单相PWM逆变电路课程设计文档格式.docx
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过电流保护………………………………………………………（14）
4.2
驱动电路的设计
………………………………………………（14）
五使用的元件…………………………………………………………….（16）
六仿真实验……………………………………………………………（19）
七心得体会……………………………………………（24）
八参考文献……………………………………………………………（24）
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课题的目的
1）通过对单相桥式PWM逆变电路的设计，掌握单相桥式PWM逆变电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单相桥式全控整流电路和系统设计的能力。
2）了解与熟悉单相桥式PWM逆变电路拓扑，控制方法。
3）理解和掌握单相桥式PWM逆变电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。
4）具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
1.3课题的内容及要求
对单相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路进行设计，设计参数如下：
直流电压为100V；
阻感负载；
负载中R=2
，L=1mH；
要求输出频率范围：
10HZ~100HZ。
1.4课题的意义
电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。
普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。
逆变电源的工作原理与UPS有以下两点区别：
1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内）。
2）逆变电源的输入直流电压为180～285V，而UPS内置电池电压为12V或24V。
根据直流侧电源性质的不同,逆变电路可分为：
电压型逆变电路——电压源型逆变电路和电流型逆变电路，又称为电流源型逆变电路。
2.1电压型逆变电路
2.1.1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。
2.1.2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。
图1
图2
2.1.3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。
带中心抽头变压器的逆变电路
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。
图3
2.2电流型逆变电路
2.2.1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。
2.2.2单相电流型逆变电路
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。
1）t1~t2：
VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。
t2~t4：
t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。
2）LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。
VT2、VT3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、VT1、VT3、LT3到C；
另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。
图5并联谐振式逆变电路工作波形
5）iｏ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。
2.2.3保证晶闸管的可靠关断及有关参数计算。
晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t，t=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq。
为保证可靠换流，应在uo过零前t=t5-t2时刻触发VT2、VT3。
.
t为触发引前时间：
io超前于uo的时间：
表示为电角度：
为电路工作角频率；
、分别是t、t对应的电角度。
忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数：
基波电流有效值：
负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）：
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。
（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，如图（3-1）所示。
IC2
图6单相SPWM逆变电源控制电路
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,图中，正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图7、8。
R2
C2
图7正弦波发生器
C1=0.08µ
、R1=10k,C2=0.08µ
R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k
图8三角波发生器
上图中C1=0.2µ
C2=1µ
R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R4=10k.
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。
图9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S1~S4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。
图10主电路拓扑图
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。
3.33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
3.3.2对单极性调制方式如上公式
（2）
3.3.3对单极性倍频调制方式如上公式（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I／I0，LC滤波器对开关频率及其倍频附近的谐波具有明显的衰减作用。
四驱动和保护电路的设计
过电流保护
过电流保护采用电流互感器作为电流检测元件,其具有足够快的响应速度,能够在IGBT允许的过流时间内将其关断,起到保护作用。
如图11所示,过流保护信号取自CT2,经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端,如图11所示。
当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时,比较器输出高电平,使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并把同相端电位提升为高电平,使电压比较器一直稳定输出高电平。
同时,该过电流信号还送到SG3525的脚10。
当SG3525的脚10为高电平时,其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。
图11
过电流保护电路
4.2驱动电路的设计
驱动电路的设计既要考虑在功率管需要导通时,能迅速地建立起驱动电压,又要考虑在需要关断时,能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷,拉低驱动电压。
具体驱动电路如图12所示
图12
驱动电路
其工作原理是：
（1）当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦导通,使Q1的基极电位迅速上升,导致D2导通,功率管的栅极电压上升,使功率管导通;
（2）当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦不导通,使Q1的基极电位拉低,而功率管栅极上的电压还为高,所以导致Q1导通,功率管的栅极电荷通过Q1及电阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地关断。
当然,对于功率管的保护同样重要,所以在功率管源极和漏极之间要加一个缓冲电路避免功率管被过高的正、反向电压所损坏。
五元件清单
编号
元件名
个数
1
放大器
5
2
二极管
若干
3
IGBT
4
光耦合晶闸管
示波器
6
LC滤波单元
7
变压器
六仿真实验
6.1单相桥式PWM逆变主电路原理图
图13
6.2控制电路原理图
图14
6.3仿真所得波形
IGBT触发脉冲波形
图15
图16
DC/AC逆变波形
图17
当f=20Hz时，波形如图18所示
图18
当f=30Hz时，波形如图19所示
图19
当f=40Hz时，波形如图20所示
图20
当f=50Hz时，波形如图21所示
图21
当f=60Hz时，波形如图22所示
图22
当f=70Hz时，波形如图23所示
图23
当f=80Hz时，波形如图24所示
图24
当f=90Hz时，波形如图25所示
图25
当f=100Hz时，波形如图26所示
图26
4.波形分析
从上图中可以很清晰地看出产生的波形频率为10HZ，可以通过改变信号波的频率来改变IGBT的触发脉冲，从而改变逆变交流电源的频率，实现变频逆变。
七心得体会
通过此次实验设计，熟悉并掌握电力电子器件的实用，对一些常用的主电路或保护电路等有深入的了解。
大致上了解了单相桥式PWM逆变电路的设计，基本掌握了单相桥式PWM逆变电路的工作原理，通过仿真对电路和工作原理进一步理解，在设计以及仿真过程中所遇到的问题能过综合运用所学知识，或者在网上找些资料解决在单相桥式全控整流电路和系统设计中的一些问题，因此对单相桥式PWM逆变电路的拓扑，控制的方法，系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，元器件的选择计算方法等有比较深刻的体会，间接培养了一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
八参考文献
【1】孙树朴等、电力电子技术（第一版）、中国矿业大学出版社、1999
【2】邵丙衡、电力电子技术（第一版）、铁道出版社、1997
【3】王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版）、机械工业出版社、2008
【4】叶斌、电力电子技术习题集（第一版）、铁道出版社、1995
【5】赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版）、清华大学出版社、1995
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