pwm 控制的单相逆变电路的设计及其研究

电力电子技术课程设计 班级 学号 姓名 电气工程及其自动化 二零一五年一月 1 目录 1 绪论 .2 1.1 电力电子简介 .2 1.2 课程设计的目的与要求 .2 1.3 课程设计题目 .3 1.4 仿真软件的使用 .3 2 工作原理 .4 2.1 逆变电路原理 .4 2.1.1 电压型逆变电路 .4 2.1.2 电流型逆变电路 .6 2.2 单相桥式 PWM 逆变电路的基本原理 .10 2.2.1 单极调制法 .11 2.2.2 双极调制法 .12 3 电路的设计过程 .13 3.1 逆变控制电路的设计 .13 3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 .14 3.2.1 正弦脉宽调制技术 .14 3.2.2 单极性调制方式 15 3.2.3 双极性调制方式 .15 3.2.4 单极性倍频调制方式 .15 3.3 3 种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 .16 4 仿真实验与结果 .17 4.1 单相桥式 PWM 逆变主电路原理图 17 4.2 仿真所得波形 .17 5 仿真结果分析 .19 6 心得体 会 .20 7 参考文献 .21 2 1 绪论 1.1 电力电子简介 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。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。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 4 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。本次课程设计研究单 相桥式 PWM 逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。 1.2 课程设计的目的与要求 1. 进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性； 2. 进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理； 3. 掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数的计算方 法； 3 4. 培养对电力电子电路的性能分析的能力； 5. 培养撰写研究设计报告的能力。 通过对一个电力电子电路的初步设计， 巩固已学的电力电子技术课程的理 论知识，提高综合应用能力，为今后从事电力电子装置的设计工作打下基础。 1.3 课程设计题目 PWM 控制的单相逆变电路的设计及其研究(PSPICE) 1.4 仿真软件的使用 在电力电子系统中，需要应用大功率开关器件，因此对工程技术人员来说 对所设计的电路最好能通过计算机分析和仿真，不断修改和完善电路，这样做 的好处可避免元器件损耗，节省费用，缩短设计周期，优化电路设计。不过计 算机分析和仿真只能作为一个工具，电路是否真正达到要求的性能指标，最终 还必须通过实际试验来检验。 SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)诞生于 加州 Berkeley 的研究小组（ Dr. Laurence Nagel） ，经过国家实验室与科技 公司的不断孵化，最终成为各种带有图形界面的互动仿真软件包，其中 OrCAD 是 Cadence 公司的产品，是一种易于入门的元件级电路设计仿真软件，它能在 PC 机上工作。特点是精度高，图形功能强，应用广。 4 2 工作原理 2.1 逆变电路原理 2.1.1 电压型逆变电路 1 电压型逆变电路的特点： (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提 供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 2 单相全桥逆变电路的移相调压方式： 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通 180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压 Ud 来实现。阻感负载时， 还可采用移相的方式来调节输出电压 移相调压。 5 V3 的基极信号比 V1 落后 （0180 ） 。V3、V4 的栅极信号分别比 V2、V1 前移 180。输出电压是正负各为 的脉冲。改变 就可调节输 出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。 单相全桥逆变电路的移相调压方式 tO tO tO tO tO b ) G1 u G2 u G3 uG4 u oio t 1 t2 t 3 i o u o 3 带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个 IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极 管的作用也是提供无功能量的反馈通道。Ud 和负载参数相同，变压器匝比为 1：1：1 时，uo 和 io 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。此电路与全桥电路 的比较： 1）比全桥电路少用一半开关器件。 2）器件承受的电压为 2Ud，比全桥电路高一倍。 3）必须有一个变压器 。 带中心抽头变压器的逆变电路 6 2.1.2 电流型逆变电路 1 电流型逆变电路主要特点： 1)直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 2)交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因 负载不同而不同。 3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载 换流、强迫换流。 2 单相电流型逆变电路 7 图 4 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 此电路的工作原理如下： 1）由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸 管开通时的 di/dt。 2）工作方式为负载换相。 3）电容 C 和 L、R 构成并联谐振电路。 4）输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基 波。 5）负载电路对基波呈现高阻抗而对谐波呈现低阻抗，故负载电压波形接近 正弦波。 工作分析 一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。 8 tO tO tO tO tO tO tO tO u G1,4 u G2,3 i T i o I d t 1 t 2t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t u o t u AB t t I d i VT 1, 4 i VT 2, 3 u VT 2, 3 u VT 1, 4 图 5 并联谐振式逆变电路工作波形 3 保证晶闸管的可靠关断及有关参数计算。 (1) 负载端加正向电压；(2)负载端加正向电压； 两状态都可以列出一阶微分 RLuidtLo;0 1） t1t2：VT 1 和 VT4 稳定导通阶 段， i =Id， t2 时刻前在 C 上建立 了左正右负的电压。 t2t4： t2 时触发 VT2 和 VT3 开通， 进入换流阶段。 2) LT 使 VT1、VT 4 不能立刻关断， 电流有一个减小过程。VT 2、VT 3 电 流有一个增大过程。 3) 4 个晶闸管全部导通，负载电 容电压经两个并联的放电回路同时 放电。 4) LT1、VT 1、VT 3、L T3 到 C；另 一个经 LT2、VT 2、VT 4、L T4 到 C。 5) i在 t3 时刻，即 iVT1=iVT2 时刻过零，t3 时刻大体位于 t2 和 t4 的中点。 6) t= t4 时，VT1、VT4 电流减至 零而关断，换流阶段结束。t4-t2= t 称为换流时间。 9 )1(2 )(t0 222211 CCTtTtooCo ttooCo eREeIiIiTtEu IiIi ； 解 得 ：初 值） 、时 （ ； 解 得 ：初 值） 、时 （ 稳态后电流连续 )();(1221 CoCoiIiI 且由以上可以推测 则21oo 推得：)1( 2211o1CCTToeREeIi 2o21o-1IeREICT 带入数据解得稳态后电流初值为 72.601e 则计算得到稳定后一个周期内 02.01.6tuo 02.1.0)1(6072.- 1.01.0 teei tt tto 接着对 傅里叶分解进行谐波分析，因其是方波分解成ou.)5sin13si(sin4tttE 所以基波有效值为 电压谐波总畸变率为9.40 2 %3.819.540-622uTHD 可以看出电压谐波分量很大，那么电流中也一定含有大量谐波。所以电压 型逆变电路结构简单，方便可靠。但若想要在波形上与正弦电压得到更加接近， 10 我们就可以考虑 PWM 控制逆变。 实际上如中频加热过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适 应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式；定工作频率的控制方 式称为他励方式。自励方式存在起动问题，解决方法： 1）先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式； 2）附加预充电起动电路，形成衰减振荡后，再转入自励。 2.2 单相桥式 PWM 逆变电路的基本原理 PWM 调制电路图 在采样控制理论中有一个重要结论：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。 下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图 2-1 可以看 到把半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成 N 个彼此相连的脉冲序列组成的 波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们 面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是 11 等效的。 用 PWM 波代替正弦半波 a）正弦半波 b）脉冲序列 单相桥式 PWM 逆变电路的控制方法有计算法与调制法两种。但计算法所需 时间长，即使采用规则采样法，计算能力不足时难以快速反应信号波，于是实 际中多采用调制法，它的神奇之处在于自然采样法，只要有三角波这把量尺， 自然的就为不同信号波“量身定做”它的脉冲序列。 2.2.1 单极调制法 单极性 PWM 控制方式波形 负载为阻感负载时，工作时 V1和 V2通断互补，V 3和 V4通断也互补。 单极性 PWM 控制方式（单相桥逆变）：在 和 的交点时刻控制 IGBT 的通断，ruc 波形见图 2-2。具体控制规则我们会在仿真时进一步说明，这里只要看上图就 能了解。 12 2.2.2 双极调制法 采用双极性方式时，在 的半个周期内，+三角载波不再是单极性，而是有ru 正有负，所得的 PWM 波也是有正有负。在 的一个周期内，输出的 PWM 波只有ru 两种电平不像单极性控制时还有零电平。在 的正负半周，对各开关器件dUr 的控制规律相同。即当 时， 导通， 以关断， ， 关断，ruc1V423ruc1V4 导通。波图件图 2-3。2V3 双极性 PWM 控制方式波形 13 3 电路的设计过程 （设计选择单相桥式电压型逆变电路，采用 PWM 控制技术）： 3.1 逆变控制电路的设计 逆变电源控制电路的核心是 SPWM 发生器。SPWM 的实现包括分立电路、集 成芯片和单片机实现。它们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不 足之处。逆变电源 SPWM 电路的调制频率固定为 50Hz 不变，为了降低成本，这 里用分立电路组成，如下图所示。 428.9mV U2 uA741 3 2 7 4 6 1 5+ - V+ V- OUT OS1 OS20V V6 FREQ = 22.2hzVAMPL = 4v VOFF = 0v 10.00V Z3 IXGH40N60 -99.61V D1 D1N4002 V 10.0 V U1 uA741 3 2 7 4 6 1 5+ - V+ V- OUT OS1 OS2 0V V 9.571V D4 D1N4002 0 V 0V -5.000V 0 D3 D1N4002 99.61V 0V 0 R1 1k D2 D1N4002 99.61V 0 -100.0V Z4 IXGH40N60 100.0V V3 TD = 0msTF = 2.5ms PW = 0.01msPER = 5ms V1 = 5vTR = 2.5ms V2 = -5v 100.0V V4-100Vdc Z2 IXGH40N60 428.9mV L1 10uH V110V -5.000V Z1 IXGH40N60 V5 100Vdc 放大第一路 Tr1,Tr4 输出，第二路 Tr2,Tr3 输出，IC3 输出正值比较，IC4 输出负值比较。 以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由 14 IC1 及其外围电路组成的 PI 型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到 IC2 去调制三角波，既可得到 SPWM 波形。IC3 和 IC4 分别为正负值比较器，它们的 输出信号分别 IC5 和 IC6，从而将 SPWM 交替地分成两路，各自放大后驱动相应 的开关管对，控制主回路完成 SPWM 逆变。需要注意的是，驱动电路要将每一路 信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。图 3-4 为 双极性 SPWM 调制方式波形。 以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电 压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。 双极性 SPWM 调制方式波形 3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 3.2.1 正弦脉宽调制技术 随着逆变器控制技水的发展电压型逆变器出现了多种的变压、变频控制 方法。目前采用较多的是正弦脉宽调制技术即 SPWM 控制技术。 单相全桥式电压型 SPWM 逆变器电路拓扑结构图如图（3-5）所示。图 (3-5) 中 S1S4 的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。 SPWM 正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频 调制方式。 15 3.2.2 单极性调制方式 单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率 互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电 压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个 桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频载波频率)，而是每半个 输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周 则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的 功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。 3.2.3 双极性调制方式 双极性调制方式的特点是 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然 能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。 3.2.4 单极性倍频调制方式 单极性倍频调制方式的特点足输出 SPWM 波的脉动频率是单极性的两倍，4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，因此，开关管损耗与双极性相同。 主电路拓扑图 16 3.3 3 种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 用 MathCAD 可推导出 3 种不同调制方式下逆变器输出电压各次谐波有效值 与频率的关系式。 3.3.1 单极性调制方式如下公式（1） 3.3.2 对单极性调制方式如下公式（2） 3.3.3 对单极性倍频调制方式如下公式（3） 式中：M 为调制比；N 为载波比；f0 为正弦波输出变频变压电源的输出电压频 率。 3 种调制方式下逆变器输出电压未经滤波前，单极性调制方式及双极性调 制方式下逆变器输出电压谐波分量主要集中在升关频率及其倍频附近，且单极 性调制方式下逆变器输出电压谐波分量比双极性要小。单极性倍频调制方式下 输出电压的谐波分量主要在 2 倍升关频率及 4 倍开关频率附近。选择 WPWM 逆变 器的输出 LC 滤波器的转折频率为开关频率的 II0，LC 滤波器对开关频率及其 17 倍频附近的谐波具有明显的衰减作用。 4 仿真实验与结果 4.1 单相桥式 PWM 逆变主电路原理图 428.9mV U2 uA741 3 2 7 4 6 1 5+ - V+ V- OUT OS1 OS20V V6 FREQ = 22.2hzVAMPL = 4v VOFF = 0v 10.00V Z3 IXGH40N60 -99.61V D1 D1N4002 V 10.0 V U1 uA741 3