5kW三相电压源型逆变电路设计.doc

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交流调速控制系统课程设计（论文）

题目：

5kW三相电压源型逆变电路设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

自动化104

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

学生姓名

专业班级

自动化104

课程设计（论文）题目

5kW三相电压源型逆变电路设计

课程设计（论文）任务

课题完成的功能：

本课程设计是完成微机控制下的三相电压源型逆变电路，该逆变电路中以绝缘栅双极晶管IGBT作为开关器件，采用单片机作为微机控制核心，实现IGBT驱动信号的设计。

设计任务及要求：

（1）完成电压源型逆变电路主电路设计，包括直流电压源输入、分立搭建IGBT器件、三相逆变电路输出及相关辅助电路。

（2）完成IGBT驱动电路设计，要求选择东芝公司的TLP系列、（如三菱公司的M597系列、富士公司的EXB系列、东芝公司的TLP系列、法国汤姆森公司的UA4002系列等），完成驱动电路与主电路的接口设计及相关保护电路的设计。

（3）完成控制电路设计，包括单片机最小系统、与上面驱动电路的控制接口及软件流程图设计。

（4）撰写课程设计说明书（论文）。

技术参数：

额定输入电压：

直流DC220V；输入电压范围：

±15%；输入最大电流值：

30A；连续工作功率输出：

5kW；逆变输出电压：

三相380VAC±2%；逆变输出波形：

全正弦波；逆变输出频率值：

50Hz±0.5%；转换效率：

93%；功率因数：

0.99

进度计划

（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（2天）

（2）对系统各组成部件进行功能分析（3天）

（3）系统电气电路设计及调试设计（3天）

（4）撰写、打印设计说明书及答辩（2天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

三项电压源逆变电路从出现到发展已经有很多年了，它的应用也已经不只是普通的应急设备了，它在节能、变频调速以及改善电源质量等很多方面被广泛利用。

随着电力电子器件的不断更新换代，更高耐压更大功率更低损耗是逆变电源的发展趋势。

利用现有的功率模块设计出优秀的电源是研发人员的工作方向。

国外在这方面比我们领先了近十年，想要迎头赶上，首先必须清楚的了解它的设计思路，弄懂每一部分的电路原理，在这基础上改善现有的设计，才能达到创新的目的。

本文详细地分析了在逆变电源主电路中，各个元器件的作用以及其具体的选择方法。

逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。

逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。

它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

将直流电能变换为交流电能的变换电路。

可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。

生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网（中国采用线电压方均根值为380V，频率为50Hz供电制）。

由公共电网向交流负载供电是最普通的供电方式。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

关键词：

三相；逆变电路；IGBT；

目录

第1章绪论 4

第2章课程设计方案 5

2.1电压源逆变电特点 5

2.2电路基本原理 5

2.3主电路设计 6

2.3.1主电路图 7

2.3.2主电路原理分析 7

2.4IGBT驱动电路 7

2.5保护电路 11

2.5.1过电流保护电路 11

2.5.2过电压保护电路 11

第3章驱动电路设计 12

3.1驱动芯片的选择 12

3.2驱动信号的控制选择 12

3.3驱动芯片EXB841 12

第4章控制电路的设计 15

4.1采用单片机控制 15

4.2三相电压源逆变电路的链接 19

第5章系统软件设计 20

5.1系统的结构框图 20

5.2系统的流程图 21

第6章课程设计总结 22

参考文献 23

第1章绪论

逆变电路直流侧电源是电压源的称为电压型逆变电路，三相电压型逆变电路的主电路。

直流电源采用相控整流电路，由普通晶闸管组成。

逆变电路由6个导电臂组成,每个导电臂均由具有自关断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。

电压型逆变电路主要用于两方面：

笼式交流电动机变频调速系统。

。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

第2章课程设计方案

2.1电压源逆变电特点

直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉冲；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需提供无功。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

2.2电路基本原理

在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路如下图1所示。

图1三相电压型桥式逆变电路

三相电压型PWM逆变电路只要实现功能就是将直流电压变换成交流电压。

图1中U、V、M三相的PWM控制通常公用一个三角波载波，三相调制信号uru、urV、urw一次相差。

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时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点输出电压。

当uru时，给以导通信号，给以关断信号，则。

但V1与的驱动信号始终是互补的，当给V1（）加以导通信号时，可能（）导通，也可能是二极管续流导通，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。

由上分析，的波形是幅值为的矩形波，V、M两相情况跟U相类似。

所以负载线电压、、为

负载相电压、、为

负载中点和电源中点间电压为

负载三相对称时有，于是。

所以也是矩形波，其频率为的3倍，幅值为其，即。

三相逆变输出的电压与电流分析类似，负载参数已知，以U相为例，负载的阻抗角不一样，的波形形状和相位都有所不同，在阻感负载下时，从通态转换到断态时，因负载电感中电流不能突变，先导通续流，待负载电流降为零，才开始导通。

负载阻抗角越大，导通时间越长。

在时，时为导通，时为导通；在时，时导通，时为导通。

、的波形与形状相同，相位一次相差。

将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流。

在上述导电方式逆变器中，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。

2.3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。

2.3.1主电路图

图2三相电压型桥式逆变电路

2.3.2主电路原理分析

图2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

2.4IGBT驱动电路

2.4.1IGBT特点

 IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

  IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。

在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。

栅极特性

  IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。

由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般只能达到20～30V，因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。

在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极－集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。

为此。

通常采用绞线来传送驱动信号，以减小寄生电感。

在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

由于IGBT的栅极－发射极和栅极－集电极间存在着分布电容Cge和Cgc，以及发射极驱动电路中存在有分布电感Le，这些分布参数的影响，使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形不完全相同，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。

这可以用带续流二极管的电感负载电路（见图3）得到验证。

图3（a）等效电路                  （b）开通波形

栅极串联电阻对栅极驱动波形的影响

 栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT开通关断过程有着较大的影响。

IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流，使得IGBT的开通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT的开通受栅极驱动波形的影响较大。

IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率，少子的复合受MOSFET的关断影响，所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。

 在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高IGBT开关速率降低损耗。

 在正常状态下IGBT开通越快，损耗越小。

但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损害。

此时应降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。

其代价是较大的开通损耗。

利用此技术，开通过程的电流峰值可以控制在任意值。

 由以上分析可知，栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程影响较大，而对关断过程影响小一些，串联电阻小有利于加快关断速率，减小关断损耗，但过小会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。

因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。

 栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响。

电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。

IGBT的栅极输入电容Cge随着其额定电流容量的增加而增大。

为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率，对于电流容量大的IGBT器件，应提供较大的前后沿充电电流。

为此，栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。

  IGBT的驱动电路

 IGBT的驱动电路必须具备2个功能：

一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲。

实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。

图4 IGBT的驱动电路

 图4为采用光耦合器等分立元器件构成的IGBT驱动电路。

当输入控制信号时，光耦VLC导通，晶体管V2截止，V3导通输出＋15V驱动电压。

当输入控制信号为零时，VLC截止，V2、V4导通，输出－10V电压。

＋15V和－10V电源需靠近驱动电路，驱动电路输出端及电源地端至IGBT栅极和发射极的引线应采用双绞线，长度最好不超过0.5m。

图5光耦合器等分立元器件构成的IGBT

图5为由集成电路TLP250构成的驱动器。

TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V以内的IGBT。

外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。

TLP250构成的驱动器体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器中较理想的选择。

2.5保护电路

2.5.1过电流保护电路

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

过电流分为过载和短路两种情况。

通常采用的保护措施有：

快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。

一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

综合本次设计电路的特点，采用快速熔断器，即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。

如图6电流保护电路所示。

对于所选的保险丝，遵从值小于晶闸管的允许值。

图6三相电压源逆变电路的过流保护电路

2.5.2过电压保护电路

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。

本设计主要用于室内，为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。

根据以上产生过电压的的各种原因，设计相应的保护电路。

如图7过压保护电路所示。

其中：

图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制，当电压过高时，保护电路中的电容会阻碍其电压的上升，从而使得电力电子器件IGBT管因电压的的过高厄尔损坏。

第3章驱动电路设计

3.1驱动芯片的选择

EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过Ip，最高工作频率达40一50kHz，它只需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个一5V反偏压，模块采用高速光藕隔离，射极输出。

有短路保护和慢速关断功能。

3.2驱动信号的控制选择

采用正弦脉宽调制：

正弦脉宽调制是以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。

3.3驱动芯片EXB841

要很好使用IGBT，必须根据它的特点设计合理的、保护措施齐全的驱动电路进行控制否则很容易造成IGBT的损坏。

EXB841就是驱动电路的芯片。

图8EXB841功能框图

EXB841主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。

其中放大部分由TLP550,V2,V4,V5和R1,C1,R2,R9组成，TLP55起信号输人和隔离作用，V2是中间级，V4和V5组成推挽输出;短路过流保护部分由V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成，实现过流检测和延时保护功能。

EXB841的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的C极，检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护;5V电压基准部分由R10,VZ2,C5组成，为IGBT驱动提供一5V反偏压。

图9EXB841原理图

正常开通过程，当控制电路使EXB841输人端14和15脚有l0mA的电流流过时，光藕TLP550导通，A点电位迅速下降至OV，使VI,V2截止;V2截止使D点电位上升至20V,V4导通V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻R,向IGBT提供电流使之迅速导通，IGBT的V,。

下降至3V,与此同时，EXB841的V1截止使+20V电源通过B3向电容C2充电，使B点电位上升，它们由零上升到13V的时间为2.54p,由于IGBT约1ps后已导通，VCE下降至3V左右，从而使EXB841的6脚电位特制在8V左右，因此B点和C点电位不会充至13V，而是充至8V,稳压管VZ1的稳压值为13V,IGBT正常开通时不会被击穿，V3不通，E点电位仍为20V，二极管V6截止，不影响V4,V5的正常工作。

正常关断过程，控制电路使EXB841输人端14,15脚无电流流过，光藕TLP550不通，A点电位L升使VI,V2导通;V2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的1脚电位迅速下降至OV，使IGBT可靠关断,Vc;迅速上升，使EXB841的6脚“悬空”。

与此同时V1导通，C2通过vi更快放电，将B点和c点电位箱制在ov，使vzl仍不通，后续电路不会动作，IGBT正常关断。

保护动作过程，设IGBT正常导通，则EXB841中V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，Vzl不被击穿，V3不通，E点电位保持在20V,二极管V6截止。

若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，VCE上升很多，二极管V7截止，EXB841的6脚“悬空”,B点和C点电位由8v上升，当上升至13V时，vzl被击穿,V3导通,C4通过R7和V3放电，E点电位逐渐下降，二极管V6导通使D点电位也逐渐下降，从而使EXB841的3脚电位也逐步下降，慢慢关断IGBTa根据图2和对其工作原理分析可知，EXB841的本身所谓的保护仅是通过二极管V7来检测IGBT的极射间的电压降来控制的，故EXB841有三个致命缺点，一是二极管V7与IGBT的集电极相连，也就是与强电相连，在煤矿550V直流架线电机车上应用，V7经常被强电高压击穿，EXB841和控制板被烧坏;二是它仅对短路情况下才能检测，对于一般过载不起作用;三是提供一5V偏压的VZ2稳压管易损坏，导致EXB841无法正常使用。

针对以上的缺陷，在实际应用中现作了改进。

第4章控制电路的设计

4.1采用单片机控制

本论文的单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。

在芯片中，P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。

P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。

图1089C51引脚图

引脚说明：

①电源引脚

Vcc（40脚）：

典型值＋5V。

Vss（20脚）：

接低电平。

②外部晶振

X1、X2分别与晶体两端相连接。

当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。

③输入输出口引脚：

P0口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

P1口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

P2口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

P3口：

I/O双向口。

作输入口时，应先软件置“1”。

④控制引脚：

RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。

RST/Vpd（9脚）：

复位信号输入端（高电平有效）。

ALE/-PROG（30脚）：

地址锁存信号输出端。

第二功能：

编程脉冲输入。

-PSEN（29脚）：

外部程序存储器读选通信号。

-EA/Vpp（31脚）：

外部程序存储器使能端。

第二功能：

编程电压输入端（+21V）。

图11单片机系统电路

4.2三相电压源逆变电路的链接

在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。

存在以上关系的原因是由于随着导通饱和压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方增大，从而造成承受短路的时间迅速缩短。

采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图3.6所示，可以看出电路由三个半桥组成。

1.2.背景介绍TCP/IP协议中，寻找一台计算机到另一台计算机的路由是很重要的.1．要判断是否能找到路2．找到路后找一条短的路（花费时间最小）3．在找路时不能循环4．最好还应该能动态处理路由变化，如：

接口的UP或DOWN，时间花费的变化，IETF（InternetEngineeringTaskForce）于1988年提出的OSPF是一个基于链路状态的动态路由协议，思路如下：

在自治系统中每一台运行OSPF的由器收集各自的接口/邻接信息称为链路状态，通过Flooding算法在整个系统广播自己的链路状态，使得在整个系统内部维护一个同步的链路状态数据库，根据这一数据库，路由器计算出以自己为根，其它网络节点为叶的一根最短的路径树，从而计算出自己到达系统内部可达的最佳路由。

图12三相逆变电路

第5章系统软件设计

5.1系统的结构框图

系统的总结构框图如图13。

图13系统的结构框图

5.2系统的流程图

图14系统总流程图

第6章课程设计总结

交流课程设计终于顺利完成了，其中包含着快乐，也有辛酸。

我的题目是“5kW三相电压源型逆变电路设计”，开始觉得题目比较简单，其实不然，着手开始准备时发现，电路设计虽然简单，但程序设计比较困难，不过最终还是完成了。

回顾起此次交流课程设计，我感慨颇多，从着手到完成，从理论到实践，在接近一星期的日子