 前认为学了没用的课程现在也用到了。比如电工基础电力电子器件开 、 、 关电源技术等课程，看起来不是很有用的东西现在去都集中在一块儿了。 所谓“态度决定一切” ，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以 下几点： 温故而知新。课程设计开始的时候思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习 不够扎实的我们深感“书到用时方恨少” ，于是想起圣人之言“温故而知新” ，便 重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再 向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌 握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。 思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理 论知识梳理掌握之后，茅塞顿开 实践出真知。到今天，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的 唯一标准”学海无涯，学无止境。尽管课程设计是在本学期开始，我们的教材学 习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，由于 SPWM 控制信 号的产生比较复杂，我们查阅很多资料，尝试过用不同方法设计产生，比如分立 元件，集成芯片，最终选择了用 SG3524 集成芯片，电路接线虽很复杂，但其能 实现的功能很强大，以后还需进一步学习运用。最后我们还尝试用 PROTEL DXP 设计画出部分的实际电路板图，要考虑更多的问题提出了更高要求。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎 刃而解。同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习。它培养了我们严谨科学 的思维，通过它架起理论与实践桥梁。 19 附录一 Matab 简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开 发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环 境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 MATLAB 是矩阵实验室 矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和 Mathemati 矩阵实验室 ca、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算 方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、 创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制 设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领 域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常 用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语 言完相同的事情简捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优 点,使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN，C+ ，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写 的 实 用 程 序 导 入 到 MATLAB 函 数 库 中 方 便 自 己 以 后 调 用 ， 此 外 许 多 的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以 用。 matlab 特点 此高级语言可用于技术计算 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值 积分等 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、 C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成 20 附录二 Protel 简介 Altium 公司作为 EDA 领域里的一个领先公司，在原来 Protel 99SE 的 基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于 Windows2000 和 Windows XP 操作系统的 EDA 设计软件 Protel DXP。 Protel DXP 在前 版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示 器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强 的用户界面等。Protel DXP 是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计 系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照 自己的设计方式实现。Protel DXP 运行在优化的设计浏览器平台上，并且 具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的 PCB 设计过程。通过 设计输入仿真、PCB 绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输 出等技术融合，Protel DXP 提供了全面的设计解决方案。 Protel DXP2004 是 Altium 公司于 2004 年推出的最新版本的电路设计 软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间 的所有分析验证和设计数据的管理。当前比较流行的 Protel 98、Protel 9 9 SE，就是它的前期版本。 Protel DXP 2004 已不是单纯的 PCB（印制电路板）设计工具，而是 由多个模块组成的系统工具，分别是 SCH（原理图）设计、SCH（原理图） 仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和 FPGA 设 计等，覆盖了以 PCB 为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原 理图和 PCB 图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真 等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。 与较早的版本Protel99 相比，Protel DXP 2004 不仅在外观上显得 更加豪华、 人性化， 而且极大地强化了电路设计的同步化， 同时整合了 VHDL 和 FPGA 设计系统，其功能大大加强了。 21 参考文献： 参考文献 ： 【1】电力电子技术王兆安 黄俊 【2】Protel2004神龙工作室 人民邮电出版社 【4】 Altium Designer6 电路图设计百例 姜艳波 化学工业出版社 【5】 电路设计与制板 Protel DXP 典型实例 老虎工作室 倪泽峰 江 中华 人民邮电出版社 【6】田健，郭会军，王华民，等大功率IGBT瞬态保护研究 力电子技术 【7】电力电子技术手册(精)/国外电气工程名著译丛 机械 工业出版社 (2004-01 出版) 西安 机械工业出版社 北京人民邮电出版社 【3】 Protel DXP 电路设计制版入门与提高 雪茗斋电脑教育研究室 22 1本文由czrecall贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 电力电子技术课程设计报告 题目： 逆变电路设计 题目：三相桥式 PWM 逆变电路设计 学 姓 学 院： 名： 号： 专业班级： 专业班级： 指导老师： 指导老师： 时 间： 目 录 课题背景*2 三相桥式 SPWM 逆变器的设计内容及要求*3 SPWM 逆变器的工作原理*3 MATlAB 仿真设计*12 硬件实验*19 实验总结*23 附录一 附录二 Matab 简介*24 Protel 简介*25 参考文献*26 1 逆变电路设计 三相桥式 PWM 逆变电路设计 一、课题背景 正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装 置被广泛地应用于国民经济生产生活中 ,其中有:针对计算机等重要负载进行断 电保护的交流不间断电源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ;针对交流异步电动 机 变 频 调 速 控 制 的 变 频 调 速 器 ; 针 对 智 能 楼 宇 消 防 与 安 防 的 应 急 电 源 EPS ( Emergence Power Supply) ;针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply) ;还有针对风力发电、 太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制 理论的发展与电力电子器件的不断革新 ,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出 现 ,大大简化了正弦逆变电源的换相问题 ,为各种 PWM 型逆变控制技术的实 现提供了新的实现方法 ,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制. 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR） 、可关断晶闸管（GTO） 、晶体管（BJT） 、 绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、 模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高可靠性、驱 动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能， 采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。 IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并 联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管 IGBT 模块在大功 率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效 机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一 个问题。 随着电力电子技术的飞速发展， 正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各 个领域中， 与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要 求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动 态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略， 已成为电力电子领域的研究热点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到 SPWM 波，一般都采用 双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的 6 个功率管都工作在较高频率 (载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对 正弦波输出变压变频电源 SPWM 调制方式及数字化控制策略进行了研究，以 SG3525 为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变 2 频输出。 二、三相桥式 SPWM 逆变器的设计内容及要求 对三相桥式 pwm 逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直 要求频率范围： 10Hz100Hz。 流电压为 100 V。 三相阻感负载， 负载中 R=2 ? ,L=1mH， 设计要求：1.理论设计：了解掌握三相桥式 PWM 逆变电路的工作原理，设计三相 桥式 PWM 逆变电路的主电路和控制电路。包括： IGBT 电流，电压额定的选择 驱动保护电路的设计 画出完整的主电路原理图和控制原理图 列出主电路所用元器件的明细表 2.仿真试验： 利用 MATLAB 仿真软件对三相桥式 pwm 逆变电路的主电路及控制 电路进行仿真建模，元件管脚数，并进行仿真试验。 3.实际制作：利用 PROTEL 软件绘出原理图，结合具体所用外型尺寸，考虑散 热和抗干扰等因素，设计 PCB 印刷电路板。最后完成系统电路组装，调试。 三、SPWM 逆变器的工作原理 由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作 N 等 分。 然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高 矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半 周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。由于各脉冲的幅值 相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器 中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了(见图 2-1，2-2，2-3 )。逆变 器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。 当逆变器各开关器件都是在理想状态 下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是 很容易推断出来的。 从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控 制逆变器中各开关器件通断的依据。 但较为实用的办法是引用通信技术中的“调 3 制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波 (ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 SPWM 中 常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当 它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到 一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结 果 （2-1）可控整流器调压、六拍逆变器变频 (2-3) 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频 2-3 不控整流、PWM 逆变器调压调频 1. 工作原理 图 2-4 是 SPWM 变频器的主电路，图中 VTlVT6 是逆变器的六个功率开关器 件(在这里画的是 IGBT)，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。图 2-5 是它的控制电路，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 U C 是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的 饱和输出，产生 SPWM 脉冲序列波 U da , U db , U dc 作为逆变器功率开关器件的 4 驱动控制信号。 2-4 主电路 当 U rU uUN = ?U d / 2 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号 uUN = ?U d / 2 给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通。 U d 和 uWN 的 PWM 波形只有Ud/2 两种电平。当 urUuc 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号， uUN = ?U d / 2 。 uUV 波形可由 uUN uVN 得出，当 1 和 6 通时， uUV =0。输出 uUV = U d ，当 3 和 4 通时， uUV = U d ，当 1 和 3 或 4 和 6 通时， 线电压 PWM 波由Ud 和 0 三种电平构成负载相电压 PWM 波由(2/3) U d 、( 1/3) U d 和 0 共 5 种电平组成。 防直通的死区时间同一相上下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。 5 2-5 控制电路 1.自然采样法 自然采样法 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。如图 2-8 所示 图 2-8 自然采样法原理图 2.规则采样法 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。其出发点是设法使 SPWM 波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。这样， 6 图 2-9 中的 法。计算就大大简化了。 图 2-9 规则采样法原理图 3.双极性正弦波等面积法 正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成 H， 个区段， 区段数 H t 一定是 6 的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差 120 ，要从一相正弦波方便 地得到其他两相，必须把一个周期分成 6 的整数倍。由图 2-10 可见， H t 越大， 输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这 N 个 等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改 善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间 1 2 。如图 2-10 所 示其正弦波面积为 7 四、 MATlAB 仿真设计 1） 主电路 整个三相桥式 PWM 逆变电路的设计分为两块主电路部分和控制电路部 分。据原理图 1，在 Simulink 中搭建系统主电路如下图所示。主要用到了 simpowersystems 工具箱和 Simulink 工具箱。图中的逆变主电路用 Universal Bridge 则更加简单。图中的变压器起到隔离作用，使得 spwm 波和负载波形同时 能测取。 主电路原理图如下： 8 图 2-11 主电路原理图 9 2） 控制电路设计 控制电路原理如下：据自然采样法，三个互差 120 的正弦波与高频三角载 波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥 臂 IGBT 的导通与关断。这样产生的六路 spwm 波分别控制六个 IGBT 的通断，从 而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。图中的三角载波用 S 函数产生。 o 图 2-12 三相桥式 PWM 逆变电路中的控制部分电路 MATLAB 仿真模型 3） 仿真结果与分析 产生频率为 30HZ 时的实验 10 将控制电路中的三相正弦波函数发生器 Sine Wave 的频率调为 30HZ，即在频率 参数栏中输入 60*pi，则系统输出频率也应为 30HZ。 仿真运行系统，显示如图 2-13 所示。 图 2-13 频率为 30HZ 仿真模型 11 从图 2-13 可以看出，系统输出正弦波周期为 0.033s 左右，即频率约为 30HZ.前 三路波形分别为 uUN,uVN,uWN,第四路为滤波前的 uVW，第五路为滤波后的 uVW。 产生频率为 50HZ 时的实验 图 2-14 频率为 50HZ 的仿真模型 从图 2-14 可以看出，系统输出正弦波周期为 0.02s，即频率为 50HZ。 12 产生频率为 100HZ 时的实验 图 2-15 频率为 100HZ 的仿真模型 从图 2-15 可以看出，系统输出正弦波周期为 0.01s，即频率为 100HZ。 4） 滤波装置 13 图 2-16 LC 滤波装置 L 为工频电感，电感量可选为 12mH。为减小噪声，选闭合铁芯，如 OD 型 硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯 C 为工频电容，可以选 CBB61-10F-250VAC 5 . 带滤波频率为 100 Hz，三正弦波源电压幅值 0.8V 时逆变波形图 图 2-17 带滤波的电流 c ,电压 U ab , U aN 14 i 带滤波，为 50 Hz，三正弦波源电压幅值 0.8V 时逆变波形图 图 2-18 带滤波的电流 c ,电压 U ab , U aN 图 i 加 LC 滤波装置后发现输出电流 ic ,电压 U ab , U aN 为标准正弦波.通过调节信 调节信号波波的 fo, uo 影响 SPWM 的频率和脉宽改变 IGBT 导通时间，从而可 改变输出电压电流频率幅值。 五、硬件实验 1. IGBT 选择 逆变器允许输出峰值电流为 Im=3Iom=3*5.5A=16.5A （4-1） 所以开关管的电流定额可以选为 600V。我们可以选 30A，600V，TO-247 封 装的 IGBT 管，如三星公司的 SGH30N60VFD、IR 公司的 IRGPC50KD2、HARRIS 公司 的 HGTG27N60C3DR、IXYS 公司的 IXSH30N60AVI 等 5 6 。 15 2. IGBT 驱动保护电路选择 本设计采用日本富士公司的 EXB841（日本富士公司的 EXB 系列混合集成电 路是生产的 IGBT 专用驱动芯片）高速集成芯片去驱动。它本身具有驱动电流放 大能力，同时具有使控制电路和 IGBT 所在主电路间实现电流隔离的功能，还具 有过电流保护功能 7 。 驱动芯片 EXB841 的控制原理 EXB841 的驱动主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流 保护动作过程。14 和 15 两脚间外加 PWM 控制信号，当触发脉冲信号施加于 14 和 15 引脚时，在 GE 两端产生约 16V 的 IGBT 开通电压；当触发控制脉冲撤销时， 在 GE 两端产生-5.1V 的 IGBT 关断电压。过流保护动作过程是根据 IGBT 的 CE 极 间电压 Uce 的大小判定是否过流而进行保护的，Uce 由二极管 Vd7 检测。当 IGBT 开通时， 若发生负载短路等发生大电流的故障， Uce 会上升很多， 使得 Vd7 截止， EXB841 的 6 脚 “悬空” B 点和 C 点电位开始由约 6V 上升， ， 当上升至 13V 时， Vz1 被击穿，V3 导通，C4 通过 R7 和 V3 放电，E 点的电压逐渐下降，V6 导通，从而 使 IGBT 的 GE 间电压 Uce 下降，实现软关断，完成 EXB841 对 IGBT 的保护。射极 电位为-5.1V，由 EXB841 内部的稳压二极管 Vz2 决定。 其典型接线图如下： 图 2-19 M57962L 型 IGBT 驱动器的原理与接线图 16 Protel 仿真图如下 图 2-20 单个 IGBT 驱动保护电路原理图和控制及其驱动电路 PCB 图 2-21 单个 IGBT 驱动保护电路原理图 17 3. 硬件实现 利用 PROTEL DXP 做得自动布线图如下 图 2-22 PROTEL DXP 自动布线图 18 六、实验总结 这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的 很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联 系实际的能力还急需提高。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出, 分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训 练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前 活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌 握电子的开发技术是十分重要的。 回顾此次电力电子技术课程设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从选题到 定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以 学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很 多在书本上所没有学到过的知识。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重 重， 这毕竟第一次做的， 难免会遇到过各种各样的问题， 比如有时候被一些小的， 细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。 最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。 自己看起来多完美的设计在实践 下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多 不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固.以 前认为学了