电力电子课设三相逆变电路设计

1、摘要本次课程设计题目要求为三相电压源型SPWM逆变器的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括逆变电路的理论基础以及Matlab仿真软件的简介、运用等，此外，还会清晰的介绍各个部分电路以及元器件的取舍，比如驱动电路、抗干扰电路、正弦信号产生电路等，其中部分电路的绘制采用了Proteus软件，最后结合Matlab Simulink仿真，建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过软件得到较为理想的实验结果。关键词：三相 电压源型 逆变电路 Matlab 仿真

2、目录摘要11 设计原理31.1 SPWM控制原理分析31.1.1 PWM的基本原理31.1.2 SPWM逆变电路及其控制方法31.2 IGBT简介41.3 逆变电路51.4 三相电压型桥式逆变电路62 设计方案92.1 逆变器主电路设计92.2 脉宽控制电路的设计102.2.1 SG3524芯片102.2.2 利用SG3524生成SPWM信号112.3 驱动电路的设计132.3.1 IR2110芯片132.3.2 驱动电路143 软件仿真143.1 Matlab软件143.2 建模仿真154 心得体会19参考文献20附录21三相电压源型SPWM逆变器的设计1 设计原理1.1 SPWM控制原理分

3、析1.1.1 PWM的基本原理PWM(Pulse Width Modulation)控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。1.1.2 SPWM逆变电路及其控制方法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。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要

4、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。所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号，把接收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。本次课程设计任务要求设计三相电压源型SPWM逆变电路，输出PWM电压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。单相桥式电路既可以采取单极性

5、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，就是在信号波的半个周期内三角波载波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。采用双极性方式时，在的半个周期内，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。在的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。在的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。1.2 IGBT简介绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质

6、上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 IGBT的结构剖面图如图1所示。它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板（漏极）上增加了一个P+ 基板（IGBT 的集电极），形成PN结j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。图1 IGBT结构剖面图由图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构

7、。IGBT的特性和参数特点可以总结为：1）IGBT开关速度高，开关损耗小；2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力；3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；4) 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开关频率高。1.3 逆变电路逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由4个IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图2所示。图2 逆变电路当交流侧接在电网上，即交流侧接

8、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。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本次课程设计任务要求为电压型逆变电路的设计。电压型逆变电路有以下主要特点：1） 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，直流回路呈现低阻态。2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗角情况不同而不同。3） 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

9、提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。1.4 三相电压型桥式逆变电路 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，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图3所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图3 三相电压型桥式逆变电路电路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（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

10、可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时，。因此，的波形是幅值为的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，、的波形形状和相同，只是相位依次差120°。负载线电压可由下式求出：设负载中点N与直流电源假想中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为：三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图4所示。OOOOOOOO图4 三相电压型桥式逆变电路的工作波形下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压 展开成傅

11、里叶级数得：式中，为自然数。输出线电压有效值为基波幅值和基波有效值分别为；接下来，我们再对负载相电压进行分析。把展开成傅里叶级数得式中，k为自然数。负载相电压有效值为基波幅值和基波有效值分别为；2 设计方案2.1 逆变器主电路设计图5是SPWM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。三角载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零

12、”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波。，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当时，给V4导通信号，给V1关断信号，给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。和的PWM波形只有两种电平。当时，给V1导通信号，给V4关断信号，。的波形可由得出，当1和6通时，当3和4通时，当1和3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波由(±2/3) ，(±1/3) 和0共5种电平组成。图5 SPWM逆变器的主电路设计图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

13、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。2.2 脉宽控制电路的设计2.2.1 SG3524芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引脚图和内部框图分别如图6、图7所示。图6 SG3524引脚图图7 SH3524内部框图SG3524工作过程是这样的：直流电源Vs从脚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

14、的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳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。2.2.2 利用SG3524生成SPWM信号2.2.2.1 调制波及载波的产生正弦波信号由函数发生器ICL8038产生。图8 ICL8038用于正弦波信号发生正弦波的频率由、和C来决定，为了调试方便，将、都用可调电阻，和R是用来调整正弦波失真度用的。通过查询资料得知，当时，取，其中。正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波，另外两路得到与正弦波同频率、同相位的方波和三角波。ICL8038的引

15、脚图如图9所示。图9 ICL8038引脚图载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于SH3524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。2.2.2.2 SPWM信号的产生ICL8038产生的正弦波与1V基准经过加法器后得到，输入到SG3524的脚1，脚2与脚9相连，这样和锯齿波将在SG3524内部的比较器进行比较产生SPWM信号。左电桥的控制信号可以由正弦信号与直流电压通过电压比较器产生，本次课程设计采用LM339芯片，其引脚图如图10所示。图10 LM339引脚图LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，可以任意选用，该电压比较器主要有以下几个特点：1）失调电

16、压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）V；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。2.3 驱动电路的设计2.3.1 IR2110芯片由于LM3S1138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

17、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11所示。图11 IR2110构成的驱动电路2.3.2 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驱动全桥逆变电路的电路图如图12所示。 图12 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集电极的电压尖脉冲，一般应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。IR21

18、10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R1、R2上反向并联了二极管D4、D5。3 软件仿真3.1 Matlab软件Matlab软件提供的仿真工具箱Simulink是一个功能十分强大的仿真软件，它可以根据用户的需要方便的为系统建立模型，并且十分直观，仿真精度高，结果准确。特别是其电力系统模块库PSB中包含了大量的电力电子功能模块，为我们仿真提供了极大的便利。Matlab提供了系统模型图形输入工具Simulink工具箱。在Matlab中的电力系统模块库PSB以S

19、imulink为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本原件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成：电源模块库、连接模块库、测量模块库、电力电子模块库、电机模块库、基本件模块库。在这6个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合出常用的、复杂的其他模块添加到所需的模块库中，为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。3.2 建模仿真SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图13所示：图13 三相逆变电路主电路图14 Discreat PWM Generator参数设置设置参数，即将调制度m设置为1.2，调制波频率设为40Hz，如图14所示。载波频率设为基波的30倍（载波比

20、N=30），即1500Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s。根据设计任务要求，直流电源电压为400V，要求输出三相180V、40Hz的交流电，带对称RL负载（星形接法），其中R的值为2、L 的值为1 0mH，其参数设置图如图15所示。 图15 直流电压、三相负载参数设置运行仿真图形，并点击示波器可得输出交流电压，交流电流波形如图16、图17所示：图16 SPWM方式下三相交流电压输出波形图16 SPWM方式下三相电流输出波形 从仿真结果可以得出，本次课程设计基本达到任务要求，三相输出电压约为180V，40HZ，交流电为正弦波满足条件。

21、4 心得体会经过这次的电力电子课程设计后，我从中学到了很多东西。在我们学了电路、电力电子技术基础之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。在经过独立设计，我成功的完成了本次设计。对于我个人而言，我熟练的掌握了设计三相电压型逆变电路的一般方法，还进一步熟悉了其原理。开始拿到课题难免会感到陌生，不过经过自己亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西。这其中还尤为深刻的就是要养成科学严谨的实验习惯，这样做起来才会更有条理性。要把所学的知识灵活运用，必须要翻阅大量的资料并且要多多请教同学和老师，有很多的知识是平时不会注意的，但到了实际操作时就会因为那么一点小欠缺而不能完成。我们需要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。要有耐心和毅力。理论只有与实践