三相逆變電源研究參與學生及其學號：林燕貞（1011370102）郁舒雁（1011590108）丁仲侶（1010190102）指導老師（院、系）：李強（自動化院）目錄摘要 3第1章緒論 11.1課題背景 21.2現代逆變技術 21.3本課題的主要內容和意義 2第2章逆變功率器件的選擇 32.1逆變器用功率開關器件 32.2器件的選擇 42.2.1IGBT的結構和特點 52.2.2IGBT的基本特性 62.2.3IGBT的擎住效應和安全工作區 82.2.4IGBT驅動電路的要求 92.2.5IGBT的保護 102.3逆變電路的選擇 112.3.1逆變電路的介紹 132.3.2單相電壓型逆變電路 132.3.3三相電壓型逆變電路 152.3.4逆變電路的選擇 15第3章主電路設計 163.2主電路的參數設計 163.2.1斬波器的設計 163.2.2整流與逆變電路 18第4章控制電路的設計 204.1正弦脈寬調制波（SPWM）的產生原理 214.2SPWM波形的產生方法………… 214.3正弦脈寬調制的計算法………………22第5章參考文獻………… 23第六章附錄………… 25摘要PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術,如果脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱為SPWM波形。該設計包括主電路、驅動電路、SPWM信號產生電路的設計。逆變器中的IGBT（絕緣柵極雙極性晶體管）驅動電路由SPWM進行控制，通過對主要驅動電路以及控制電路的設計,使得該逆變電源得以實現。考慮到電路的安全以及使用的壽命，我們還認為可以設計過熱保護電路和過壓電路保護。為了使所設計的直流電源具更廣的應用，我們采用直流斬波電路的功能時將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。綜上，利用IGBT和集成模塊來產生驅動電路，控制電路用SPWM來控制，SPWM利用規則采樣法來生成，采用雙極性的控制方式。但由于我國的線電壓的不穩定性，為了延長IGBT的壽命，在原來的基礎上加了過電壓保護和過熱保護。關鍵詞：IGBT；逆變器；斬波電路；SPWM；AbstractPWMcontrolisthetechnologyofpulsewidthmodulation,ifaccordingtothesinelawofchangeandthewidthofpulseequivalentPWMwaveformandsinewave,alsoknownastheSPWMwaveform.Thisdesignincludingmaincircuit,drivecircuit,SPWMsignalcircuitdesign.InverterIGBT(insulatedgatebipolartransistor)ofthedrivingcircuitcontrolledbySPWM,throughtothemaindrivecircuitandcontrolcircuitdesign,maketheinverterpowersupply.Consideringthesafetyofthecircuitandtheuseoflife,wecanalsothinkdesignoverheatprotectioncircuitandovervoltageprotectioncircuit.Inordertomakethedcpowersupplydesignbywiderapplication,whenweusethefunctionofthedcchoppercircuitwilldirectcurrenttoafixedvoltageoradjustablevoltagedirectcurrent(dc).Inconclusion,usingIGBTandintegrationmoduletogeneratethedrivecircuit,controlcircuitusingSPWMcontrol,SPWMrulesamplingmethodisusedtogenerate,adoptthedualpolaritycontrolmode.Butasaresultofourlinevoltageinstability,inordertoprolongthelifeoftheIGBT,onthebasisoftheoriginalandtheovervoltageprotectionandoverheatprotection.Keywords:IGBT;Inverter;Choppercircuit;SPWM.第1章緒論1.1課題背景逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉變為220伏交流電的電子設備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。我們處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。而逆變器的一個主要應用就是逆變電源的制作，逆變電源廣泛運用于各類：電力、通訊、工業設備、衛星通信設備、軍用車載、醫療救護車、警車、船舶、太陽能及風能發電領域，因此研究逆變器有著舉足輕重的意義。有人甚至說早期的我們處于整流器時代，后來則進入逆變器時代。1.2現代逆變技術逆變技術，逆變技術就是電力電子技術上的使直流變成交流(DC/AC)的一門技術，是電力電子學四種變換技術中最主要的一種。它了基本功能是是使交流電能(AC)與直流電能(DC)進行相互變換.它是電力電子技術領域中最為活躍的部分.逆變器就是通過半導體功率開關器件(SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET模塊等)開通和關斷作用,實現逆變的電能轉換裝置。逆變技術的分類方式很多，主要分類方式敘述如下。1）按逆變器輸出交流的頻率分為：工頻（50~60Hz）、中頻（400Hz到幾十kHz）逆變和高頻（幾十kHz到幾MHz）逆變；2）按交流側與電網相接或與負載分為：無源逆變和有源逆變；3）按逆變器輸出電壓的波形分為：正弦波逆變和非正弦波逆變；4）按逆變器輸出的交流的相數分為：單相逆變、三相逆變和多相逆變；5）按逆變器輸入直流電源的性質分為：電壓源逆變和電流源逆變；6）按逆變器的控制方式分為：脈寬調制（PWM）逆變、脈頻調制（PFM）逆變和數字逆變。1.3本課題的主要內容和意義本次設計的逆變電源主要由控制部分，功率發生電路組成。逆變器中的IGBT（絕緣柵極雙極性晶體管）驅動電路由SPWM進行控制，通過對主要驅動電路以及控制電路的設計,使得該逆變電源得以實現?？紤]到電路的安全以及使用的壽命，我們還認為可以設計過熱保護電路和過壓電路保護。在驅動電路部分我們采用了IGBT。IGBT最大的優點是無論在導通狀態還是短路狀態都可以承受電流沖擊。它的并聯不成問題，由于本身的關斷延遲很短，其串聯也容易。在控制部分我們采用SPWM（正弦脈寬調制），SPWM就是在PWM的基礎上使得輸出電壓脈沖在一個特定的時間間隔內的能量等于正弦波所包含的能量。由于期望的逆變器輸出是一個正弦電壓波形，可以把一個正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調制技術。和單極性調制技術不同，在ur的一個周期內，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負，所得SPWM也是有正有負。在調制信號ur和載波信號的交點時刻控制各開關器件的通斷，達到了很好的控制作用。SPWM波形的生成方法主要有自然采樣法、規則采樣法、等面積法等。自然采樣法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波，但這種方法要求解復雜的超越的方程，在實時控制中難以在線計算，因此在工程上我們采用規則采樣法。為了使所設計的直流電源具更廣的應用，我們采用直流斬波電路的功能時將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。綜上，利用IGBT和集成模塊來產生驅動電路，控制電路用SPWM來控制，SPWM利用規則采樣法來生成，采用雙極性的控制。但由于我國的線電壓的不穩定性，為了延長IGBT的壽命，在原來的基礎上加了過電壓保護和過熱保護。正弦波逆變器輸出的是同我們日常使用的電網一樣甚至更好的的交流電。因為電網中它不存在的電磁污染，可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價適中，智能性高。采用SPWM數字化逆變電源零部件少、精度高,核心部件的維護和維修比較容易.第2章逆變功率器件的選擇2.1逆變器用功率開關器件電力電子器件的發展經歷了晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（GTO）、晶體管（GTR）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向發展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點.下面介紹當前主要功率開關器件的特性及其應用情況。1）晶閘管：這是最早應用的一種功率開關器件，其特點是功率最大，應用最廣。普通型SCR的電壓高達6000V，電流達數千安培，自身正向壓降約為1.5V，開通僅需要在晶閘管承受正向電壓的基礎上在門極加觸發脈沖即可，但晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，即不論觸發電流是否存在，晶閘管都保持導通。若要使導通的晶閘管關斷必須用電感、電容和輔助開關器件組成的強迫換向電路。其工作頻率不大于400Hz。由于其工作頻率低，關斷電路復雜，效率低，功耗大，因此在PWM調制中產生的正弦波不夠完善，并且噪聲大。目前，逆變器中已經基本不再用SCR作為功率開關器件，SCR主要用做UPS的靜態開關。2）電力場效應管（MOSFET）：電力MOSFET是一種單極型開關器件。其特點是開關速度快，安全工作區寬，熱穩定性好，線性控制能力強，采用電壓控制，易于實現數控，因此常常作為開關器件實現電量的逆轉換。MOSFET的缺點是由于電力MOSFET本身結構所致，在其漏極和源極之間形成與反向并聯的寄生二極管，會影響MOSFET電力的使用。3）電力（GTR）晶體管:與普通雙極結型晶體管的原理相似，但是對GTR來說最主要的特性就是耐壓高，電流大，開關性能好，通常采用至少兩個晶體管按達林頓法組成單元結構。但由于存在存在二次擊穿使器件處于永久性損壞。與此同時若采用多重達林頓晶體管提高增益，則開關時間增長，自身電壓降會增大。由于其開通狀態必須飽和，因此電流增益很低，往往要求驅動電路輸出很大的電流，使功率消耗增大，間接減少期間的使用壽命。4）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）：IGBT是三端器件，具有柵極G，集電極C，發射極E，是一種新發展起來的復合型功率開關器件，它既有單極型電壓驅動的MOSOFT的優點，又結合了雙極型開關器件BJT耐高壓，電流大的優點。其開關速度顯然比功率MOSFET低，但遠高于BJT，又因為它是電壓控制器件，故控制電路簡單、穩定性好。IGBT的最高電壓為1200V，最大電流為1000A，工作頻率高達1000kHz。它具有電壓控制和開關時間（約為300ns）極短的優點。其正向壓降約為3V。在現代的UPS中IGBT普遍被用作逆變器或整流器開關器件。它是全控型開關器件，通過數控技術控制IGBT的通斷，能有效地將輸入電壓與輸入電流保持同步，是功率因數等于1，從而減小了UPS整流器對市電電源的干擾。2.2器件的選擇通過對各種功率器件的分析，對于本次逆變電源設計將選用IGBT場效應晶體管作為逆變器用功率開關器件。下面就對絕緣柵雙極晶體管（IGBT）做詳細的介紹。絕緣柵極雙極性晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)是功率MOSFET和雙極型功率晶體管組合在一起的符合功率器件。它既具有MOSOFT管的通/斷速度快、輸入阻抗高、驅動功率小和驅動電路簡單等優點，又具有大功率雙極晶體管的容量大和阻斷電壓高的優點。從IGBT問世以來得到了廣泛的應用，發展很快。特別是在開關和逆變電路中，它是被廣泛應用的、理想的開關器件。2.2.1IGBT的結構和特點RNIGBT的內部結構、等效電路和電氣符號如圖2-1所示。圖2-1（a）為IGBT的內部結構，與MOSFET比較，IGBT是在MOSFET的漏極下又增加了一個區，多了一個PN結（）。IGBT的等效電路如圖2-1（b）所示。它是有MOSOFT和雙極型功率晶體管復合而成的。IGBT的電氣符號如圖2-1（c）所示。RN圖2-1IGBT的內部結構、等效電路和電氣符號其中RN為晶體管基區內的調制電阻IGBT具有正反向阻斷電壓高、通態電壓大及通過電，因此IGBT也是場控器件，其開通和關斷主要有柵極和發射極的電壓uce決定。當uce為正且大于開啟電壓時，MOSOFT內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通，但由于電導調制效應的存在使器件具很小的通態壓降，當柵極和發射極的電壓反向或不加信號時，內部溝道消失，基極電流被切斷，是的IGBT關斷。同時，由于采用MOS柵，其控制電路的功耗小，導通和關斷時的靜態功耗也很小，只是在狀態轉換過程中存在一定的動態損耗。這種動態損耗也可以通過軟開關即使使其達到最小。由于IGBT具有這些特點，才使其被廣泛地作為功率開關期間用于開關和逆變電路中。2.2.2IGBT的基本特性IGBT的基本特性分為靜態特性、動態特性和高溫特性三個部分。2.2.2.1靜態特性IGBT的靜態特性主要包括輸出伏-安特性、轉移特性和靜態開關特性。1）輸出伏-安特性IGBT的輸出伏-安特性曲線如圖2-2所示。它是表示以柵極-發射極間電壓為變量的集電極電流和集電極-發射極間電壓的關系曲線。圖2-2IGBT的輸出伏-安特性曲線IBGT的輸出伏-安特性曲線（他描述的是以柵極電壓為參考量，集電極電流Ic和集射極間電壓Uce之間的關系）分為四個區域：（1）I區為截止區。在此區域內，由于很小，隨著的增加很小，且變化不大。此時，基本上是C、E間的漏電流。（2）II區為線性放大區。在此區域內，隨著的增加，當≥（IGBT的開啟電壓）時，開始增加，并且隨著的變化呈線性關系：式中，為IGBT的跨導。當IGBT用于逆變電路的開關狀態時，要求盡快越過這個區域，以便減小通態損耗。因此，這個參數在實際應用中顯得不是很重要了。（3）III區為飽和區。在此區域內，當為某一定值時，隨著的增加，基本不變，達到飽和。達到飽和后的集電極-發射極電壓成為IGBT飽和電壓，記為。一般情況下=2~4V。（4）IV區為擊穿區。當為某個確定值時，增加并達到后，會突然增大，發生過電壓擊穿。此時的稱為IGBT的擊穿電壓。IGBT絕對不能用在此區域內。2）轉移特性IGBT的轉移特性曲線如圖2-3所示。它表示在不變的情況下，與的關系曲線。在很小時，=。隨著的增加，在=且繼續增加時，呈線性增加而進入放大區。我們把從截止區轉移到線性放大區的轉移點稱為的柵極開啟電壓。一般情況下，=3~5V。圖2-3IGBT的轉移特性曲線3)靜態開關特性IGBT的靜態開關特性曲線如圖2-4所示。IGBT的靜態開關特性實際上時表示IGBT瞬間從導通（關斷）狀態轉換成關斷（導通）的情況，即瞬間越過線性放大區的特性曲線。圖2-4IGBT的靜態開關特性曲線2.2.2.2動態特性前面講述的靜態特性，只表明了IGBT從一個穩態變換到另一個穩態的特性，從而沒有涉及狀態變換的過程。IGBT狀態變換過程的特性為其動態特性。IGBT的動態特性與其負載有關。因為IGBT用于逆變電路時的負載多半時感性負載。IGBT的負載為感性時的動態特性曲線如圖2-5所示。1）導通特性一般情況下，IGBT的柵極加有一個負偏壓以保證IGBT可靠地處于關斷狀態。當柵極電壓由這個負偏壓開始往正方向變化時，由于柵極電容有個充電過程，在經過一段時間后，達到柵極開啟電壓，IGBT的集電極電流才有漏電流開始增加。這段時間稱為導通延遲時間。再經過一段時間后，達到=(為流經感性負載的電流)。稱為電流上升時間。此時，開始下降，在時間內下降到飽和電壓。稱為電壓下降時間。IGBT的導通時間為、、之和，即=++2)關斷特性在IGBT處于導通狀態時，柵極電容上充有正電壓，當向負方向變化時，由于柵極電容有個放電過程，在經過一段時間后，減小到柵極開啟電壓，集電極電流開始下降。這段時間稱為存儲時間。過后開始從=下降，由于感性負載的的作用，在上升過程中會產生電壓過沖，這段時間稱為電壓上升時間。在過后，繼續下降，最后達到，這段時間稱為電流下降時間。IGBT的關斷時間為、、之和，即=++第二代IGBT的導通時間=0.3~0.8，關斷時間=0.6~1.5；第三代IGBT的和則更小。圖2-5IGBT的負載為感性時的動態特性曲線2.2.2.3高溫特性IGBT具有優良的高溫通態特性，在環境溫度（散熱片溫度）達到200左右時，仍能正常工作。特別值得一提的時，隨著溫度的增高，IGBT的爭先個壓降反而略有下降，并且還可以在某個特定的通態電流下，隨著溫度的變化，其通態正向壓降保持基本不變。當通態電流高于此值時，隨著溫度的增高，其正向壓降略有增加。但實際應用中，還是應該注意器件的散熱問題，以避免器件工作在高溫環境中。2.2.3IGBT的擎住效應和安全工作區IGBT在正常工作時，集電極電流IC基本上受控制，但當集電極電流超過某一緩大值,之后，柵極電壓將失去控制作用。這是IGBT的一種特殊現象，叫做擎住效應。引發擎住效應的原因，可能是因為集電極電流過大（靜態擎住電流），可能是因為duce/dt過大（動態擎住效應），溫度升高會加重發生擎主效應的危險。由于動態擎住電流比靜態擎住電流所允許的集電極電流還要小，因此器件給出的通常按動態擎住效應來規定。根據最大集電極電流，最大集射間電壓和最大集射極功耗可以確定IGBT在導通工作的參數極限范圍，即正向偏置安全工作區FBSOA（是指柵一射極間加正偏壓時的安全工作區，對應IGBT的導通狀態）。如圖2-3所示，除和集一射極最大允許電壓邊界外，另一邊界對應于允許的功耗。因功耗與器件的導通時間密切相關，從圖中可以看出，IGBT的FBSOA也隨導通時間增加而減小。可以確定IGBT在阻斷工作狀態下的參數極限范圍即，反偏安全工作區RBSOA（是指柵一射極間加反偏壓時的安全工作區，對應IGBT的關斷狀態）。與FBSOA相比，三條邊界中，和相同，但另一條邊界為器件關斷后集一射極間重加正向電壓的上升率。2.2.4IGBT驅動電路的要求電力電子的驅動電路是電力電子主電路和控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要組成部分。采用良好的驅動電路，可是電力電子器件處于較好的的開關狀態，縮短開關時間，減少開關損耗，對裝置的運行的效率，可靠性和安全性都有重要的意義。在驅動電路還要提供控制電路和主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離。按照驅動電路加在電子器件的控制端和公共端之間信號的性質，可以將電力電子器件分為電流驅動和電壓驅動。IGBT是電壓驅動型器件。以下是對其要求：1）加在IGBT柵極G和射極E之間，用來開通和關斷IGBT的柵極驅動電壓的正、負脈沖，應以足夠陡的上升沿和下降沿，使IGBT開關時間短，開關損耗小。2）由驅動電路提供的驅動電壓和驅動電流要有足夠的幅值，使IGBT總處于飽和導通狀態。的幅值要綜合考慮減小IGBT通態損耗和提高其短路電流耐受能力這兩方面的要求來選取，一般選取15V.3）在關斷過程中，施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5∽-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。04）IGBT內部存在寄生晶閘管，當集電極電流IC過大或IGBT關斷過程中太高時，都可能使寄生晶閘管誤導通，形成靜態和動態擎住效應，使IGBT失控。故應注意限制IGBT集電極電流的最大值編，本系統柵極外加串聯電阻，以延長其關斷時間，減小的值。2.2.5IGBT的保護在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、保護和保護也時必要的。1）過電壓保護IGBT用于逆變電源時，其負載均為感性。當IGBT處于開關過程中時，會產生開關浪涌電壓，幅值過大或持續時間較長的浪涌電壓會損壞IGBT。為保護IGBT，除盡量減小感性負載的漏感和分布電感外，還應考慮采用過壓抑制電路對IGBT進行過壓保護。2）過電流保護IGBT耐受過電流的能力很有限。這種能力通常用在一定條件下IGBT耐受過電流而不損壞的時間來表征。所謂過流保護，就是指用一定的保護措施使過電流的持續時間小于。引起IGBT短路的主要原因有四鐘情況：橋臂上一個IGBT管或二極管損壞，引起直通短路；橋臂上兩個管子都損壞引起橋臂短路；接線錯誤引起輸出短路;還有接線錯誤或絕緣損壞引起負載對地短路。所有這些短路情況都應加以保護。在相同的電源電壓和門極電壓下，耐受短路的時間以直通短路為最短，橋劈短路和輸出短路為最長，所以任何一種短路現象都可以按直通短路處理來設計短路保護。IGBT的短路耐受能力與柵極電壓有關。越小，短路耐受能力就越強。一般來說，飽和壓降2V左右的IGBT的短路耐受能力僅有幾微妙，這樣短的時間內，保護電路要辨別是很困難的，故不能保證保護的可靠性。由圖2-2可知，降低可提高IGBT的短路耐受能力，因此可以這樣設想：檢測到短路，便降低，這樣便可延長短路時間。IGBT在短路時關斷，電流很大，如果按正常工作時的關斷速度進行，則會因過大的回路電感電勢L疊加在上，形成幅度很高的尖脈沖，損壞主回路IGBT和其他元器件。因此必須較慢地逐漸減小直到IGBT關斷。這就是所謂的“軟關斷”。3）緩沖電路緩沖電路其作用時抑制電力電子器件內因過電壓，或者過電流和，減小器件的開關損耗。緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制，減小關斷損耗。開通緩沖電路用于抑制器件開通時的電流過沖和，減小器件的開通損耗。2.3逆變電路的選擇2.3.1逆變電路的介紹逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源逆變電路（VoltageSourceTypeInverter——VSTI）和電流源逆變電路（CurrentSourceTypeInverter——CSTI）逆變器按主電路形式分類如下：電壓型逆變電路有以下主要特點：1）直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側輸出電壓波形位矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。2.3.2單相電壓型逆變電路常見的單相正弦逆變電源主電路主要有半橋、全橋兩種結構,其中以全橋逆變電路應用最為廣泛。2.3.2.1半橋逆變電路在高壓開關電源中，功率輸出大的一般都使用半橋式變換電路。其電路圖如圖2-6所示。它由兩只電容和兩只高壓晶體管組成。當兩只晶體管都截止時，若兩只電容的容量相等且電路對稱，則電容中點A的電壓為輸入電壓的一半。當導通時，電容將通過、變壓器初級繞組放電；同時，電容則通過輸入電源、和的原邊繞組充電。中點A的電位在充、放電過程中將指數規律下降。在導通結束時，A點的電位為，且兩只晶體管全都截止。兩只電容和兩只晶體管的集射極間的電壓基本上相等，都接近于輸電源電壓的一半。相反，導通時，放電、充電，A點的電位將增至，即A點電位在開關過程中將在的電位上以的幅值進行指數變化。由此可見，在半橋式電路中，變壓器初級線圈在整個周期中都流過電流，以磁心利用得更充分。半橋式變換電路的主要優點是其電路中所使用的功率開關晶體管的耐壓較低，絕不會超過輸入電壓的峰值；晶體管的飽和電壓也降至最低；輸入濾波電容的耐壓也可以減小。但是因為高頻變壓器上施加的電壓幅值只有輸入電壓的一半，與推挽式相比，欲輸出相同的功率，則變壓開關管必須流過2倍的電流。圖2-6單相半橋電壓型逆變電路2.3.2.2全橋逆變電路將半橋式變換電路中的兩電解電容換成另外兩只高反壓功率晶體管，并配以適當驅動電路即可組成全橋式變換電路，如圖2-7所示。、、、組成4個橋臂。高頻變壓器T連接在它們中間。相對臂的、和、由驅動電路激勵而交替導通，將直流輸入電壓變換成高頻方波交流電壓。其工作過程與推挽式功率轉換電路一樣。這樣，高頻變壓器工作時，其初級線圈得到的電壓即為電源電壓。它是半橋電路輸出電壓的一倍，而每個晶體管耐壓仍為電源電壓，使輸出功率增大一倍。若是電流達到半橋電路的水平，即電流增大一倍的話，則輸出功率就可以增大4倍。全橋電路的主要不足是需要4組彼此絕緣的晶體管基極驅動電路,使控制驅動電路成本增大并復雜化，但選用全橋變換電路可使輸出功率大大提高,而且晶體管的損耗少。圖2-7單相全橋逆變電路2.3.3三相電壓型逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路,本課題設計就采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路,其基本工作方式是180度導電方式,即每個橋臂的導電度數為180度,同一相上下兩個臂交替導電,個相導電的角度依次相差120度,這樣,在任一瞬間,將三個橋臂同時導通?？赡苌厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能上面兩個臂下面一個臂導通。因為沒次換流都是在同一上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。圖2-8三相電壓型逆變電路通過圖示三相電壓型逆變電路來說明其最基本的工作原理。圖2-8中、、、、、是橋式電路的6個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當、、閉合為正，、、閉合為負。其他兩相類似。這樣，就把直流電變成了交流電，改變三組開關的切換頻率，即可改變交流電的頻率。這就是逆變的電路的最基本的工作原理。2.3.4逆變電路的選擇本系統選擇三相電壓型逆變電路作為系統主電路，下面是三相電壓型逆變電路的詳細介紹：與整流相對應，把直流電變成交流電稱為逆變。當交流側接在電網上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變，當交流側直接和負載相連時，稱為無源逆變。交直交變頻電路由交直變換電路和直交變換電路兩部分組成。變流電路在工作過程中不斷發生電流從一個支路向另一個支路的轉移，這就是換流。三相電壓型逆變電路如圖2-8。每個橋臂的導電角度為同一相上下兩個臂交替導電，各項開始導電的角度依次相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，，當橋臂4導通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況個U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次相差。負載線電壓可由下式求出：（2-1）設負載中點N與支流電源假想中點之間的電壓為，則負載各相的相電壓分別為：（2-2）把上面各式相加并整理可求得（2-3）負載為三相對稱則有，故可得（2-4）上述導電方式逆變器中，為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件同時導通而引起直流側電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發出開通信號，即在兩者之間留一個短暫的死區時間。死區時間的長短要視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區時間就可以越短。第3章主電路設計3.1主電路的設計3.1.1斬波器的設計直流斬波電路（DCChopper）的功能時將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，本設計采用該電路的目的是將輸入的750V直流電壓轉換成輸入逆變電路中可用的440V50Hz直流電壓。3.1.1降壓斬波電路（BuckChopper）的原理圖如圖3-1所示：圖3-1降壓斬波電路的原理圖該電路使用一個全控型器件V，本設計采用的是IGBT。為在V關斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續流二極管VD。在t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數曲線上升。當t=時刻，控制V關斷負載電流經二極管VD續流負載電壓近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了時負載電流來女婿且脈動小，通常串接L值較大的電感。至一個周期T結束，在驅動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作于穩態時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為(3-1)式中，為V處于通態時間；為V處于斷態的時間；T為開關周期；為導通占空比。由此式可知，輸出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。3.2.2整流與逆變電路整流電路是電力電子電路中出現最早的的一種，作用是將交流電能變為直流電能供給直流用電設備。與整流相對應，把直流電變成交流電稱為逆變3.2.2.1整流電路本論文設計中采用三相不可控整流電路，如圖3-2所示：該電路圖中，由六個二極管組成三相整流橋，將電源的三相交流電全波整流成直流電。電源的線電壓為，則三相全波整流后平均直流電壓的大小是（3-3）圖3-2三相不可控整流電路二極管不可控三相整流電路輸出的直流電含有輸入交流電6倍頻率的紋波，通過大電容將帶有紋波的電壓波形濾得比較平滑。濾波電容器C其功能是：1)濾平全波整流后的電壓紋波；2)當負載變化時，使直流電壓保持平穩。濾波電容C起著平波和中間儲能的作用，提供電感負載的無功功率。該電容耐壓應高于整流橋輸出電壓，電容理論上講越大越好，但越大投資越高，一般是幾千微法到幾萬微法之間，不宜少于4000，變頻器容量越大，電容C的容量也就越大。3.2.2.2逆變電路1換流方式在逆變電路的工作過程中，電流從一個支路向另一個支路的轉移稱為換流，也稱為換相。在換流過程中，有的支路要從通態轉移到斷態，有的支路要從斷態轉移到通態。從斷態轉移到通態轉移時，無論支路是全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當的驅動信號，就可以開通。但從通態轉移到斷態時的情況就不同。全控型器件可以通過對門極的控制使其關斷，而對半控型器件的晶閘管來說，就不能通過門極的控制來使其關斷，必須利用外部條件或采取其他措施才能使其關斷。要在晶閘管電流過零后再施加一定的時間的反向電壓，才能使其關斷。使器件關斷，主要是使IGBT要比其開通復雜的多，研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。一般來說，換流方式分為以下幾種：1）器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件自關斷能力進行換流。2）電網換流（LineCommutation）由電網提供換流電壓。3）負載換流（LoadCommutation）由負載提供換流電壓。4）強迫換流（ForcedCommutation）設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管施加反向電壓或反向電流的換流方式。通常利用附加電容上所儲存的能量來實現，也稱為電容換流。以上四種換流方式器件換流只適用于全控器件，器件換流和強迫換流是由于器件本身或變流器自身的原因而實現換流，屬于自換流；電網換流和負載換流不是依靠變流器內部的原因而實現換流，屬于外換流。當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而在之路內部終止流通而變為零，則稱為熄滅。2電壓型逆變電路電壓型逆變電路有以下主要特點：1）直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側輸出電壓波形位矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。如圖3-4可以看了逆變電路的工作原理：穩定的直流經全橋逆變器，逆變成交流方波。當，這一對IGBT導通時，電壓加在高頻變壓器原邊，極性上正下負；當,這一對IGBT導通時，反向加在高頻變壓器的原邊，極性上負下正。逆變時，必須保證，導通時，，可靠關斷；反之亦然。因此，在兩路驅動信號之間，要有一定的死區時間，在這段時間內，V1—V6管均關斷，依此來保證上述要求。圖3-4逆變電路圖第4章控制電路的設計控制電路的設計是本次設計中的重要部分，它包括了系統的觸發電路和保護電路。觸發控制電路中主要設計正弦脈寬調制波（SPWM）的產生控制以及IGBT的驅動控制。4.1正弦脈寬調制波（SPWM）的產生原理在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。即當它們分別加在具有慣性的同一個環節上時，其輸出響應基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術的重要理論基礎。

把下圖的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到下圖所示的脈沖序列,這就是PWM波形?？梢钥闯龈髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦波規律變化的。根據面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal

PWM）波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數改變上述各脈沖的寬度即可。4.2SPWM波形的產生方法由SPWM的原理可知，若給出了逆變電路的正弦波輸出頻率，幅值和半個周期的脈沖數，波形中個脈沖的寬度和間隔就可以了準確計算出來。按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以的的得到所需的波形，但由于計算的繁雜，當需要輸出的正弦波的頻率，幅值相位變化時結果都要變化。因此我們選擇調制法，即把希望輸出的必行作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對信號波的調制得到所期望的波形。脈寬調制的控制方式從調制脈沖的極性上看，可分為單極性和雙極性之分:參加調制的載波和參考信號的極性不變，稱為單極性調制;相反，三角載波信號和正弦波信號具有正負極性，則稱為雙極性調制。4.2.1單極性正弦脈寬調制用幅值為的參考信號波與幅值為,頻率為的三角波比較，產生功率開關信號。參考波頻率決定了輸出頻率，每半周期的脈沖數P決定于載波頻率。即:P=fc2fa用參考電壓信號的幅值Ur，與三角形載波信號的幅值Uc的比值，即調制度m=Ur/Uc，來控制輸出電壓變化。當調制度由0~1變化時，脈寬由0～π/p變化，輸出電壓由0～E變化。如果每個脈沖寬度為θ，則輸出電壓的傅里葉級數展開式為:U0(t)=n=1∞(An系數An和Bn由每個脈寬為θ，起始角為α的正脈沖來決定和對應的負脈沖起始角π+α來決定。如果第j個脈沖的起始角為則有

An=j=1p4Enπsinnθ2cosBn=j=1p4Enπsinnθ由式以上各式可計算輸出電壓的傅里葉級數的系數An=j=1p2EBn=j=1p2E4.2.2雙極性正弦脈寬調制原理輸出電壓（t）波形在0～2π區間關于中心對稱、在0～π區間關于軸對稱，其傅里葉級數展開式為U0t=n=1,3,5?∞BB式(7)中輸出電壓（t）可看成是幅值為E，頻率為的方波與幅值為2E、頻率為的負脈沖序列(起點和終點分別為的疊加。因此Bn=2π0則輸出電壓為U0t=n=1,3,5?∞輸出電壓基波分量U01U01t=4Enπ需要注意的是，從主回路上看，對于雙極性調制，由于同一橋臂上的兩個開關元件始終輪流交替通斷，因此容易引起電源短路，造成環流。為防止環流，就必須增設延時觸發環節，設置死區。4.2.3SPWM的生成方法三角波變化一個周期，它與正弦波有兩個交點，控制逆變器中開關元件導通和關斷各一次。要準確的生成SPWM波形，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關元件導通時間是脈沖寬度，關斷時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機來說，時間由軟件實現，時間的控制由定時器完成，是很方便的，算法主要有自然采樣法、規則采樣法。4.2..3.1自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成為自然采樣法。4.2.3為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒有過多的復雜運算，又提出了規則采樣法。其出發點是設法使SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。正弦脈寬調制的調制算法在SPWM逆變器中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N=fc/fr，稱為載波比。根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，SPWM逆變器調制方式分為異步調制和同步調制。

4.3.1

當調制信號頻率fr變化時，載波比N是變化的。當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小，當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，SPWM脈沖不對稱的影響就變大，還會出現脈沖的跳動。同時，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞。對于三相逆變器來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，從而改善輸出特性。

4.3.2

載波比N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步的調制方式稱為同步調制。在同步調制方式中，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。在三相SPWM逆變電路中通常共用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱。

同時為了使一相的波形正負半周互為鏡像，N應取奇數。參考文獻[1]張建文.電氣設備故障診斷技術.中國水利出版社[2]王兆安.電力電子技術第4版.機械工業出版社[3]熊信銀.發電廠電氣部分第四版.中國電力出版社[4]黃錦安.電路.機械工業出版社附錄姓名：林燕貞學號：1011370102科研訓練心得回顧此次本科生科研訓練，至今仍感慨頗多。從選老師，到選課題，中間的艱辛只有自己知道。因為轉專業的緣故，和辦理的同學不是很熟，因此這就需要我大膽走出去，和別人交流，二者就得丟掉羞怯，是的，勇敢點。其次在剛開始做科研的時候，去找老師討論，老師給的答復是回去先看看電力系統分析的書，因為是喲后的必修專業課，因此我們就硬著頭皮去圖書館找來了書，然后和他們做一討論，這為后來大三的專業課打下了基礎。因此好好利用課余時間稱為我大學的目標。不拋棄，不放棄自己，踏踏實實。在大三開始做的時候，有課專業課的基礎，不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在課堂上所沒有學到過的知識。在研究的過程中遇到問題，可以說得是困難重重。這畢竟第一次做項目研究，難免會被各種各樣的問題擋住前進的步伐，讓我們總是為了解決一個小問題而花費很長的時間討論，最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。明白課程是相通的，比如《現代控制工程》、《電力電子技術》、《電路》等課程，看起來不是很有聯系的東西現在去都集中在一塊兒了。所謂“態度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點：溫故而知新。對于理論知識學習不夠扎實的我們深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領悟諸多平時學習難以理解掌握的較難知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計的靈感。團結總是比單干的效率高，因為我們組都是女生，在使用軟件上沒男生來的輕巧，但我們還是去試了，結果或許不如意，最后以失敗告終，但是問心無悔，因為我們認真去完成了。只要過程是美的，何必去關注太多呢?在寫論文時，找資料，自己理解，自己看書，才發現原來大學三年以來自己的自學能力明顯提高，有些人總說讀書無用，讀大學就是在浪費時間，浪費金錢。我不覺得，我們都已是成年人，我們要自己思考以后的路在哪，而不是被別人牽著鼻子走。有思想，自己敢闖，這才是當代大學生該做，而不是以為在游戲中荒廢，在睡覺中度過。大學是一個開放的地方，自由，沒人管你。但是試著想想，我們都這么大了，還要人管嗎?所以在大學里我告訴自己不要荒廢時間，視頻固然好看，好笑，但是也在耗你大把大把的時間，何必呢？大家總說在大學里學不到東西，是嗎？在本次科研訓練中，我發現自己思考問題的方式和查閱資料的能力更上一層樓。不是學不到東西，關鍵看你自己愿不愿意去做。在此次科研訓練重要感謝自動化院的李強老師，對我們是循循善誘，在每個階段指導我們去查閱不同的書籍，積極和我們交流溝通，真正做到一個導師該有的職責。在現在學術研究之上的今天，我很幸運有這樣的老師。在這次科研訓練中，或許沒成品的出現，但是發現自己的自學能力明顯提高，SPWM是選修部分，但是為了科研訓練，我們去攻了，或許沒前面知識學得扎實，但至少了解了基本原理。這也是可喜的，很滿足了。時間是一切的檢驗石，在享受無拘無束的同時，要記得上進就好，然后去做，積極點，生活一切都很好。時間是