电压型逆变电路课程设计

1、1 主电路设计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。主电路图1 卜图i三相电压型桥式逆变电路主电路原理分析图1是采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路，可以看成由三个半 桥逆变电路组成。图1的直流侧通常只有一个电容就可以了，但为了分析方便， 画作串联的两个电容器并标出假象中点 N。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 180导电方式，即每个桥臂的导 电角度为180 ，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的 角度依次相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是

2、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工作波形分析和绘制对于U相输出来说，当桥臂1导通时，Uun Ud 2，当桥臂4导通时,UunUd 2。因此，Uun，的波形是幅值为Ud 2的矩形波。V W两相的情况和U相相似，UvN、UwN的波形形状和UuN相同，只是相位依次相差120。UUN、Uvn、Uwn的波形如图2a、b、c所示。UuvUNVNUVWUwu相电压 变电路 形 负载线UUV 、17Uwu可图2三型桥式逆 的工作波电压uvw 、由下式 求出UuvUUNUVN1uvwUVNuwn图2d是依照上式画

3、UwuuwnUUN出的Uuv波形。设负载中点N与直流电源假象点N之间的电压为uNN，,则负载各相的相电压分别为UUNUUNUNNUVNUVNUNN把上式各式相加并整uwnUWNUNN理可求得(UUN1UVN1UWN1 )(UUNUVN33UNN 1设负载为三相对称负载,UWN )则有UUNUVNUWN0，于是13(UUN 1UVN1UWN 1 )UUN1U NN所以uNN1也是矩形波，如图2e所示，其频率为4的3倍，幅值为其1/3，即Ud /6。图2f给出了利用式（2）和式（4）绘出的Uun的波形，Uvn、Uwn的波形形状和Uun 相同，仅相位依次相差120 。三相逆变输出的电压与电流分析类似

4、，负载参数已知，以U相为例，负载的阻抗角 不一样，iu的波形形状和相位都有所不同，图 2g给出的事阻感负载下 时iu的波形。桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，小桥4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂 4中电流反相 时，V4才开始导通。负载阻抗角 越大，VD4导通时间越长。在uNN1 0时，iu 0 时为VD1导通，iu 0时为V导通；在uNN1 0时，iu 0时VD4导通，iu 0时 为V4导通。iv、iw的波形与iu形状相同，相位一次相差1200。将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流id。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如 图2h

5、所示。可以看出，每隔60脉动一次，而直流侧电压是基本无脉动的，因 此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和id脉动情况大 体相同。这也是电压型逆变电路的一个特点。参数计算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里叶级数得：uuv 亠sin2JUdsin t-(1)ksinn t n n式中，n 6k 1 ,k为自然数。输出线电压有效值Uuv为Uuv22uUV d t 0.816U d0基波幅值UuV1m和基波有效值Uuv1分别为UUV1m1.1Ud ；UUV10.78Ud接下来，我们再对负载相电压UUN进行分析。把UUN展开成傅里叶级数得2U111u

6、UN d(sin t sin5 t sin7 t sin 11 t )5711叫 +1 . a=(si nt sinn t)n n式中，n 6k 1，k为自然数。负载相电压有效值Uun为U UN0.471Ud10111t sin5 t sin 7 t sinll t5711基波幅值UuN1m和基波有效值UuN1分别为UN1mU UN12Ud0.637Ud ；11U UN1m0.45U d12在上述1800导电方式逆变器中，我们采用“先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路，使得在通断信号之间留有一 个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定， 器

7、件的开关速度 越快，所留的死区时间就越短。元件清单管极名二 器器片件BT力容阻波制热元TG电电电示调散1 2 3 4 5 & 7审个个个个个个片 a6623111绝缘栅双极晶体管（IGBT本质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3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。由图可以看出，IGBT相当于一

8、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。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氐，特别是在电流较大的区域；4）与电力MOSFETffi 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。2 PWM控制电路设计PWM控制技术实际上就是斩波控制技术，就是对脉冲宽度进行调制的技术，

9、即 是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形(如正弦波、频率和幅值)。PWM控制技术涉及调制法和控制法两方面内容：就调制法而言，有 单脉冲调制和多脉冲调制；有同步调制、异步调制和分段同步调制；还有单极性 调制和双极性调制三大类。而就控制法而言，则有等脉宽PWM法、正弦波PWM 法、磁链跟踪PWM法和电流跟踪PWM法四大类。它在逆变电路中的应用最为 广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路，几乎都是PWM 型逆变电路。所以在设计逆变电路时，就必须了解并掌握PWM控制技术及SPWM 波的产生方法。桥式PWM三相电图4三相 逆变电路 压 型PWM逆变电路只要实现功能就

10、是将直流电压变换成交流电压。图4中U、V、M三相的PWM控制通常公用一个三角波载波Uc，三相调制信号4u、Urv、Uw次相差1200。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例。当Uru Uc时，给上桥臂V以导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点输出电压UUN1 Ud/2。当Uru Uc时，给 V以导通信号，给Vi以关断信号，贝U UUN1 Ud/2。但Vi与V的驱动信 号始终是互补的，当给V( V4)加以导通信号时，可能Vi ( V4)导通，也可能是二极管 VDi(VD4) 续流导通，这是有阻感负载中电流方向决定， 这就是三相桥式电路的双极型调制特性。由上

11、分析，UUN1的波形是幅值为 U d /2的矩形波，V、M两相情况跟U相类似。电路的波形如图 4所示。图5三相桥式 形PWM逆变电路波仿真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Simulink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

12、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。建模仿真PWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图 6所示:图6 三相逆变电路主电路运行仿真图形，并点击示波器可得输出交流电压，交流电流波形如图7、图8所示：图7 PWM方式下三相交流电压输岀波形00.005 O.D1 0.0150.0200250.030.0350 04 0LM5 0.06Time offset 1.4图8 PWM方式下

13、三相电流输岀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。4关于逆变电路各项注意提高直流电压利用率和减少开关次数直流电压利用率 一一逆变电路输岀交流电压基波最大幅值Ulm和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输岀能力；减少器件的开关次数可以降低开关损耗； 正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度 a为1时，输岀相电压的基波幅值为 Ud2，输岀线电压的其原因是正弦调制信号的基波幅值为（.3 2）Ud，即直流电压利用率仅为。这个值是比较低的,幅值不能超过三角波幅值，实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断都需要时

14、间，如不采取其他措施，调制度不可能达到1。采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比还要低。线电压控制方式（叠加 3次谐波）并尽量减少器件开关次对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。 目标一一使输岀线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率, 数。在相电压调制信号中叠加 3 次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含 3 次谐波，且三相的 三次谐波相位相同。合成线电压时， 3 次谐波相互抵消，线电压为正弦波。鞍形波的基波分量幅 值大。除叠加 3 次谐波外，还可叠加其他 3 倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。电路的保护与散热对于单相桥式电压型逆变电路

15、需要对电路提供保护与散热，因为电路存在很多不确定的外界因 素，所以要装过载保护和短路保护还有就是过电流保护。 对于驱动晶体管需要提供散热器来让它 散热，且晶体管必须隔离。5 结论PWM 控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都 采用了 PWM 技术。逆变电路是 PWM 控制技术最为重要的应用场合，随着全控 型电力电子器件的出现和迅速发展， PWM 控制技术才真正得到应用。 逆变电路的应用相当普及， 在已有的各种电源中， 蓄电池、 干电池， 太阳能电池等都是直流电源， 当需要这些电源向交流负载供电时， 就需要逆变电路。 另外交流电机调速用变频器、 不间断电源、 感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路，本文结合 PWM 控制技术的原理和一系列的技术要求， 并通过具体的例子说明了 PWM 逆变电路的工作过程，较 详细地总结了各种 PWM 控制方法的原理，并简单说明了各种方法的优缺点。 PWM 控制技术以 其控制简单、 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛