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1、摘要本次课程设计题目要求为三相电压源型SPWM逆变器的设计。设计过程从 原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab仿真等，巩固了理论知识, 基本达到设计要求。本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括逆变电 路的理论基础以及Matlab仿真软件的简介、运用等，此外，还会清晰的介绍各 个部分电路以及元器件的取舍，比如驱动电路、抗干扰电路、正弦信号产生电路 等,其中部分电路的绘制采用了 Proteus软件，最后结合Matlab Simulink仿真, 建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过软件得到较为理想 的实验结果。关键词：三相 电压源型 逆变电路 M
2、atlab 仿真目录摘要 - 1 -1 设计原理- 3 -1.1 SPWM 控制原理分析 - 3 -1.1.1 PWM的基本原理-3 -1.1.2 SPWM逆变电路及其控制方法-3 -1.2 IGBT 简介-4 -1.3 逆变电路- 5-1.4 三相电压型桥式逆变电路- 6-2 设计方案- 9-2.1 逆变器主电路设计- 9-2.2 脉宽控制电路的设计- 10 -2.2.1 SG3524 芯片-10 -2.2.2 利用 SG3524生成 SPWM 信号-11 -2.3 驱动电路的设计- 13 -2.3.1 IR2110 芯片-13 -2.3.2 驱动电路- 14 -3 软件仿真- 14 -3.
3、1 Matlab 软件-14 -3.2 建模仿真- 15 -4 心得体会- 19 -参考文献- 20 -三相电压源型 SPWM 逆变器的设计1 设计原理1.1 SPWM 控制原理分析1.1.1 PWM 的基本原理PWM(Pulse Width Modulatio n)控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通 过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术最 重要的理论基础是面积等效原理，即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。SPWM 控制技术是 PWM 控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦 规律变化而和正弦波等效。1.1.2 SPWM
4、逆变电路及其控制方法SPWM 逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的 SPWM 逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。由 信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路 去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。目前应用最为广泛的是电压型 PWM 逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机 法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值 或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势， 因此，调制法应用最为广泛。所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号ut，把接收
5、调制的信号作 为载波 uc ，通过信号波的调制得到所期望的 PWM 波形。本次课程设计任务要求 设计三相电压源型SPWM逆变电路，输出PWM电压波形等效为正弦波，因而 信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式 PWM 逆变电路，一般采用双极性控制方式。所为单极性控制方式，就是在信号 波ut的半个周期内三角波载波uc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，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ut的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有
6、正有负, 所得到的pwm波也是有正有负。在ut的一个周期内，输出的PWM波只有u两种电平,d而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ut和载波信号uc的交点时刻控制各开关 器件的通断。在ut的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。1.2 IGBT 简介绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏 区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本 沿用场效应晶体管的相应命名。IGBT的结构剖面图如图1所示。它在结构上类似于MOSFET，其不同点 在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基 板（IGBT的集电极）
7、，形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。Nttt SSK襲冲区图 1 IGBT 结构剖面图由图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化 等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为 主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。IGBT的特性和参数特点可以总结为：1）IGBT开关速度高，开关损耗小；2）在相同电压和电流定额的情况下，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）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的
8、耐压和通流能力还可以进一步提 高，同时可以保持开关频率高。1.3 逆变电路逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由4个IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图2所示。图 2 逆变电路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连接时，称为无源逆变。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：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。本次课程设计任务要求为电压型逆变电路的设计。 电压型逆变电路有以下主要特点：1) 直流侧为电压
9、源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本 无脉动，直流回路呈现低阻态。2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，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角情况不 同而不同。3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，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。1.4 三相电压型桥式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。但在三相逆变电路中， 应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图 3所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成
10、。图 3 三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的 两个电容器并标出假想中点N /。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180 ，同一相(即同一半桥)上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说，当桥臂 1导通时，u = U /2，当桥臂4
11、导通时，u =-U /2。因此，UUN，的波形是UNrdUNd幅值为U /2的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，UVN 、UWN，的波形形状d和Uun，相同，只是相位依次差120。负载线电压可由下式求出：u u uUVUNVNU U UrVWVNWNu u uWUWNUN设负载中点N与直流电源假想中点N /之间的电压为uNN，则负载各相的相 电压分别为：uu_ uUNUNNNuu_ u/VNVNNNuu_ uWNWNNN 三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图4所示。uuuuuu面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压 展开成傅里叶级数得：uUV2、；3U111d （sin t
12、 一 sin 5 t 一 sin 7 t + sin 11 t2V3Ud57111sin t + 乙（一 1）k sin nt式中，n = 6 k 士 1，k为自然数。输出线电压有效值Uuv为UUVu 2dt = 0.816 UUVd基波幅值UUV 1 m和基波有效值UUV 1分别为UUV1m23U犷=1.1 U ； UdUV 1= U = 0.78 Udd接下来，我们再对负载相电压UUN进行分析。把UUN展开成傅里叶级数得uUN2U111（sin t + sin 5 t + 一 sin 7 t + sin 11 t +） 兀57112U.y 1 .、 （sm t + 乙 sinn t）式中，
13、n = 6k 士1，k为自然数。负载相电压有效值Uun为UUNu 2 d t = 0.471 UUNd基波幅值UUN1m 和基波有效值 UN1 分别为2UUUN1md = 0.637 U ； U = -un1 m = 0.45 U兀dun 1p 2d2 设计方案2.1 逆变器主电路设计图 5 是 SPWM 逆变器的主电路设计图。图中 Vl V6 是逆变器的六个功率开 关器件，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。一 组三相对称的正弦参考电压信号 由参 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一定 范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号 U
14、c 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。U da， Udb， Udc 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当u u时，给V1导通信号，给V4关 d ru c断信号，U = -U / 2。Uuv的波形可由U - U得出，当1和6通时，U = Uundunvnuvd当3和4通时，u =-u，当1和3或4和6通时，Uuv =0。输出线电压PWM uvd波由土U和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3) U ，(1/3) U和0共5ddd种电平组成。图 5 SPWM 逆变器的主电路设计图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。2.2 脉宽控制电路的设计2.2.1 SG3524 芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引脚图和内部框图分别如图6
