15KVA逆变电源直流斩波电路和三相全桥逆变电路的工作原理.doc

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1、 15kVA逆变电源设计直流斩波电路和三相全桥逆变电路的工作原理目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 现代逆变技术11.3 本课题的主要容和意义2第2章 逆变功率器件的选择42.1 逆变器用功率开关器件介绍42.2 功率器件的选择52.2.1 IGBT的结构特点和工作原理52.2.2 IGBT的基本特性62.2.3 IGBT的主要参数92.2.4 IGBT的擎住效应和安全工作区102.2.5 IGBT驱动电路的基本要求112.2.6 IGBT的保护方式112.3 逆变电路的选择122.3.1 逆变电路的介绍122.3.2 单相电压型逆变电路132.3.3 三相

2、电压型逆变电路152.3.4 逆变电路的选择16第3章 系统主电路设计183.1 系统的主电路设计与其工作原理183.1.1 主电路的主要设计参数183.1.2 系统组成183.1.3 系统的主电路图193.1.4 系统的工作原理203.2 主电路的参数设计203.2.1 斩波器的设计203.2.2 整流与逆变电路的设计21第4章 控制电路设计244.1 控制电路的设计244.1.1正弦脉宽调制波（SPWM）的产生原理244.1.2 SA8282特性特点254.1.3单片机AT89C51最小系统与外围扩展芯片294.2 驱动电路的设计304.2.1 EXB840功能介绍304.2.2 驱动电路

3、的设计31第5章 保护电路设计325.1 过流保护回路设计325.1.1 产生原因与危害325.1.2 过流保护电路325.1.3 工作原理335.2 泵升电压保护回路设计335.3 过（欠）压保护回路的设计335.3.1 过压保护电路335.3.2 缓冲吸收回路设计34结束语37参考文献38致39附录 系统电气原理图4038 / 4215kVA逆变电源设计摘要：本次设计的容量15kVA，频率为50Hz的逆变电源，在分析以IGBT为主要器件的逆变器基础上，给出了直流斩波电路和三相全桥逆变电路的工作原理。该逆变电源通过斩波电路将输入的750V直流电压转换为440V直流电压后经过逆变电路逆变成交流

4、电压，最后经过变压器得到380/220V交流电压。逆变器中的IGBT驱动电路由SPWM进行控制，通过对主要的驱动电路以与控制电路的设计，使得该逆变电源得以实现。设计中说明了对各元件的参数计算和选择，并且还提出了IGBT的保护电路方案。关键词：IGBT；逆变器；斩波电路；SPWM；短路保护Designing of 15kVA Inverter PowerABSTRACT: This paper has designed a inverter power supply of volume 15kVA, working frequency 50HZ, based on that has analyz

5、ed the characteristic ofIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).It was provided the workingtheory of DC Chopper and bridge type invert circuit. The inverter power supply first turn the 750 DC volt into 440 DC volt by Buck Converter, then The inverter control can invert 440 DC volt into 380/220 AC v

6、olt. The drive circuit of IGBT in the inverter was controlled by SPWM. The design of drive circuit and control circuit can make the inverter power supply working, There are introductions of design andchosen about every component, also shot circuit protection of IGBT was advanced.Keywords: IGBT; Inve

7、rter Power; Buck Converter; SPWM; Short Protection第1章 绪论1.1 课题背景电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施与人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，她与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用得最为广泛。可以说，凡是涉与电子和电工技术的一切领域都要用到电源设备，她不仅提供优质电能，还对科学技术的发展产生巨大的影响，例如由于超小型、高效率的高频开关电源的出现，促进了航空航天和舰船技术的发展;不间断电源(UPS)的研制成功大大提高了计算机、通信、导航、医疗等设备的可靠性;脉冲电源广泛应用于电焊、电镀等行业，节省了大量的电能

8、和原材料。从而可以看出电源技术的研究对国民经济的发展具有重大意义。电源分为三大类：1）把其他能量转换成电能，例如水力、火力、风力与核能发电等，一般称这种电源为一次电源(即供电电源，俗称电网或市电)。2）在电能传输过程中，在供电电源和负载之间对电能进行变换或稳定处理，一般称这种电源为二次电源(即对已有的电源进行控制)。3）平时把能量以某种形式储存起来，使用时再变成电能供给负载，典型的器件就是人们常见的各种蓄电池，一般称此为化学电源。其中，二次电源起着很重要的作用。二次电源，就是把输入电源(由电网、蓄电池或燃油发电机供电等)变换成在电压、电流、频率、波形与在稳定性、可靠性(含电磁兼容、绝缘散热、不

9、间断供电、智能蓝控)等方面符合要求的电能供给负载，这是目前应用最广泛的电源技术领域，主要研究如何利用电子技术对电功率进行变换与控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术和材料技术等学科理论，具有较强的综合性。本课题所做的电源即属于此类。1.2 现代逆变技术逆变技术，逆变技术就是电力电子技术上的使直流变成交流(DC/AC)的一门技术， 是电力电子学四种变换技术中最主要的一种。它的基本功能是是使交流电能(AC)与直流电能(DC)进行相互变换.它是电力电子技术领域中最为活跃的部分.逆变器就是通过半导体功率开关器件(SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET模块等)开通和关断作用,实现逆变

10、的电能转换装置。现代逆变技术主要包括半导体功率集成器件的应用、功率变换电路和逆变控制技术三部分容。逆变技术的分类方式很多，主要分类方式叙述如下。1）按逆变器输出交流的频率分为：工频（5060Hz）、中频（400H几十kHz）逆变和高频（几十kHz几MHz）逆变；2）按逆变器输出交流能量的去向分为：无源逆变和有源逆变；3）按逆变器功率的流动方向分为：单向逆变和双向逆变；4）按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变和非正弦波逆变；5）按逆变器输出电压的电平分为：二电平逆变和多电平逆变；6）按逆变器输出的交流的相数分为：单相逆变、三相逆变和多相逆变；7）按逆变器输入与输出的电气隔离分为：非隔离型逆变、

11、低频链逆变和高频链逆变；8）按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源逆变和电流源逆变；9）按逆变器的电路结构分为：单端式逆变、推挽式逆变和全桥式逆变；10）按逆变器的功率开关管分为：大功率晶体管（GTR）逆变；晶闸管（SCR）逆变、可关断晶闸管（GTO）逆变、功率场效应管（MOSFET）逆变和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变；11）按逆变器的功率开关管工作方式分为：硬开关逆变、谐振式逆变和软开关逆变；12）按逆变器的控制方式分为：脉宽调制（PWM）逆变、脉频调制（PFM）逆变和数字逆变。1.3 本课题的主要容和意义理解逆变电源的工作原理,确定系统主电路,确定系统驱动电路,设计系统的控制电路,要求

12、设计出输出电压为三相380/220V，输出频率50Hz，容量15kVA，并设计出完善的保护功能装置。本课题的目的就是研制多功能、智能化、高性能逆变电源，要求该逆变电源具有各种保护和运行控制功能，具有完善的运行参数显示和实时监控，具有远程数据通讯能力，具体如下：1）通用性：不仅可以作为独立电源使用，还可以实现与电网电压的相位同频，实现与电网电压的相互切换，作为后备式正弦波UPS使用，可以广泛应用于电力、邮电铁路等领域。2）智能化：系统有实时的监控系统，可以随时对对象进行监控，对工作参数进行修改调节。3）高性能：立足于产品化设计，采用先进合理的控制策略，实现逆变电源的高效率、高可靠性、高品质。第2

13、章 逆变功率器件的选择2.1 逆变器用功率开关器件介绍下面介绍当前主要功率开关器件的特性与其应用情况。1）晶闸管：这是最早应用的一种功率开关器件，其特点是功率最大，应用最广。普通型SCR的电压高达6000V，电流达数千安培，自身正向压降约为1.5V，开通仅需要在控制级上加一个小触发脉冲即可，但关断时必须用电感、电容和辅助开关器件组成的强迫换向电路。其工作频率不大于400Hz。由于其工作频率低，关断电路复杂，效率低，功耗大，因此在PWM调制中产生的正弦波不够完善，并且噪声大。目前，逆变器中已经基本不再用SCR作为功率开关器件，SCR主要用做UPS的静态开关。2）功率场效应管（MOSFET）：功率

14、MOSFET是一种全控型三端开关器件。其特点是开关速度快，安全工作区宽，热稳定性好，线性控制能力强，采用电压控制，易于实现数控，因此常常作为开关器件实现电量的逆转换。MOSFET的缺点是输入阻抗高，抗静电干扰能力差，承载能力和工作电压比较低，多用于电压为500V以下的低功率高频开关逆变器。由于受功率的限制，因此它只适用于小功率逆变器。3）BJT（功率GTR）晶体管：BJT直到1985年实现达林顿模块后才达到300A、1000V和增益100的水平。大功率晶体管开关时间为1.5us，自身电压降为1.5V。若采用多重达林顿晶体管提高增益，则开关时间增长，自身电压降会增大。由于其开通状态必须饱和，因此

15、电流增益很低，往往要求驱动电路输出很大的电流，使功率消耗增大，在20世纪80年代中期，它曾用于中小功率逆变器中，现在已经基本不使用了。4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）：IGBT是一种新发展起来的复合型功率开关器件，它既有单极型电压驱动的MOSFET的优点，又结合了双极型开关器件BJT耐高压，电流大的优点。其开关速度显然比功率MOSFET低，但远高于BJT，又因为它是电压控制器件，故控制电路简单、稳定性好。IGBT的最高电压为1200V，最大电流为1000A，工作频率高达1000kHz。它具有电压控制和开关时间（约为300ns）极短的优点。其正向压降约为3V。在现代的UPS中IGBT普遍被用作逆

16、变器或整流器开关器件。它是全控型开关器件，通过数控技术控制IGBT的通断，能有效地将输入电压与输入电流保持同步，使功率因数等于1，从而减小了UPS整流器对市电电源的干扰。2.2 功率器件的选择通过对各种功率器件的分析，对于本次15kVA逆变电源设计将选用IGBT场效应晶体管作为逆变器用功率开关器件。下面就对绝缘栅双极晶体管（IGBT）做详细的介绍。绝缘栅双极性晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是功率MOSFET和双极型功率晶体管组合在一起的复合功率器件。它既具有MOSFET管的通/断速度快、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性好和驱动电路简单等

17、优点，又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优点。从IGBT问世以来得到了广泛的应用，发展很快。特别是在开关和逆变电路中，它是被广泛应用的、理想的开关器件。2.2.1 IGBT的结构特点和工作原理IGBT的部结构、等效电路和电气符号如图2-1所示。图2-1（a）为IGBT的部结构，与MOSFET比较，IGBT是在MOSFET的漏极下又增加了一个注入区，因而形成了一个大面积的PN结（）。这样使得IGBT导通时由注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的流通能力。IGBT的等效电图2-1 IGBT的部结构、等效电路和电气符号路如图2-1（b）所示。它是由MOS

18、FET和双极型功率晶体管组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。因此IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本一样，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于电导调制效应，使得调制电阻减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。IGBT的电气符号如图2-1（c）所示。IGBT具有正反向阻断电压高、通态电压大与通过电压来控制

19、其导通或关断等特点。同时，由于采用MOS栅，其控制电路的功耗小，导通和关断时的静态功耗也很小，只是在状态转换过程中存在一定的动态损耗。这种动态损耗也可以通过软开关即使使其达到最小。由于IGBT具有这些特点，才使其被广泛地作为功率开关期间用于开关和逆变电路中。2.2.2 IGBT的基本特性IGBT的基本特性分为静态特性、动态特性和高温特性三个部分。2.2.2.1 静态特性IGBT的静态特性主要包括输出（伏-安）特性、转移特性和静态开关特性。1）输出（伏-安）特性IGBT的输出（伏-安）特性曲线如图2-2所示。它是表示以栅极-发射极间电压为变量的集电极电流和集电极-发射极间电压的关系曲线。图2-2

20、 IGBT的输出（伏-安）特性曲线 IBGT的输出伏-安特性曲线分为四个区域：（1）I区为截止区。在此区域，由于很小，随着的增加很小，且变化不大。此时，基本上是C、E间的漏电流。（2）II区为线性放大区。在此区域，随着的增加，当（IGBT的开启电压）时，开始增加，并且随着的变化呈线性关系：式中，为IGBT的跨导。当IGBT用于逆变电路的开关状态时，要求尽快越过这个区域，以便减小通态损耗。因此，这个参数在实际应用中显得不是很重要了。（3）III区为饱和区。在此区域，当为某一定值时，随着的增加，基本不变，达到饱和。达到饱和后的集电极-发射极电压成为IGBT饱和电压，记为。一般情况下=24V。（4）

21、IV区为击穿区。当为某个确定值时，增加并达到后，会突然增大，发生过电压击穿。此时的称为IGBT的击穿电压。IGBT绝对不能用在此区域。2）转移特性IGBT的转移特性曲线如图2-3所示。它表示在不变的情况下，与的关系曲线。在很小时，=。随着的增加，在=且继续增加时，呈线性增加而进入放大区。我们把从截止区转移到线性放大区的转移点称为的栅极开启电压。一般情况下，=35V。图2-3 IGBT的转移特性曲线3)静态开关特性IGBT的静态开关特性曲线如图2-4所示。IGBT的静态开关特性实际上时表示IGBT瞬间从导通（关断）状态转换成关断（导通）的情况，即瞬间越过线性放大区的特性曲线。图2-4 IGBT的

22、静态开关特性曲线2.2.2.2 动态特性前面讲述的静态特性，只表明了IGBT从一个稳态变换到另一个稳态的特性，从而没有涉与状态变换的过程。IGBT状态变换过程的特性为其动态特性。IGBT的动态特性与其负载有关。因为IGBT用于逆变电路时的负载多半时感性负载。IGBT的负载为感性时的动态特性曲线如图2-5所示。1）导通特性一般情况下，IGBT的栅极加有一个负偏压以保证IGBT可靠地处于关断状态。当栅极电压由这个负偏压开始往正方向变化时，由于栅极电容有个充电过程，在经过一段时间后，达到栅极开启电压，IGBT的集电极电流才有漏电流开始增加。这段时间称为导通延迟时间。再经过一段时间后，达到=(为流经感

23、性负载的电流)。称为电流上升时间。此时，开始下降，在时间下降到饱和电压。称为电压下降时间。IGBT的导通时间为、之和，即=+2)关断特性在IGBT处于导通状态时，栅极电容上充有正电压，当向负方向变化时，由于栅极电容有个放电过程，在经过一段时间后，减小到栅极开启电压，集电极电流开始下降。这段时间称为存储时间。过后开始从=下降，由于感性负载的的作用，在上升过程中会产生电压过冲，这段时间称为电压上升时间。在过后，继续下降，最后达到，这段时间称为电流下降时间。IGBT的关断时间为、之和，即=+第二代IGBT的导通时间=0.30.8，关断时间=0.61.5；第三代IGBT的和则更小。图2-5 IGBT的

24、负载为感性时的动态特性曲线2.2.2.3 高温特性IGBT具有优良的高温通态特性，在环境温度（散热片温度）达到200左右时，仍能正常工作。特别值得一提的是，随着温度的增高，IGBT的正向压降反而略有下降，并且还可以在某个特定的通态电流下，随着温度的变化，其通态正向压降保持基本不变。当通态电流高于此值时，随着温度的增高，其正向压降略有增加。但实际应用中，还是应该注意器件的散热问题，以避免器件工作在高温环境中。2.2.3 IGBT的主要参数IGBT的主要参数包括：（1） 击穿电压、通态压降和关断时间toff。（2） 最大集射极间电压UCES 这是由器件部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。（

25、3） 最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。（4） 最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。IGBT的特性和参数特点可以总结如下：（1） IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压1KV以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。（2） 在一样电压和电流额定的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3） IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4） IGBT的输入阻抗高，起输入特性与电力MOSFET类似。（5） 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐

26、压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。2.2.4 IGBT的擎住效应和安全工作区根据图2-1所示的IGBT结构可以发现，在IGBT部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，在额定集电极电流围，这个偏压很小，不足以使J3开通，然而一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，就像普通晶闸管被触发以后，即使撤消触发信号晶闸管仍然因进入正反馈过程而维

27、持导通的机理一样，因此被称为擎住效应或者自锁效应。引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是duCE/dt过大（动态擎住效应），温度升高也会加重发生擎住效应的危险。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。IGBT经常用于开关工作状态，因此，它的安全工作区分为正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。正偏安全工作区FBSOA是指栅一射极间加正偏压时的安全工作区，对应IGBT的导通状态。如图2-3所示，除和集一射极最大允许电压边界外，另一边界对应于允许的功耗。因功耗与器件的导通时间密切相关，从图中可以看出

28、，IGBT的FBSOA也随导通时间增加而减小。反偏安全工作区RBSOA是指栅一射极间加反偏压时的安全工作区，对应IGBT的关断状态.与FBSOA相比，三条边界中，和一样，但另一条边界为器件关断后集一射极间重加正向电压的上升率。擎住效应曾是限制IGBT电流容量进一步提高的主要因素之一，但经过多年的努力，自20世纪90年代中后期开始，这个问题已得到了极大的改善，促进了IGBT研究和制造水平的迅速提高。2.2.5 IGBT驱动电路的基本要求1）加在IGBT栅极G和射极E之间，用来开通和关断IGBT的栅极驱动电压的正、负脉冲，应以足够陡的上升沿和下降沿，使IGBT开关时间短，开关损耗小。2）由驱动电路

29、提供的驱动电压和驱动电流要有足够的幅值，使IGBT总处于饱和导通状态。的幅值要综合考虑减小IGBT通态损耗和提高其短路电流耐受能力这两方面的要求来选取。本系统中为+15V。3）在关断过程中，为尽快抽出IGBT部PNP管中的存储电荷，应施加负偏压-，其值受G，E极间最大反向耐压的限制，在本系统中为-5V。4）IGBT部存在寄生晶闸管，当集电极电流IC过大或IGBT关断过程中太高时，都可能使寄生晶闸管误导通，形成静态和动态擎住效应，使IGBT失控。故应注意限制IGBT集电极电流的最大值，本系统栅极外加串联电阻，以延长其关断时间，减小的值。5）由于IGBT在电力电子设备中多用于高电压，所以驱动电路应

30、与控制电路在电位上严格隔离本系统中，采用了TLP521光藕进行隔离。6）IGBT的栅极驱动电路应尽量简单实用和可靠，自身最好带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰性。驱动电路与IGBT的连线要尽量短，并采用绞线或同轴电缆线。 本次设计采用的是富士公司的EXB系列（EXB840）直接驱动IGBT。2.2.6 IGBT的保护方式在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、保护和保护也时必要的。1）过电压保护IGBT用于逆变电源时，其负载均为感性。当IGBT处于开关过程中时，会产生开关浪涌电压，幅值过大或持续时间较长的浪涌电压会损坏IGB

31、T。为保护IGBT，除尽量减小感性负载的漏感和分布电感外，还应考虑采用过压抑制电路对IGBT进行过压保护。2）过电流保护IGBT耐受过电流的能力很有限。这种能力通常用在一定条件下IGBT耐受过电流而不损坏的时间来表征。所谓过流保护，就是指用一定的保护措施使过电流的持续时间小于。引起IGBT短路的主要原因有四钟情况：桥臂上一个IGBT管或二极管损坏，引起直通短路；桥臂上两个管子都损坏引起桥臂短路；接线错误引起输出短路；还有接线错误或绝缘损坏引起负载对地短路。所有这些短路情况都应加以保护。在一样的电源电压和门极电压下，耐受短路的时间以直通短路为最短，桥劈短路和输出短路为最长，所以任何一种短路现象都

32、可以按直通短路处理来设计短路保护。IGBT的短路耐受能力与栅极电压有关。越小，短路耐受能力就越强。一般来说，饱和压降2V左右的IGBT的短路耐受能力仅有几微妙，这样短的时间，保护电路要辨别是很困难的，故不能保证保护的可靠性。由图2-2可知，降低可提高IGBT的短路耐受能力，因此可以这样设想：检测到短路，便降低，这样便可延长短路时间。IGBT在短路时关断，电流很大，如果按正常工作时的关断速度进行，则会因过大的回路电感电势L叠加在上，形成幅度很高的尖脉冲，损坏主回路IGBT和其他元器件。因此必须较慢地逐渐减小直到IGBT关断。这就是所谓的“软关断”。以上短路保护的基本思想通过EXB840的部集成保

33、护电路得到了实现，在进行过流检测和硬件电路延时保护的同时，EXB840向CPU发出一过流保护信号，在本系统中，使用89C51的外中断输入引脚来检测过流信号，当检测到EXB840发来的过流信号时，在外中断程序中，与时封锁SPWM输出信号，并通过数码管发出报警信息。3）缓冲电路缓冲电路其作用是抑制电力电子器件因过电压，或者过电流和，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制，减小关断损耗。开通缓冲电路用于抑制器件开通时的电流过冲和，减小器件的开通损耗。2.3 逆变电路的选择2.3.1 逆变电路的介绍逆变电路根据直流侧电源性质

34、的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路（Voltage Source Type InverterVSTI）和电流源逆变电路（Current Source Type InverterCSTI）。逆变器按主电路形式分类如下：电压型逆变电路有以下主要特点：1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2）由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形位矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，

35、直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。2.3.2 单相电压型逆变电路常见的单相正弦逆变电源主电路主要有半桥、全桥两种结构,其中以全桥逆变电路应用最为广泛。2.3.2.1 半桥逆变电路在高压开关电源中，功率输出大的一般都使用半桥式变换电路。其电路图如图2-6所示。它由两只电容和两只高压晶体管组成。当两只晶体管都截止时，若两只电容的容量相等且电路对称，则电容中点A的电压为输入电压的一半。当导通时，电容将通过、变压器初级绕组放电；同时，电容则通过输入电源、和的原边绕组充电。中点A的电位在充、放电过程中将指数规律下降。在导通结束时，A

36、点的电位为，且两只晶体管全都截止。两只电容和两只晶体管的集射极间的电压基本上相等，都接近于输电源电压的一半。相反，导通时，放电、充电，A点的电位将增至，即A点电位在开关过程中将在的电位上以的幅值进行指数变化。由此可见，在半桥式电路中，变压器初级线圈在整个周期中都流过电流，以磁心利用得更充分。图2-6 单相半桥电压型逆变电路半桥式变换电路的主要优点是简单，使用器件少，其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压较低，绝不会超过输入电压的峰值；晶体管的饱和电压也降至最低；输入滤波电容的耐压也可以减小。其确定是输出交流电压的幅值仅为输入的一半，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的平衡。

37、因此，半桥电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。2.3.2.2 全桥逆变电路将半桥式变换电路中的两电解电容换成另外两只高反压功率晶体管，并配以适当驱动电路即可组成全桥式变换电路，如图2-7所示。、组成4个桥臂。高频变压器T连接在它们中间。相对臂的、和、由驱动电路激励而交替导通，将直流输入电压变换成高频方波交流电压。其工作过程与推挽式功率转换电路一样。这样，高频变压器工作时，其初级线圈得到的电压即为电源电压。它是半桥电路输出电压的一倍，而每个晶体管耐压仍为电源电压，使输出功率增大一倍。若是电流达到半桥电路的水平，即电流增大一倍的话，则输出功率就可以增大4倍。全桥电路的主要不足是需要4组彼此绝缘的

38、晶体管基极驱动电路,使控制驱动电路成本增大并复杂化，但选用全桥变换电路可使输出功率大大提高,而且晶体管的损少。图2-7 单相全桥逆变电路2.3.3 三相电压型逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路,本课题设计就采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，其基本工作方式是180导电方式，即每个桥臂的导电度数为180，同一相上下两个臂交替导电，个相导电的角度依次相差120，这样,在任一瞬间，将三个桥臂同时导通。可能上面一个臂下面两个臂，也可能上面两个臂下面一个臂导通。因为每次换流都是在同一上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。图2-8 三相电压型逆变电路通过图示三相电压

39、型逆变电路来说明其最基本的工作原理。图2-8中、是桥式电路的6个臂，它们由电力电子器件与其辅助电路组成。当、闭合为正，、闭合为负。其他两相类似。这样，就把直流电变成了交流电，改变三组开关的切换频率，即可改变交流电的频率。这就是逆变的电路的最基本的工作原理。2.3.4 逆变电路的选择本系统选择三相电压型逆变电路作为系统主电路，下面是三相电压型逆变电路的详细介绍：与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变，当交流侧直接和负载相连时，称为无源逆变。交直交变频电路由交直变换电路和直交变换电路两部分组成。变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一

40、个支路的转移，这就是换流。三相电压型逆变电路如图2-8。每个桥臂的导电角度为同一相上下两个臂交替导电，各项开始导电的角度依次相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时，。因此，的波形是幅值为的矩形波。V、W两相的情况个U相类似，、的波形形状和一样，只是相位依次相差。负载线电压可由下式求出：（2-1）设负载中点N与支流电源假想中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为：（2-2）把上面各式相加并整理可求得（2-3）负载为三相对称则有，故可得 （2-4）上述导电方式逆变器中，为

41、了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源的短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。第3章 系统主电路设计3.1 系统的主电路设计与其工作原理电压型逆变电源由主电路和控制器两部分组成，如图3-1所示。其中主电路采用直交（DC/AC）电源型变频器结构，由斩波器、逆变器和隔离变压器构成。输入的直流电压通过逆变器开关采用富士公司的40KHz两单元IGBT模块三组（六只）组成三相桥式电路。逆

42、变电源的输入、输出之间为实现电气隔离和满足输出电压幅度的要求。对于本设计逆变器之后采用在输出端接入变压器/Y进行变压。3.1.1 主电路的主要设计参数设计要求的参数如下：直流侧输入电压：DC750V输出交流电压：AC380/220V输出频率：50Hz容量：15KVA3.1.2 系统组成系统组成如图3-1所示：图3-1 系统组成图3.1.3 系统的主电路图系统主电路图如图3-2所示：图3-2 主电路图3.1.4 系统的工作原理如图3-2所示主电路，本系统首先通过直流降压斩波电路将输入的750V直流电斩波为440V频率为50Hz的直流方波信号，该信号通过由IGBT组成的三相电压型桥式逆变电路后，将

43、该信号逆变成为50Hz，440V的交流方波电压。最终通过变压器升压为380/220V交流电压滤波后供给负载使用。3.2 主电路的参数设计3.2.1 斩波器的设计直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。本设计采用该电路的目的是将输入的750V直流电压转换成输入逆变电路中可用的440V 50Hz直流电压。3.2.1.1 降压斩波电路的原理降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如图3-3所示：图3-3 降压斩波电路的原理图该电路使用一个全控型器件V，本设计采用的是IGBT。为在V关断

44、时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。当t=时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流脉动小，通常串接L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为 (3-1)式中，为V处于通态时间；为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由此式可知，输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。3.2.1.2 斩波器中电感的计算在储能电感L中流

45、过的电流具有较大的直流分量，并叠加一交变分量。一般情况下，交变分量的平均值比支流分量小得多。直流分量在铁芯中会产生较大的支流磁偏量，使铁芯饱和，所以铁芯必须加气隙，由于交变磁化分量较小，一般情况下，局部磁滞回线包围的面积较小。铁芯储能最大值： （3-2）公式中为铁芯体积：由上式可见，对于一定的铁芯材料来说，只有加大铁芯体积来增大铁芯储能。降压斩波电路中，当IGBT导通时设电流线形变化，。已知输出电压=440V，输出功率=15000W，T=20ms1）最大输出电压U=460V取=3.62mH2）最小输入电压U1=420V时，同理可求得L=0.1mH3）加气隙后的电感值：由于铁芯材料，铁芯加气隙后

46、，等效的相对磁导率：加气隙后的电感值： 取N=50（匝），可求得=0.8593.2.2 整流与逆变电路的设计3.2.2.1 整流电路整流电路是电力电子电路中出现最早的一种,它将交流变为直流电,应用十分广泛。本论文设计中采用三相不可控整流电路，如图3-4所示：该电路图中，由六个二极管组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小是 （3-3）图3-4 三相不可控整流电路二极管不可控三相整流电路输出的直流电含有输入交流电6倍频率的纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。滤波电容器C其功能是：1)滤平全波整流后的电压纹波；2)当负载变

47、化时，使直流电压保持平稳。滤波电容C起着平波和中间储能的作用，提供电感负载的无功功率。该电容耐压应高于整流桥输出电压，电容理论上讲越大越好，但越大投资越高，一般是几千微法到几万微法之间，不宜少于4000，变频器容量越大，电容C的容量也就越大。3.2.2.2 逆变电路1 换流方式在逆变电路的工作过程中，电流从一个支路向另一个支路的转移称为换流，也称为换相。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态转移到通态转移时，无论支路是全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以开通。但从通态转移到断态时的情况就不同。全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对半控型器件的晶闸管