《电力电子技术》课程设计-单相桥式逆变课程设计Word文档下载推荐.docx
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主电路原理图 6
第2章主电路设计 7
主电路原理图 7
主电路原理分析 7
器件的选择 8
绝缘栅双极晶体管 8
电力二极管 8
元件参数 9
第3章驱动电路的设计 10
驱动电路原理图设计 10
驱动电路的种类 10
驱动电路的作用 10
驱动电路的选择 11
第4章控制电路设计 12
4.1控制电路的作用 12
控制电路原理图设计 12
控制电路原理分析 13
移相调压的原理 13
CL8038芯片介绍 14
ICL0838引脚功能 14
ICL0838内部结构 15
第5章保护电路的设计 17
保护电路的种类 17
保护电路的作用 17
保护电路的选择 18
第6章仿真分析 19
仿真软件MATLAB 19
仿真电路图 20
参数设置 21
仿真效果图 21
仿真结果分析 22
第7章设计总结 23
参考文献 24
致谢词 25
附录 26
课程设计任务书
一、 课程设计的目的
1、 加强和巩固所学的知识，加深对理论知识的理解；
2、 培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；
3、 培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；
4、 培养学生综合运用知识的能力和工程设计能力；
5、 培养学生运用仿真软件的能力和方法；
6、 培养学生科技写作水平。
二、 课程设计的主要内容
1、 关于本课程学习情况简述；
2、 主电路的设计、原理分析和器件的选择；
3、 控制电路的设计；
4、 保护电路的设计；
5、 利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。
三、 课程设计的要求
1、 通过查阅资料，确定自己的设计方案；
2、 按抓阄的方式选定课题，即此类推。
自拟参数不能雷同；
3、 要求最后图纸是标准的CAD图；
4、 课程设计在第13周之前交上来。
四、 课题
课题：
单相桥式逆变电路的设计
已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30～60HZ，
电压30～50V范围可调，其它性能指标自定。
五、 格式要求
1、 格式严格按照教务处规定的毕业设计格式；
2、 文档内容：
1） 绪论：
主要介绍对本课程学习情况；
本设计内容的掌握情况；
拟出设计任务书。
2） 主电路设计：
（1）电路原理图：
用CAD绘制电路；
（2） 原理分析：
用自己的语言；
（3） 参数计算：
请用公式编辑器；
（4） 器件选择
3） 控制电路设计：
（1） 电路原理框图
（2） 电路原理图
（3） 原理分析
（4） 主要器件介绍
4） 保护电路及其它辅助电路的设计
（1） 保护电路的作用；
（2） 电路原理图；
（3） 分理分析。
5） 仿真分析
（1） 仿真模型的建立方法；
（2） 仿真电路模型；
（3） 仿真效果图；
（4） 仿真结果分析。
6） 设计总结
用自己的语方介绍如何完成本次设计的，通过设计自己有哪些方面提高，对本课
程教学有什么建议等。
7） 附录：
系统总图
绪论
u电力电子技术的介绍
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电能
输入输出
交流
直流
整流
变频、变相
直流斩波
逆变
进行变换和控制的技术。
通常所用的电力有交流和直流两种。
但是这些电源往往不能直接的满足要求，需要进行电力变换。
电力变换通常可分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。
交表1电力变换种类流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。
直流变直流是指一种电压（或电流）的直流
变为另一种电压（或电流）的直流，可用直
流斩波电路来实现。
交流变交流可以是电压或电力的变换，称做交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。
进行上述电力变换的技术称为变流技术。
通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流电力控制两个分支。
交流技术也称为电力电子器件应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力电
子变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和
电力电子系统技术。
如果没有晶闸管、电力晶体管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。
因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。
u电力电子技术的学习情况
通过对电力电子技术一个学期的学习，对电力电子这门学科有了一个大概的
了解。
首先是对应用电力电子器件系统组成的认识熟悉。
在电力电子器件的实际
应用中一般是由控制电路、驱动电路、保
护电路和以电力电子器件为核心的主电路
组成一个系统。
由信息电子电路组成的控
制电路按照系统的工作要求形成控制信
号，通过驱动电路去控制主电路中电力电
子器件的导通或关断，来完成整个系统的
控制电路
保护电路
驱动电路
功能。
要使器件工作还需要驱动电路，驱动图0-1电力电子在应用中的系统组成
电路又分为电流型驱动和电压型驱动。
主电路的电压和电流一般都较大，而控制
电路只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，一般
需要电气隔离（通过光、磁来进行信号传递）。
为了防止电路被过电压、过电流损坏器件还需加上保护电路。
一般的保护电路有过电流、过电压保护。
然后是电力电子器件的熟悉。
它分不可控器件、半控型器件以及全控器件。
通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型
器件。
通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称
为全空型器件。
不能用信号控制来控制其通断的电力电子器件被称为不可控器
件。
本书重点介绍了整流电路，就是将交流变为直流。
有单相可控整流、三相可
控整流和大功率可控整流电路，用整流桥整流后还要进行电容滤波等等。
还有直
流斩波电路、交流电力控制电路、交交变频电路、逆变电路、PWM控制技术、软开关技术和组合交流电路的介绍。
u设计内容的主要知识点1.逆变电路的基本工作原理
图0-2逆变电路及其波形举例
以图0-2a的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。
图中S1～S4是桥式电路的4个臂，当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U0为正；
当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压U0为负，其波形图如图0-2b所示。
这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
这就是逆变电路最基本的工作原理。
2.换流
换流的定义：
电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也常被称为换相。
换流方式：
1） 器件换流
利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。
2） 电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流。
3） 负载换流
由负载提供换流电压称为负载换流。
4） 强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。
3. 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
ab
图0-3单相半桥电压型逆变电路及其波形
半桥逆变电路原理图如图0-3a所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控
器件和一个反并联二极管组成。
在直流侧接有两个互相串联的电容，两个电容的联结节点就是直流电源的中点。
设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，
且二者互补。
当负载为感性时，其工作波形如图0-3b所示。
输出电压U0为矩形
波，其幅值为Um=Ud/2。
输出电流i0波形随负载的情况而异。
设t2时刻以前V1
为通态，V2为断态。
t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感
性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是VD2导通续流。
当t3时刻i0降为零
时，VD2截止，V2开通，i0开始反向。
同样，t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，则V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V1才开通。
半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。
其缺点是输出交流电压的幅值，
且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。
2）全桥逆变电路
a b
图0-4单相全桥电压型逆变电路及其波形
电压型全桥逆变电路的原理图如图0-4a所示，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组和而成。
把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°
。
其输出电压U0的波形和图0-3b的半桥电路的波形U0形状一样，但电压幅值高出一倍，Um=Ud。
在直流电压和负载都一样的情况下，输出电流i0的波形和图0-3b的半桥电路的i0波形形状一样，仅幅值增加一倍。
第1章方案设计
我这次所选的课题是单相桥式逆变电路的设计。
设计的内容是已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30～60HZ，电压30～50V范围可调，其它性能指标自定。
根据课题和内容，以及上述的介绍选择全桥电压型逆变电路，负载采用阻感负载，利用移相调压来调节输出电压的有效值。
由于这里给出的是输入为100V的直流电压，但在我们的日常生活中用电都是220V、50HZ的交流电，所以还需要接入一个整流稳压的电路。
要实现电压30～50V范围可调，则要利用移相调压。
要得到交流输出电压频率范围在30～60HZ，还需要用到PWM控制技术，实现对开关的开关速度控制得到符合输出频率要求的电压信号。
1.1系统框图
图1-1系统原理框图
整个网络由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
1.2主电路框图
输入
输出
图1-2主电路原理框图
由于我们的日常生活中用电都是220V、50HZ的交流电，在此加了一个整流
电路，具体参数在此并不作说明。
在下面的设计中将省略这一步。
1.3主电路原理图
图1-3主电路原理图
图中1椭圆虚线里面的为整流电路，稳压为100V。
图中2矩形虚线框里面的
则是电压型逆变电路，起到将直流变交流的作用。
主电路采用电压型逆变电路其原理图如下图2-1：
图2-1主电路原理图
第2章主电路设计
2.1主电路原理图
其中基波的幅值和基波的有效值分别为:
（2）
（3）
2.2主电路原理分析
电压型全桥逆变电路如图2-1所示，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥
电路组和而成。
把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥
臂同时导通，两对交替各导通180°
其输出电压U0的波形和图0-3b的半桥电
路的波形U0形状一样，但电压幅值高出一倍，Um=Ud。
在直流电压和负载都一样
的情况下，输出电流i0的波形和图0-3b的半桥电路的i0波形形状一样，仅幅值增加一倍。
把幅值为的矩形波展开成傅里叶级数得：
2.3器件的选择
2.3.1绝缘栅双极晶体管
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor）,英文简写为IGBT。
它是一种典型的全控器件。
它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。
IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。
它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与MOSFET相连接所构成的一种器件。
其等效电路和电气符号如下：
它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE所决定的。
当UGE为正且大于
开启电压UGE时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导
通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的积极电流被切断，使得IGBT关断。
2.3.2电力二极管
电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器（SemiconductorRectifier—SR）,其结构和原理简单，工作可靠，仍然大量应用于许多电设备中。
电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。
由N型半导体和
P型半导体结合构成PN结。
其结构和电气符号如下：
图2-3a）结构和b）电气符号
当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，在外带电路上形成自P区流入从N区流出的电流，这就是PN结的正向导通状态。
当PN结外加反向电压时，外加电场与PN结自建电场方向相同，在外带电路上形成自N区流入从P区流出的电流，称之为反向电流。
因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流通过，这就是反向截止状态。
2.4元件参数
电感电抗：
（4）
干路电流有效值：
（5）
已知：
交流输出电压频率范围在30～60HZ，电压Ud=100V。
又因晶闸管和IGBT的导通电流不宜过大，导通电流一般约为10mA。
代入公式（5）得：
Ω
选择最高频率60HZ,代入公式（4）得：
使整个电路负载呈感性则有：
X>
R。
电阻选择3000Ω。
因此X=6000Ω。
将X=6000Ω代入公式（4）得：
所以选择电阻R=3000Ω,电感L=0.063H。
第3章驱动电路的设计
3.1驱动电路原理图设计
3.2驱动电路的种类
驱动电路有电流型驱动电路和电压型驱动电路。
3.3驱动电路的作用
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
采用良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
3.4驱动电路的选择
驱动电路的选择与使用的电力电子器件相关。
在这里我们需要控制IGBT的开关，因为IGBT是电压型驱动器件所以选择电压型驱动电路。
常见驱动电力的混合集成电路有三菱公司的M57918L芯片。
同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。
图3-2给出了M57962L的原理和接线图。
这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。
M57962L输出的正驱动电压均为+15V，左右，负驱动电压为-10V。
图3-2M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图
第4章控制电路设计
4.1控制电路的作用
控制电路的作用就是通过控制驱动电路运行进而控制IGBT的通断。
又因IGBT的关断速度决定了输出电压的频率。
所以控制电路就是通过产生一定频率的脉冲信号来控制驱动电路进而控制IGBT的关断改变电流方向和电压方向从而得到想要频率的输出交流电压。
4.2控制电路原理图设计
图4-1控制电路原理图
4.3控制电路原理分析
在这里采用2片集成函数发生器ICL8038，分别用于发生频率一样的正弦波和三角波，它们共同经过运放（LM311）、非门（74HC04）生成两路PWM信号，这两路信号分别是PWM+、PWM-，它们的相位差为180°
然后通过芯片4528以及与门（74HC08）得到两路频率一样但相位相差 ）的SPWM波形，
它们分别是SPWM1、SPWM2。
将SPWM1分成两路接驱动电路用来控制开关V1、V4，将SPWM2分成两路接驱动电路用来控制开关V2、V3。
D触发器产生的STOP停止信号用来分别与PWM1、SPWM2相与使驱动电路停止工作。
从而实现逆变电路输出波形的开与关。
4.4移相调压的原理
前面分析的都是为正负电压各为的脉冲时的情况。
在这种情况下若要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud的大小来实现。
在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变带南路的输出电压，这种方式成为移相调压。
移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。
当V3、V4的栅极信号不是分别和V1、V2的栅极信号同相位，而是前移了。
这样，输出电压U0就不再是正负各为一半的脉冲，而是正负各为的脉冲，各IGBT的栅极信号及输出电压U0、输出电流i0的波形如图0-4b所示。
工作原理：
设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压U0为，t1时刻V3和
V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。
因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。
到t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-。
到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3导通，U0仍为。
t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，
而V4不能立刻导通，VD4导通续流，U0再次为零。
以后重复该过程。
这样，输出电压的正负脉冲宽度就各为。
改变，就可以调节输出电压。
例如当=90°
时，输出电压有效值 。
4.5CL8038芯片介绍
ICL0838精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。
4.5.1ICL0838引脚功能
图4-2ICL8038的引脚功能排列图
脚1、12（SineWaveAdjust）：
正弦波失真度调节；
脚2（SineWaveOut）：
正弦波输出；
脚3（TriangleOut）：
三角波输出；
脚4、5（DutyCycleFrequency）：
方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；
脚6（V＋）：
正电源±
10V～±
18V；
脚7（FMBias）：
内部频率调节偏置电压输；
脚8（FMSweep）：
外部扫描频率电压输入；
脚9（SquareWaveOut）：
方波输出，为开路结构；
脚10（TimingCapacitor）：
外接振荡电容；
脚11（V-orGND）：
负电原或地；
脚13、14（NC）：
空脚。
4.5.2ICL0838内部结构
图4-3ICL8038内部电路方框图
基本电路的工作原理:
该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波—正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2等组成。
恒流源CS1、CS2主要用于对外接电容C进行充电放电，可利用4、5脚外接电阻调整恒流源的电流，以改变电容C的充放电时间常数，从而改变10脚三角波的频率。
两个比较器分别被内部基准电压设定
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