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1、 电力电子技术课程设计报告题目：有源、无源逆变电路的设计姓 名 学 号 年 级 专 业 电气工程及其自动化 系（院） 指导教师 2012年 1月05 日一、引言无源逆变电路的应用非常广泛,在很多电源中如蓄电池、干电池、太阳能电池、风机等都是直流电源。当负载需要交流供电时,要先将直流电转换成交流电,这就要通过逆变电路来实现。另外,由于无源逆变电路能提供有效值和频率都可调的交流电,所以交流电机变频调速系统、变极性等离子焊接、不间断电源等都要用到无源逆变电路。逆变分为半桥逆变和全桥逆变,尤其是全桥逆变,应用场合非常广泛。全桥逆变电路的优点是输出功率大,控制方便,性能好。二、设计任务设计指标：MOSF
2、ET电压型单相半桥无源逆变电路设计（纯电阻负载） （1）输入直流电压：Ui=200V （2）输出功率：500W1掌握单相桥式全控桥整流电路和单相半桥无源逆变电路的工作原理，进行结合完成交-直-交电路的设计； 2熟悉两种电路的拓扑，控制方法； 3掌握两种电路的主电路，驱动电路，保护电路的设计方法，元器件参数的计算方法； 4培养一定的电力电子的实验和调试能力； 5培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力； 2加深理解电力电子技术课程的基本理论； （3）输出电压波形：1KHz方波总体目标及任务：选择整流电路，计算整流变压器额定参数，选择全控器件的额定电压电流， 计算平波电抗器感值，设计保护电
3、路 ，全控器件触发电路的设计，画出主电路原理图和控制电路原理图，进行Matlab的仿真，画出输出电压，电流模拟图。三、设计方案选择及论证三相无源逆变电路的主电路如图3-7所示。由6 个单向导电的电子开关组成三相桥，同时每个桥臂并联一个起续流作用的二极管.图3-7 三相无源逆变主电路图中的电源用方框标出，在应用中直流电源可能是电压源，也可能是电流源，采用电源不同逆变器输出的特性也不相同。电子开关的开通顺序依照图中的标号1234561。使三相负载电压为对称的三相交流电。电子开关可以与单相桥式电路一样采用全控型电力电子器件，如GTR、IGBT、GTO 等。但因为三相桥式逆变电路功率一般都比较大，也有
4、采用普通型晶闸管配以一定的换相辅助电路来实现开关功能的，次类电路在全控型器件的容量尚未提高到满足较大功率的逆变电路的要求时比较普遍，现在随着全控型器件生产技术的发展，一般中、小型逆变电路都采用全控型器件做电子开关，但过去生产的晶闸管加辅助换相电路的逆变器尚有相当数量在生产设备中被使用。四、主电路的设计（1） 整流部分主电路设计: 单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图（1）：图（1）在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3 组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，VT1、VT4串联承受电压u
5、2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在u2负半周，仍在触发延迟角处触发VT2和VT3（VT2和VT3的=0处为t=），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT4两端的电压波形如下图（2）所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为U2和U2。 工作原
6、理 第1阶段（0t1）：这阶段u2在正半周期，a点电位高于b点电位晶闸管VT1和VT2方向串联后于u2连接，VT1承受正向电压为u2/2，VT2承受u2/2的反向电压；同样VT3和VT4反向串联后与u2连接，VT3承受u2/2的正向电压，VT4承受u2/2的反向电压。虽然VT1和VT3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以Ud=0，id=0。 第2阶段（t1 ）：在t1 时同时触发VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向电压而导通，有电流经a点VT1RVT3变压器b点形成回路。在这段区间里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3导通，忽略管压降，uVT
7、1=uVT2=0，而承受的电压为uVT2=uVT4=u2。 第3阶段（t2 ）：从t=开始u2进入了负半周期，b点电位高于a点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT1VT4都不导通，各晶闸管承受u2/2的电压，但VT1和VT3承受的事反向电压，VT2和VT4承受的是正向电压，负载没有电流通过，ud=0，id=i2=0。 第4阶段（t2 ）：在t2 时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b点VT2RVT4a点，在这段区间里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2的负半周期电压，至此一
8、个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180。（2） 逆变部分主电路设计：如图所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个全控器件和一个二极管反并联而成。在直流侧有两个相互串联的大电容，两个电容的中点为直流电源中点。负载接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。开关器件设为V1和V2，当负载为感性时，输出为矩形波，Um=Ud/2.刚开始V1为通态，V2为断态，给V1关断信号，V2开通信号后，V1关断，但由于感性负载，电流方向不能立即改变，就沿着VD2续流，直到电流为零时VD2截止，V2开通，电流开始反向。依此原理，V1和V2交替导通，VD1和VD2交替续流。此电路优点在于结
9、构简单，使用器件少，缺点是输出交流电压幅值仅为Ud/2。（3） 控制电路的设计：控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于逆变电路中功率器件的通断，通过对逆变角的调节而达到对逆变后的交流电压的调节。我们采用PWM控制方法，进行连续控制，我们采用了SG3525芯片，它是一款专用的PWM控制集成芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源，锯齿波振荡器，误差放大器，比较器，分频器和保护电路等。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流
10、跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 SG3525的结构和工作原理: 1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信
11、号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电
12、平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12)：信号地。 13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。 14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内电容
13、充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。SG3525的特点如下： （1）工作电压范围宽：835V。 （2）5.1（1 1.0%）V微调基准电源。 （3）振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz. （4）具有振荡器外部同步功能。 （5）死区时间可调。 （6）内置软启动电路。 （7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰
14、值)。 各部分功能：a 基准电压源: 基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压VCC 可在（835）V 内变化，通常采用+15V，其输出电压VST5.1V，精度1%，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400mA，没有过流保护电路。b 振荡电路： 由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压VH=3.9 V，低门限电压VL=0.9,内部横流源向CT 充电，其端压VC 线性上升，构成锯齿波的上升沿，当VC=VH时比较器动作，充电过程结束，上升时间t1 为：t1= 0.67RTCT 比较器动作时使放电电路接通，CT 放电，VC 下降并形成锯齿波的
15、下降沿，当VC=VL时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2 为：t2=1.3RDCT注意：此时间即为死区时间 锯齿波的基本周期T 为:T=t1+t2=(0.67RT+1.3RD)CT 振荡频率：f=1/T CT和RT是连接脚5和脚6的振荡器的电阻和电容，RD是于脚7相连的放电电阻的阻值。控制电路图：（4） 驱动电路的设计： 如图，我们采用了电气隔离的光耦合方式。光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、
