基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路教材

1、电力电子技术课程设计报告题目：三相桥式PW除变电路设计学院：姓名：学号：专业班级：指导老师：间：课题背景*2三相桥式SPW通变器的设计内容及要求*3SPWM 逆变器的工作原理*3MATlAB仿真设计*12硬件实验*19实验总结*23附录Matab 简介 *24附录二Protel 简介 *25参考文献*2613三相桥式PW陋变电路设计一、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

2、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 PowerSupply） ;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（

3、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

4、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SPWM6, 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

5、源SPWMI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：直流电压为100 V。三相阻感负载，负载中R=2Q ,L=1mH,要求频率范围：10Hz100Hz 设计要求：1.理论设计：了解掌握三相桥式PWME变电路的工作原理，设计三相 桥式PWMK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MATLA防真软

6、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PROTE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PCBER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

7、器输出SPW敏形。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

8、的信号称为载波(Carrier Wave )。在SPWMb 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 SPW蜥需要的结 果可坨触流(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ACDC不“J"控他流 科 C _PWM 逆*变器1 L2-3不控整流、PW喧变器调压调频1 .工作原理图2-4是SPW座频器的主电路，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

9、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Uc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SPWMC冲序列波 Uda,Udb,Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号2-4主电路U制制路 调控电N当Uru Uun, = -Ud /2时，给V4导通信号，给V1关断信号Uun' = -Ud /2给V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(

10、V4)导通，也可能是 VD1(VD4后通。Ud和UWN'的PW峨形只有土 Ud/2两种电平。当urU>uc时，给V1导通信号，给V4 关断信号，UUN,=-Ud/2。UUV波形可由UUN, - UVN,得出，当1和6通时， uUV=Ud,当3和4通时,Uuv=Ud ,当1和3或4和6通时，UuV=0。输出 线电压PWMK由± Ud和0三种电平构成负载相电压 PW峨由(±2/3) Ud、(土 1/3) Ud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

11、器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PW快带来影响，使其稍稍偏离正 弦波。JTK一川X中助理 变撒的 "K元三瓶做发生删2-5 控制电路2 .控制方式脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分 ： 参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制 ；相反，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。(1)单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制用幅值为 Ur的参考信号波Ur与幅值为fo,频率为fo的三角波Uc比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2-6所示。图2-6是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。

12、参考波频率fr决定了输出频率fo,每半周期的脉冲数P决定于载波频率fco 即：P二 错误！ 未找到引用源。(2-1)用参考电压信号的幅值Ur,与三角形载波信号的幅值Uc的比值，即调制度 m= Ur/Uc,来控制输出电压变化。当调制度由01变化时，脉宽由0冗/p变化,输出电压由0 E变化。如果每个脉冲宽度为 9 ,则输出电压的傅里叶级数展开 式为：00u0(t)= (An cos n(i)t+ Bnsinnu)t)(2-2)n=l系数An和Bn由每个脉宽为9 ,起始角为a的正脉冲来决定和对应的负脉 冲起始角冗+a来决定。如果第j个脉冲的起始角为aj则有9127J(2-3a)(2-3b)由式(2-

13、3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数An r2E r /、上行忖皿炳+ 4)Sinn可(2-4a)j=i2Er一 cosnai - cosn nnL(2-4b)2-6单极性正选脉宽调制 SPWM(理波形(2)双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制原理波形如图2-7所示。输出电压u0(t)波形在02九区间关于中心对称、在0九区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为£0u0(t)=，Bn sinncot(2-5)2Bn = u0(t) sinno)td(Jt) n %式(2-5)中输出电压u0 (t)可看成是幅值为E,频率为fo的方波与幅值为2E、频率为fc的负脉冲序列(起点

14、和终点分别为0203,C(2p,C(2p的叠加。因此2厂2Bn - E sinnG)td(o)t) - Esimimtd(st) 人 JoJ*Q叩E sinn(otd(A)t) 一 ,，* E sinnwtd(A)t)羯1咏i - cosna2j)(2-6)则输出电压为00U 口 (t) =n=L354E、 1 / (cosna2j-i - cosna2j) sinnwt1171f=i(2-7)输出电压基波分量 错误！未找到引用源。为八 4Ep1 (cosna2j-i - cosna2j) i=is inn 3t(2-8)需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开 关元

15、件始终轮流交替通断，因此容易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就 必须增设延时触发环节，设置死区。3 .正弦脉宽调制的调制算法三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导 通和关断各一次。要准确的生成SPW帔形，就要精确的计算出这两个点的时间。 开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同 时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器 完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样 法、等面积法等。3 tTH 图2-7双极性正弦脉宽调制原理波形1.自然采样法按照SPW雌制的基本原理，在正弦波与三角

16、波的交点进行脉冲宽度和间隙 的采样，去生成SPWM6形，成为自然采样法。如图2-8所示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SPW帔形的每个脉冲都与三角波中心线对称。 这样,图2-9中的匕=4,法。计算就大大简化了:将一个正弦波等分成H,个区段，区段数Ht各项相位互差120口，要从一相正弦波方便6的整数倍。由图2-10可见，Ht越大，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这N个采用这种方法既可以提高开关频率，改节省计算机计算时间120如图2-10所(a)(b)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一

17、定是6的整数倍，因为三相正弦波，地得到其他两相，必须把一个周期分成 输出波形越接近正弦波。在每一个区段, 等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。 善波形，又可以减少计算新脉冲的数量, 示其正弦波面积为(2-9)J 【Lsinmjdwj = U*(cos(vj -cos他fJ用2 10小弦波号而联法牛成SP啊输蟒率/与区段数办每个区段制艇及腑周期北）之间的关系为(240)四、MATlAB仿真设计1）主电路整个三相桥式PWM变电路的设计分为两块一一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

18、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:LCLE 岳口0李等n-uNNT-二匚二二。一患651QN不亡归Eado-ECQ _而 _aH,JnleSLdo-EUDAEEtt:=ns5-nLL.-s三 vdHSIHmE 三m,sEM 是5-ID弟号EDura图2-11 王电路原理图152）控制电路设计控制电路原理如下：据自然采样法，三个互差 120o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 sp

19、wm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。产生频率为30HZ时的实验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Uv四第五路为滤波后的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

20、弦波周期为 0.02s,即频率为50H乙25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100H乙4）滤波装置图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 OM 硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯C为工频电容，可以选CBB6110N-250VAC.带滤波频率为10071 Hz,三正弦波源电压幅值0.8V时逆变波形图图2-17带滤波白电流ic,电压Uab,UaN图2-18 带滤波的电流ic,电压Uab,UaN图加LC滤波装置后发现输出电流ic,电压Uab，UaN为标准正弦

21、波.通过调节信调节信号波波的fo,见影响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(4-1)Im=3Iom=3*5.5A=16.5A所以开关管的电流定额可以选为600M我们可以选30A, 600V, TO-247封5 6装的IGBT管，如三星公司的SGH30N60VFDR公司的IRGPC50KD2HARRIS司 的 HGTG27N60C3DRXYS 公司的 IXSH30N60AV等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

22、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70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PWM6制信号，当触发月冲信号施加于 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 问电压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

23、大电流的故障，Uce会上升很多，使彳#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G曰司电压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：14检测电路4 %1检制端定时及躺 r 电潞140it-nl3I m日耶1r430VM57962L3Qo+15V门极关断电潞8雌指示6 仃100比o-lOV图2-19 M57962L型IGBT驱动器的原理与接线图Pro

24、tel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PCBTQ?图2-21 单个IGBT驱动保护电路原理图3.硬件实现利用PROTEL DXP做得自动布线图如下口11JUT图2-22 PROTEL DXP自动布线图27六、 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

25、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

26、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，

27、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SPW雌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 SG352磔成芯片，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PROTE

28、L 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。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 (Matrix Laboratory )的简称，和 Mathemati ca> Maple并称为三大数

29、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 您收运算、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

30、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 特点硼匕高级语言可用于技术计算硼匕开发环境可对代码、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 匚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31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