三相电压型逆变器课程设计报告Word下载.docx

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1964年，美国第一次试制成功了0.5kV/10A的GTO。

自70年代中期开场，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、25OOV/I000A、4500V/2400A的产品，目前已到达9kV/25kA/0.8kHz及6kV/6kA/1kHz的水平。

GTO包括对称、非对称和逆导三种类型。

非对称GTO相对于对称GTO，具有通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力（3000v以上）的特点。

逆导型GTO，由于是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，因此不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。

在当前各种自关断器件中，GTO容量最大，工作频率最低，通态压降大、/dvdt及/didt耐量低，需要庞大的吸收电路。

但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它在中高压领域中必将占有一席之地。

D.大功率晶体管：

GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，20世纪70年代中期，双极性晶体管（BJT）扩展到高功率领域，产生大功率晶体管（GTR），它由基极（B）电流bi的正、负控制集电极（C）和发射极（E）的通、断，也属全控型器件。

由于能承受上千伏电压，具有大的电流密度和低的通态压降，曾经风行一时，在20世纪七八十年代成为逆交器、变频器等电力电子装置的主导功率开关器件，开关频率可达5kHz。

但是GTR存在许多缺乏:

①对驱动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；

②存在局部热点引起的二次击穿现象，平安工作区（SOA）小；

③通态损耗和关断时存储时间（st）存在矛盾，要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，st便长，既影响开关频率，又增加关断损耗大;

④承受/dvdt及/didt能力低;

⑤单管电流放大倍数小，为增加放大倍数，联成达林顿电路又使管压降增加等等，而为改善性能（抑制/dvdt及/didt，改变感性负载时的动态负载线使在SOA，减小动态损耗），运用时必须加缓冲电路。

目前的器件水平约为：

1800V/800A，2kHz；

1400V/600A，2kHz；

600V/3A，100kHz。

E.功率MOSFET:

功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；

仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；

没有二次击穿问题，平安工作区广，耐破坏性强。

功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。

顺便强调一下，由于MOSFET管阻与电压成比例，它在要求低压（3．3~1V）电源的电脑和通信等领域那么可大显身手，目前MOSFET的导通电阻可减小至6~10mΩ，主要用于高频开关电源的同步电流。

F.绝缘栅双极晶体管〔IGBT〕

20世纪80年代绝缘栅双极晶体管是一种复合型器件，综合了少子器件（GTO、GTR）和多子器件（MOSFET）各自的优良特性，既有输入阻抗高，开关速度快，驱动电路简单的优点，又有输出电流密度大，通态压降下，电压耐量高的长处。

IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。

通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；

反之，假设提供反向门极电压那么可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。

IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。

它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。

比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；

IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；

IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。

由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量（600V以上）的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。

IGBT早已做到1800V/800A，10kHz;

1200V/600A，20kHz的商品化，600V/100A的硬开关工作频率可达150kHz。

高压IGBT已有3300V/1200A和4500V/900A的器件。

由于IGBT的综合优良性能，事实上已取代了GTR，现在成为中、小功率逆变器、变频器等成为了电力电子装置的主流器件。

目前，已经研制出的高功率沟槽栅构造IGBT（TrenchIGBT）模块是高耐压大电流IGBT通常采用的构造，它防止了大电流IGBT模块部大量的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感.其缺点是芯片面积利用率下降.所以这种平板构造的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中获得广泛应用。

3.软开关与硬开关：

硬开关：

1.开关损耗大。

开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进展；

关断时，电压上升和电流下降同时进展。

电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。

2.感性关断电尖峰大。

当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。

此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。

3.容性开通电流尖峰大。

当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件。

频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。

另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间的开通动作，易产生很大的冲击电流。

频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的平安运行造成危害。

4.电磁干扰严重。

随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰〔EMI〕增大，影响整流器和周围电子设备的工作。

软开关：

上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。

近年来开展的软开关技术研究为抑制上述缺陷提供了一条有效的途径。

和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。

由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。

理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。

同时，开通时，二极管反向恢复过程已经完毕，因此二极管方向恢复问题不存在。

4.应用与展望：

电力电子应用领域十分广泛，用电领域中的电力电子技术有电动机的优化运行、高能量密度的电源应用；

信息领域中电力电子技术为信息技术提供先进的电源和运动控制系统，日益成为信息产品中不可缺少的一局部；

发电领域中的电力电子技术有发电机的直流励磁、水轮发电机的变频励磁、环保型能源发电；

储能领域中的电力电子技术有蓄电池与电容器组储能、抽水储能发电、超导线圈的磁场储能；

输电领域中的电力电子技术有动态无功功率补偿〔SVC〕技术、高压直流输电〔HVDCT〕技术、消除谐波改善电网供电品质等。

近年来，电力电子的环境及产业都有了很大的变化。

整体而言，电力电子技术的开展在许多应用领域上获得了认同。

然而，任何器件的开展，总是决定于两个因数，一是应用的需要，一是器件本身在理论上和工艺上的突破。

电力电子器件的开展也是这样，它大致有如下几个方面：

A.现有器件扩大容量提高性能。

例如GTO，采用大直径均匀技术和全压接式构造，通过电子寿命控制，折衷通态电压和关断损耗二者之间矛盾，可望开发出12kV/10kA的器件。

例如IGBT，探索部功率引线尽量由超声压焊或改压接式构造，以进一步提高工作可靠性。

B.开发新的器件。

一是根据器件本身的特点提出。

例如MOS门控晶闸管（MCT），虽经十几年的研制，由于构造、工艺复杂，合格率低，本钱高，没有到达期望的4.5kV/2kA的水平而暂被搁置，但有望具有MOS管优良的开关特性和晶闸管非常低的通态压降，并易于得到高的耐压，仍可能继续研制。

C.是为了满足一些新的应用需要。

例如为适用于传递极强的峰值功率（数兆瓦）、极短的持续时间（数百纳秒）的放电闭合开关应用场合，如激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器需要，提出一种脉冲功率闭合开关晶闸管（PPCST），它能在数千伏的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小，价格较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管，火花间隙开关或真空开关等。

D.走集成化之路。

经历标准模块、智能模块，现在又开展到用户专用功率模块（ASPM）阶段。

ASPM是把一台（套）电力电子装置（系统）的所有硬件尽量以芯片形式封装在一个模块。

这样，装置（或系统）的体积到达最小，所有引线减至最少，寄生电感、电容降到最低，可靠性大为提高。

它将有助于实现电能变换和信息处理的集成化和高频化。

E.寻找新材料。

至今，许多实用的电力电子器件均是由硅材料制成的，它们已开展得相当成熟。

为了进一步实现对理想功率器件特性的追求，人们逐渐转向对新型半导体材料制作新型半导体功率器件的探求，近年来还出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）及锗化硅（SiGe）等。

由它们作为根底材料制成的电力电子器件正不断涌现。

二．逆变器简述：

1.逆变器概述及其工作原理：

逆变器〔inverter〕是把直流电能〔电池、蓄电瓶〕转变成交流电〔一般为220v50HZ正弦或方波〕。

通俗的讲，逆变器是一种将直流电〔DC〕转化为交流电〔AC〕的装置。

它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电开工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。

简单逆变器的工作原理如下所述。

通过一个震荡芯片，或者特定的电路，控制着震荡信号输出，比方输出50HZ信号，然后这个信号通过放大，推动MOS管[场效应管或晶体闸管]不断开关，这样直流电输入之后，经过这个MOS管的开关动作，就形成一定的交流特性，经过修正电路修正，就可以得到类似电网上的那种正弦波交流，然后送入一个变压器，这个变压器就是工频变压器，他是220Vto24V的变压器，即输入220V的话输出就是24V，输入24V输出那么为220V，其实就是一般的24V变压器。

然后变压器输出，输出后再送到稳压电路，保护电路，送给负载使用。

2.逆变器开展历史：

从20世纪后期19世纪通过的中间，直流到交流电源转换为完成使用旋转转换器或电动发电机组〔镁套〕。

在20世纪初真空管和充气管开场被用于逆变器的开关电路研究。

所用的管型最广泛的是闸流管。

从上世纪90年代初到目前为止，风行于国市场的家用逆变电源，经历了屡次改变。

最初的逆变电源为自激推挽饱和式变换器，两只推挽开关管靠变压器的磁饱和，或开关管的相对饱和进展换向。

此类原始的饱和式变换器电路，效率低，损耗大，且因开关管的截止时间延迟，产生两管共态导通几乎是必然的，因而可靠性极差。

其后，某些小生产厂又生产采用分立件组装，由多谐振荡器驱动的它激式逆变电源。

它激式变换器开关管靠驱动脉冲控制换向，“饱和〞形成的损耗有所降低，但共态导通现象仍未得到有效抑制，击穿开关管仍难以防止。

上述两类逆变电源均利用DC/AC变换器的根本电路，产生波形接近矩形波的交变电压输出。

目前的逆变器如果直观其电路构造，无一例外地采用开关电源专用双端驱动IC组成它激式逆变电路。

此类驱动集成电路都具有几乎一样的功能方框图，只是具体组成有差异。

由于设计用于大功率开关电源驱动器，IC部除设有两路时序不同的驱动输出外，还有死区时间设定电路，PWM稳压电路和开关电流控制电路，由其组成逆变电源，不仅效率、可靠性大为提高，功能也更为完善。

大功率变换器〔包括逆变器〕的电路构造无一例外采用推挽、半桥或桥式开关电路。

用于中、小功率DC/AC逆变DC供电为蓄电池，显然，采用串联供电的半桥式或桥式电路是不适宜的。

一般采用饱和压降较小的锗大功率管作推挽开关（例如常见UPS电源中的MJ11033），在12V~24V供电下求得较高的效率。

如果说自激式变换器属第一代产品，那么，第二代产品应属它激驱动‘的双极型开关管变换器〔原有UPS大多为这种电路〕。

第二代产品效率、可靠性远高过第一代产品，但也存在着固有的弱点。

为了将12V直流变成220V交变电压，且同时得到一定的输出功率，首先开关管的电流必须足够大。

例如Aix生产的变换器，输出功率为200W时，要求开关管BVceo为40V．lcm≥40A。

如按第二代产品的方式采用双极型开关管时，由于大功率管HFE极少超过20，要求其基极驱动电流必须在2A以上，以致驱动IC的输出需经过至少三级放大，才能满足需要〔例如UPS600中，由中功率管8050、大功率管TIP41C作驱动放大器，驱动4只MJ4502），显然使电路复杂化，调试也极困难。

在此根底上出现了第三代交换器，而此类产品正以极快的速度普及于变换器、开关电源中。

Aix公司开发的汽车逆变器，可认为是此类产品的典型应用。

第三代开关变换器基于MOSFET管的电压控制特性进展工作，理论上说这种加强型绝缘栅场效应管无需驱动功率，因此不存在驱动电流的屡次放大，驱动IC只要使MOS绝缘栅充电过程中输出一定的脉冲幅度，即可使开关管导通，然而其栅极并不消耗功率。

开关管导通后，绝缘栅形成的电容又在脉冲下降为低电平时通过驱动IC放大形成灌电流。

如此一来，不仅变换器的电路极为简单，而且MOSFET管有电流自动分配功能，可以并联运用而无需参加均流电阻。

三．电压型逆变器：

TI~S6采用GTO、GTR、IGBT、MOSFET等自关断器件，D1~D6是与S1~S6反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续流回路。

图中L和R为负载相电感和相电阻。

电路中当控制信号为三相互差120°

的方波信号时，可以控制每个开关导通180°

〔180°

导电型〕或120°

〔120°

导电型〕。

相邻两个功率元件的导通时间互差60°

三相电压源型方波逆变器驱动波形

四．交流逆变器：

首先是将交流电变为直流电。

然后用电子元件对直流电进展开关。

变为交流电。

一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定围可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的围可调。

变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要开展的方向，随着电力电子技术的开展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。

因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。

一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大局部。

1.整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一块整流模块.

2.平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流局部对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

3.控制电路现在变频调速器根本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:

频率、电压的“运算电路〞，主电路的“电压、电流检测电路〞，电动机的“速度检测电路〞。

运算电路的控制信号送至“驱动电路〞以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式

4逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。

从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°

电角度的三相交流电压。

五．逆变电路：

1.无源逆变电路工作原理：

无源逆变：

逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。

它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要容。

上图中单相桥式逆变电路工作原理：

开关T1、T4闭合，T2、T3断开：

u0=Ud；

开关T1、T4断开，T2、T3闭合：

u0=－Ud;

当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，那么在电阻R上获得如图4.2.4（b）所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。

uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，那么可通过滤波器滤波获得。

图4.2.1（a）中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。

逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管〔GTO〕、功率晶体管〔GTR〕、功率场效应晶体管〔MOSFET〕、绝缘栅晶体管〔IGBT〕。

2.电压型半桥逆变电路：

电压型逆变电路半桥逆变电路构造及波形：

它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。

在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，且满足C1=C2。

设感性负载连接在A、0两点间。

T1和T2之间存在死区时间，以防止上、下直通，在死区时间两晶闸管均无驱动信号。

电压型半桥逆变电路

在一个周期，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。

假设负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，那么u0=Ud/2。

t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。

由于感性负载中的电流i。

不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=－Ud/2。

t3时刻i。

降至零，D2截止，T2导通，i。

开场反向增大，此时仍然有u0=－Ud/2。

在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。

不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud/2；

t5时刻i。

降至零，T1导通，u0=Ud/2

电压型半桥逆变电路波形

3.电压型单相全桥逆变电路：

·

电路工作过程：

全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂,T1和T4同时通、断；

T2和T3同时通、断。

T1（T）4与T2（T3）的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°

。

纯电阻负载时：

输出方波电压瞬时值：

输出方波电压有效值：

基波分量有效值：

同单相半桥逆变电路相比，在一样负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。

电压型单相全桥逆变电路图

电压型单相全桥逆变电路电压、电流波形图

六．电压型三相逆变电路：

1.工作过程：

电压型三相桥式逆变电路的根本工作方式为180°

导电型，即每个桥臂的导电角为180°

，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开场导电的时间依次相差120°

在一个周期，6个开关管触发导通的次序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，依次相隔60°

，任一时刻均有三个管子同时导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，每种组合工作60°

电压型三相桥式逆变电路

2.驱动电路：

由于三相桥式电压型逆变电路中采用的IT管，它在使用的时候需要驱动电路，才能使IGBT管子正常地开通和关断。

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；

二是提供适宜的栅极驱动脉冲。

实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。

根据设计要求，采用芯片M57962L及其附件组成的驱动电路，其电路图如下列图：

三相桥式电压型逆变驱动电路

3.保护电路：

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。

三相PWM逆变电路的过流保护电路

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，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。

如图过压保护电路所示。

其中：

图中是利用一个电阻加电容进展电压抑制，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。

图中的电阻可以是1KΩ左右的电阻，而电容的值可以为100µ

F左右，这样形成一个保护电路

三相PWM逆变电路过电压保护电路。

4.各相负载