无源三相PWM逆变器控制电路设计.docx

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无源三相PWM逆变器控制电路设计

目录

第一章：

课程设计的目的及要求…………………2

第二章整流电路………………………………5

第三章逆变电路………………………………9

第四章PWM逆变电路的工作原理………………11

第五章三相正弦交流电源发生器……………14

第六章三角波发生器…………………………15

第七章比较电路……………………………16

第八章死区生成电路………………………18

第九章驱动电路……………………………20

附录

参考文献

课程设计的心得体会

第一章：

课程设计的目的及要求

一、课程设计的目的

通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的要求

1.自立题目

题目：

无源三相PWM逆变器控制电路设计

注意事项：

①学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，

②通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。

首先要明确自己课程设计的设计内容。

控制框图

设计装置（或电路）的主要技术数据

主要技术数据

输入交流电源：

三相380V，f=50Hz

交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理

输出交流：

电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，P=5kW等效为星形RL电路，R=10Ω，L=15mH

设计内容：

整流电路的设计和参数选择

滤波电容参数选择

三相逆变主电路的设计和参数选择

IGBT电流、电压额定的选择

三相SPWM驱动电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力

要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。

主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。

课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。

课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。

设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。

3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力

要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。

严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

4.课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。

报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。

5.课程设计用纸和格式统一

课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。

要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。

设计报告不少于20页

第二章整流电路

根据要求，整流电路采用二极管整流桥电容滤波电路，其电路图如图2.1所示：

图2.1考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形

a）电路原理图b）轻载时的交流侧电流波形

c）重载时的交流侧电流波形

1.其工作原理如下所示：

该电路中，当某一对二级管导通时，输入直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。

当没有二级管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。

设二极管在局限电路电压过零点δ角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为

uab=

U2sin（ωt+δ）

而相电压为

ua=

U2sin（ωt+δ－

）

在ωt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uab。

这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电源id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。

介于二者之间的情况是，VD1和VD6同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在ωt+δ=

出恰好连接起来，id恰好连续。

由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。

假设在wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有

可得wRC=

这就是临界条件。

wRC>和wRC<分别使电流id断续和连续的条件。

对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。

因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=/wC。

考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：

电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。

随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流

侧电流波形逐渐接近。

2．由电容滤波电路的原理分析可知，该电路的特点如下所示：

（1）二极管的导电角θ<π，流过二极管的瞬时电流很大

电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。

在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2=1.11IL，而有电容滤波时

（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且R越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取

≥（3～5）

式中T为电源交流电压的周期。

（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。

VL随IL

的变化关系称为输出特性或外特性，如图1所示。

C值一定，当

，即空载时  

当C=0，即无电容时 

在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式

≥（3～5）

的关系时，电容滤波电路的负载电压VLV2的关系约为

           VL=（1.1～1.2）V2

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2.3二极管的选择

在选择整流二极管时，主要考虑两个参数，即最大整流电流和反向击穿电压。

在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为

在选择整流管时应保证其最大整流电流IF>ID。

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从桥式整流电路的工作原理中得出。

在v2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。

此时D2、D4所承受的最大反向电压均为v2的最大值，

即                                 

同理，在v2的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。

所以，在选择整流管时应取其反向击穿电压VBR>VRM。

第三章逆变电路

根据要求，逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路，其电路图如图3.1所示：

图3.1

1.1其工作原理如下：

（1）该电路是采用双极性控制方式。

U,V,W三相的PWM控制通常公用一个三角载波uc,三相的调制信号urU,uRv和urW依次相差120°。

U,V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。

当urU大于uc时，给上桥臂V1导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假象中点N’的输出电压uUn’=Ud/2。

当urU小于uc时，给V4一导通信号，给V1上桥臂关断信号时，则uUN=

。

V1和V4的驱动信号始终是互补的。

当给V1（V4）以导通信号，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通这要由阻感负载中电流方向来决定。

这是因为阻感负载中电流的方向来决定的。

V相及W相的控制方式都相同。

电路

波形如图所示。

可以得出，的PWM波形都只有两种电平，当臂1臂6导通时uUV=Ud，当臂3和臂4导通时uUV=－Ud，当臂1和臂3或臂4和臂6导通时uUV=0。

因此，逆变器的输出线电压PWM波由

Ud和0三种电平构成。

而且负载相电压PWM波由（±2/3）Ud、（±1/3）Ud和0共5种电平组成，其波形图如图3.2所示。

图3.2

（2）U相的控制规律

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2

当urU

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

（3）死区时间的防止：

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决定，死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波，所以必须在电路中设计死区生成电路。

2．IGBT的选择

参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。

工作电压≤50%-60%，结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。

制约因素如下：

（1）在关断或过载条件下，IC要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值；IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的；结温一定<150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。

（2）开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当<12V时通态损耗加大，>20V时难以实现过流及短路保护。

（3）关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-10V。

（4） IGBT不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压

（5）饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要大。

。

       所以根据IJBT的制约因素，主电路的电流电压值及设计要求，采用的IJBT管是GTl53101。

第四章PWM逆变电路的工作原理

PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变逆变输出频率。

1．PWM控制的基本原理

PWM控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）

理论基础:

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同

PWM波形可等效的各种波形，例如：

直流斩波电路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：

正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；

用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。

这样就可得到PWM波形。

由上方法可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。

对于正弦波的负半周，也可用同样的方法得到PWM波形。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。

要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

2．控制方法

调制信号ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。

和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。

采用双极性方式时，

在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM形也是有正有负。

在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。

仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关的通断。

在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

第五章三相正弦交流电源发生器

本设计需要三相正弦交流电源发生器，根据设计要求，确定其电路图如图5.1所示，在图5.1中，用双联电位器同时改变R7和R12，就可以改变正弦参考信号的频率，从而实现了变频功能。

在本设计中，我用一个三相变频正弦参考信号发生电路代替了生成SPWM信号的专用芯片。

它是控制电路的核心部分，采用的是一个特殊结构的RC移相正弦

波发生器。

其中，正弦波振荡的频率由下式确定：

f=

=

所以由

=20，可以确定参数为：

R7=1K,C1=5Uf.

同时通过对其他参数的调整确定正旋波的幅值为1v。

所以三相正弦参考信号分别表示为：

UA=sin（125.6t）UB=sin（125.6t−120。

）

UC=sin（125.6t−240。

）

图5.1

第六章三角波发生器

本设计中需要三角波发生器，根据要求确定其电路图如图6.1所示：

1．其工作原理如下：

在图6.1中所示的三角波发生器电路中，U01左边为同相滞回比较器，右边为积分运算放大电路。

图中滞回比较器的输出电压U01=+Uz（或-Uz），它的输入电压是积分路的输出电压U0，根据叠加原理，集成运放A1同相输出端的电位

up1=

……..

（1）

令up1=un1=0，则阈值电压

+Uz（或-Uz）=

……………

（2）

积分电路的输入电压是指会比较器的输出电压U01，所以输出电压的表达式为

UO=

………………（3）

式中U0（t0）为处态时的输出电压。

由上式可以得出UO是三角波，幅值为+UT（或-UT）;U01是方波,幅值为+Uz（或-Uz）,由于积分电路引入了深度电压负反馈,所以在负载电阻相当大的变化范围里,三角波电压几乎不会变.

2．参数选择

由三角波的波形可以得出

+

…………………（4）

式中UT=

经过整理可得到振荡周期

T=

………………………………（5）

振荡频率f=

……………………（6）

由于要求输出的三角波频率为10kHZ，所以可以使电路参数取以下值：

R1=10kΩR2=10KΩR3=1000kΩC=25uF。

同时确定其幅值为2v，则采用的稳压管是2v，且R3=100K,C1=10uf.

第七章比较电路

本设计中需要比较电路，根据需要，选用了选用滞回比较器，因为具有滞回特性，即具有惯性特性，有一定的抗干扰能力。

其电路图如图7.1所示。

如图7.1所示，滞回比较器引入了正反馈。

从集成运放输出端的限幅电路可以看出，u0=

Uz。

集成运放反相输入端电压uN=uI，同相输入端电位

图7.1图7.2电压传输特性曲线

uP=

令uN=uP，求出的ui就是阀值电压，因此得出

UT=

假设uI<－UT,那么uN一定小于uP

，因而u0=+UZ，所以up=+UT,当输入电压uI增大到+UT，在增大一个无穷小量时，输出电压u0才会从+UZ跃变为-UZ。

同理，假设uI>+UT，那uN一定大于uP，因而u0=-UZ，所以uP=-UT只有当输入电压uI减小到-UT时，再减小一个无穷小量时，输出电压u0才会从-UZ跃变为+UZ，即，u0从+UZ跃变为－UT的阀值电压是不同的电压传输特性如图7.2所示。

从电压传输特性曲线上可以看出,当－UT

如果uI是从小于－UT的值逐渐增大到－UT

实际上由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输入电压足够大时，输入电压u0才为

UZ。

u0再从+UZ变为－UZ或从－UZ变为+UZ的过程中，随着uI的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。

滞回比较器中引入了正反馈，加快了u0的转换速度。

为使滞回比较器的电压传输特性曲线向左或向右平移，需将两个阈值电压叠加两个相同的正电压或负电压。

把电阻R1的接地端接参考电压UREF，可达到此目的，图中有同相输入端的电位

uP=

UREF

令uN=uP,求出的uI就是阈值电压，因此得出

UT1=

UREF－

UT2=

UREF+

UZ

两式中第一项是曲线在横轴左移或右移的距离，改变UREF极性即可改变曲线平移的方向。

若是电压传输特性曲线上、下平移，则应改变稳压管的稳定电压。

第八章死区生成电路

为了防止三相桥式电压型逆变主电路中的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，所以引入了死区生成电路，其电路图如图8.1所示：

图8.1

其工作原理如下：

本设计的H桥功率集成电路的工作电压高达35V，而且其峰值电流可达到A。

如果H桥同臂高低端两个DMOS功率器件发生直通，则流过器件的电流将会非常大，很易使器件烧毁。

因此，必须采取措施来防止工作过程中同臂高低端两个功率器件发生直通。

在电路的操作过程中，一般有两种情况会造成功率器件的直通：

（1）输入的高、低端两路驱动信号相位不匹配，有同时为高电平的部分，

造成被驱动的高端和低端两个功率管在这段时间内同时开启；

（2）功率器件的关断时间过长，使得高端和低端两个功率器件中，一个器件还未完全关闭，另一个件就已经开启。

因此，电路中首先要消除高低压端两路信号为高电平的部分，其次要在两路信号间产生一个死区时间，以保证高端和低端两个功率器件在一个完全关闭后，另一个才开启。

我采用了高低端驱动信号死区产生电路（Deadtime）来实现这一功能。

电路的主体部分是采用的RC延迟结构，如图3-25所示。

其仿真结果如图3-26所示，同臂高低端功率器件开关延迟时间为0.7us。

实现死区产生时间（Deadtime），的功能。

从图中我们可以看出，啵adTi。

l=t3．t1，tD。

adTi。

正叫1+1[2共同组成了控制高低端。

根据电容充放电特性

Ucmax=5V

不妨令t=7us，则两边同时取对数

ln5=-

因此RC=4.3

s

所以可以取C=104pF，R=41.3KΩ

第九章驱动电路

由于三相桥式电压型逆变电路中采用的IJBT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。

根据设计要求，采用芯片M57962L及其附件组成的驱动电路，其电路图如图9.1所示：

图9.1

参考文献

【1】一种新颖的三相正弦波变频电源；张卫平，陈云鹏，刘元超，北方工业大学绿色电源实验室中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集

【2】电容滤波电路的特点；湖北武汉华中科技大学电子技术教学研究中心远程教育课题组。

【3】电力电子技术；王兆安，黄俊主编；—北京，机械工业出版社。

【4】模拟电子技术；华成英，童诗白主编；清华大学电子教研组编.，四版；北京，高等教育出版社。

【5】数字电子技术；阎石，清华大学电子教研组，四版；北京高等教育出版社。

课程设计的心得

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

在整个设计过程中，我得体会们通过这个方案包括设计了一套电路原理和连接图，和器件上的选择。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

而且还可以记住很多东西。

比如一些器件的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

经过一个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。

在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。

从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。

劳动是人类生存生活永恒不变的话题。

通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。

我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。

我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？

我们不断的反问自己。

也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。

社会需要我们，我们也可以为社会而工作。

既然如此，那还有什么必要失落呢？

于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。

实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。

而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。

同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！

同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

在此，感谢许老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！