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课程设计报告书
题目：三相桥式 PWM 逆变电路设计
学 院 信息工程学院
专 业 自动化学生
同组成员
指导教师课程编号课程学分起始日期
目 录
一、课题背景… 1
二、三相桥式SPWM 逆变器的设计内容及要求… 2
三、SPWM 逆变器的工作原理… 3
工作原理… 4
掌握方式… 5
正弦脉宽调制的算法… 8
四、MATLAB 仿真分析… 17
五、电路设计… 11
主电路设计… 11
掌握电路设计… 12
保护电路设计… 14
驱动电路设计… 15
六、试验总结… 21
附录… 22
参考文献… 23
1
三相桥式 SPWM 逆变电路设计
一、课题背景
随着电力电子技术的飞速进展，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，争论开发既简洁又具有优良动、静态性能的逆变器掌握策略，已成为电力电子领域的争论热点之一。
在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到 SPWM 波，一般都承受双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的 6 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。本试验针对正弦波输出变压变频电源 SPWM 调制方式及数字化掌握策略进展了争论，以 SG3525 为主控芯片，以期得到一种较抱负的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。
正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为沟通电能的电能变换装
置被广泛地应用于国民经济生产生活中 ,其中有:针对计算机等重要负载进展断电保护的沟通不连续电源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ; 针对沟通异步电动机变频调速掌握的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源 EPS ( Emergence Power Supply) ; 针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply) ;还有针对风力发电、 ,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor) 为代表的自关断可控型功率半导体器件消灭 ,大大简化了正弦逆变电源的换相问题 ,为各种 PWM 型逆变掌握技术的实现供给了的实现方法 ,从而进一步简化了正弦逆变系统的构造与掌握. 电力电子器件的进展经受了晶闸管〔 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、复合化方向进展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高牢靠性、驱动简洁、保护简洁、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了到达这些高性能，承受了很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，其串联也简洁。尽管 IGBT 模块在大功率应用中格外广泛，但其有限的负载循环次数使其牢靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲乏强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。
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二、三相桥式 SPWM 逆变器的设计内容及要求
设计内容
、理论设计
把握三相桥式 PWM 逆变电路的工作原理，设计三相桥式PWM 逆变电路的主电路和掌握电路。包括 IGBT 额定电流、额定电压的选择，驱动和保护电路的设计，画出完整的主电路原理图和掌握电路原理图，列出主电路所用元器件的明细表。
、仿真试验
利用 MATLAB 仿真软件对三相桥式 PWM 逆变电路主电路和掌握电路进展建模并仿真。、实际制作
利用 PROTEL 软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外形尺寸、考虑散热和抗干扰等因素、设计 PCB 印刷电路板。最终完成系统电路的组装、调试。
2、设计要求
对三相桥式 SPWM 逆变电路的主电路及掌握电路进展设计。分两组参数，每组参数要求如下：
直流电压为 150V，三相阻感负载，负载中 R=2Ω,L=1mH，要求输出频率范围 10Hz～ 100Hz。
三、SPWM 逆变器的工作原理
由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N 等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替， 矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用一样的方法来等效。
这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交始终一交变频器中的整流器承受不行控的二极管整流器就可以了(见图 1、图 2、图 3 )。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在抱负状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与外形相像的一系列脉冲波形，这是很简洁推断出来的。
从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为掌握逆变器中各开关器件通断的依据。但较为有用的方法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 SPWM 中常用等腰三角波作为载波，由于等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻掌握开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结果。
图 1 可控整流器调压、六拍逆变器变频
图 2 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频
10
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1、工作原理
图 3 不控整流、PWM 逆变器调压调频
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图 4 是 SPWM 变频器的主电路，图中 VTl～VT6 是逆变器的六个功率开关器件(在这里画的是 IGBT)，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。图 5 是它的掌握电路，一组三相对称的正弦参考电压信号，由参考信号发生器供给，其频率打算逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在肯定范围内变化，打算输出电压的大小。三角载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后， 给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM 脉冲序列波 ，作为逆变器功率开关器件的驱动掌握信号。
图 4 MATLAB 仿真主电路
VN d
UN ” d
rU c UN ” d rU c
UN” VN ” WN ” d UV
UN” VN ” VN d VN d
d
当U > U 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号， U = U 2 。当U > U 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号，U =- U 2 。当给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通， 也可能是 VD1(VD4)导通。U 、U 和U 的 PWM 波形只有± U 2 两种电平。U 波形可由U ,- U 得出，当 1 和 6 通时， U = U ，当 3 和 4 通时， U =- U ，当 1 和 3 或4 和 6 通时， U =0。输出线电压PWM 波由± U 和 0 三种电平构成。负载相电压PWM 波由
10
±
3U
d
、±1 3U
和 0 共 5 种电平组成。
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防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间打算。死区时间会给输出的 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。
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2、掌握方式
图 5 掌握电路原理
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脉宽调制的掌握方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分 :参与调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制 ;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。
、单极性正弦脉宽调制
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单极性正弦脉宽调制用幅值为U
r
的参考信号波U
r
与幅值为 f
o
,频率为 f
o
的三角波U
c
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比较，产生功率开关信号。其原理波形如图 6 所示。图 6 是用单相正弦波全波整流电压信
号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。
f f
参考波频率 fr 打算了输出频率 ，每半周期的脉冲数 P 打算于载波频率 。即:
o c
f
c 2
f
p (1)
a
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用参考电压信号的幅值Ur ，与三角形载波信号的幅值Uc 的比值，即调制度 m = Ur/ Uc ， 来掌握输出电压变化。当调制度由 0~1 变化时，脉宽由 0~π /p 变化，输出电压由 0~ E 变化。假设每个脉冲宽度为 θ ，则输出电压的傅里叶级数开放式为:
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U (t ) = å¥ ( A
0 n
n =1
cos nwq + B
n
sin nwq ) 〔2)
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系数 An 和Bn 由每个脉宽为 θ ，起始角为 α 的正脉冲来打算和对应的负脉冲起始角
π +α 来打算。
假设第 j 个脉冲的起始角为a j 则有
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= åp
4 E sin nq
cos é æ
+ q öù
(3a)
10
n
j =1
np 2
ë è j
÷
n a
ú
2 øû
10
n a
ê
ç
ê
ç
= åp 4E sin nq sin q é æ
+ q öù
(3b)
10
n np 2
j =1
ë è j
÷
ú
2 øû
10
由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数
10
= åp 2E
n np
j =1
ésin n (a
ë
j
+q )- sin na ù
û
j j
(4a)
10
= åp
2E écos na
cos n (a
+q )ù
10
n
j=1
np ë j
j j û
(4b)
10
参考波Ur
载波Ue
Ue
Ur
0
wt
π 2π
Ue
参考波Ur
载波Ue
Ur
0
wt
π 2π
Ub4
0
wt
π 2π
Ub2
0
wt
π 2π
Ub2
0
wt
π 2π
Ub3
0
wt
π 2π
Uo
-E
0
wt
π 2π
-E
图 6 单极性正选脉宽调制 SPWM 、双极性正弦脉宽调制
双极性正弦脉宽调制的输出电压 u0(t)波形在 0~2π 区间关于中心对称、在 0~π 区间
关于轴对称，其傅里叶级数开放式为
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U (t ) =
0
¥
å
n =1,3,5...
B sin nw t (5)
n
10
10
0 û
B = 2 éò p u
n p êë 0
(t )sin nwtd (wt )ùú
10
10
式〔2-5〕中
输出电压 u0〔t〕可看成是幅值为 E，频率为f
o
的方波与幅值为 2E、频率为f
的负脉冲序
10
1 2 3
列(起点和终点分别为a ,a ,a ,...,a
2 p-1
,a c
2 p 的叠加。因此
10
éòp E sin nwtd (wt )- òa2 E sin nwtd (wt ) ù
ê
ú
B = 2 ê 0 a ú
1
n p ê-òa4 E sin nwtd (wt )- - òa2 p E sin nwtd (wt )ú (6)
10
ë
= 4E é
a3
åp (
a2 p-1 û
ú
)ù
10
ë
np ê1-
j=1
cosna
2 j-1
-cosna
2 j û
10
则输出电压为
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U (t )=
0
å¥
n=1,3,5
4E é
ë
np ê1
åp
j =1
(cos na - cos na
2 j -1 2 j
)ù sin nwt (7)
ú
û
10
输出电压基波重量错误！未找到引用源。为
10
U (t )=
01
4E é
ë
np ê1
åp
j =1
(cos na
2 j -1
cos na
2 j
)ù sin nwt (8)
ú
û
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需要留意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮番交替通断，因此简洁引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必需增设延时触发环节，设置死区。
3、正弦脉宽调制的调制算法
三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，掌握逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成 SPWM 波形，就要准确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的掌握由定时器完成，是很便利的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规章采样法、等面积法等。
自然采样法
依据 SPWM 掌握的根本原理，在正弦波和三角波的交点时刻生成的 PWM 波的方法，其求解简单，工程应用不多。如图 7 所示
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