逆变电源设计.pdf

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1、 目 录 一 绪论.错误!未定义书签。二 系统总体方案设计.3 三 逆变功率器件的选择.4 四 逆变电路的设计.5 4.1逆变电路的介绍.5 4.2 三相电压源型逆变电路.6 五 主电路的设计.7 5.1主电路.7 5.2 整流电路.7 六 控制电路的设计.9 七 驱动电路设计.12 八 总结.14 九 附录.15 9.1 总电路图.15 9.2 参考文献.16 一 绪论 电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及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，凡是涉及电子和电工技术的一切领域都要用到电源设备。逆变技术，逆变

2、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。它了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,实现逆变的电能转换装置。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，不可以广泛应用于电力、邮

3、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。本次课程设计要求设计一个输入为400V 直流电压，输出三相电压正弦，相电压范围100 220V可以调节的逆变电源。二 系统总体方案设计 三相电压型 PWM 逆变电源系统原理框图如图2-1 所示，它可以分为四个功能模块：逆变电路、输出滤波器、驱动电路和SPWM 脉宽调制电路。整流电路是一个三相 DC/AC 变换电路，功能是把 DC400V 的电源进行三相逆变后转换成可在一定范围内调节电压的电源电路。逆变电路是

4、该电源的关键电路，其功能是实现 DC/AC 的功率变换，即在逆变电路的控制下把直流电源转换成三相 SPWM 波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。输出滤波器是由 L、C 组成，滤去 SPWM 波中高频成分。图2-1 系统设计流程图 三相逆变 DC400V 100v220v可调 AC AC 滤波 驱动电路 SPWM 过电流保护电路 三 逆变功率器件的选择 绝缘栅双极晶体管（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 MOSOFT 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

5、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，是功率因数等于 1，从而减小了 UPS 整流器对市电电源的干扰。本设计选用 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）做简单的介绍。IGBT 内部结构、等效电路和电气符号如图 3-1 示。图（a）为

6、IGBT内部结构，与MOSFET比较，IGBT是在MOSFET的漏极下又增加了一个P区，多了一个 PN 结（1J）。IGBT 的等效电路如图 3-1（b）所示。它是有 MOSOFT和双极型功率晶体管复合而成的。IGBT 的电气符号如图(c)。图 3-1 IGBT 的内部结构、等效电路和电气符号 IGBT 具有正反向阻断电压高、通态电压大及通过电压来控制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

7、于开关和逆变电路中。四 逆变电路的设计 4.1 逆变电路的介绍 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。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链接时，称为无源逆变。换流方式：1）器件换流：利用全控型器件自关断能力进行换流。2）电网换流：由电网提供换流电压。3）负载换流：由负载提供换流电压。4）强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管施加反向电压或反向电流的换流方式。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，也称为电容换流。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

8、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，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。4.2 三相电压源型逆变电路 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 图 2-8 三相电压型逆变电路 度导电方式,即每个桥臂的导电度数为 180 度,同一相上下两

9、个臂交替导电,个相导电的角度依次相差 120 度,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。因为没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。通过图示三相电压型逆变电路来说明其最基本的工作原理。图 2-8 中1DV、2DV、3DV、4DV、5DV、6DV是桥式电路的 6 个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当1DV、2DV、3DV闭合0AU为正，4DV、5DV、6DV闭合0AU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。五 主电路

10、的设计 5.1 主电路 设计要求的参数如下：直流侧输入电压：DC-400V 输出交流电压：AC-100V220V可调 输出频率：50Hz 系统主电路图如下：图 5-1 主电路图 如图 5-1 所示主电路，本系统首先通过直流降压斩波电路将输入的 400V直流电斩波为 310V 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将该信号后，逆变成为 50Hz 的交流方波电压。最终通过变压器升压为 100V220V 交流电压滤波后供给负载使用。5.2 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

11、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LU，则三相全波整流后平均直流电压DU的大小是 1.35DLUU 图 5-2 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。六 控制电路的设计 SPWM波的实现 逆变电源控制电路的核心是SPWM 发生器。SPWM 的实现宝库分立电路、集成芯片和单片机实现。他们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不足之处。逆变电源 SPWM 电路的调制频率固定为 50Hz 不变，为了降低成本。下图为分立

12、电路的组成：图 6-1 SPWM 逆变电源控制电路 其中正弦波发生器和三角波发生器分别由下图所示 图 6-2 正弦波发生器 图 6-3 三角波发生器 以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由 IC1 以及外围电路组成的 PI 型误差放大器调节后得到一个控制信号，送 IC2 去调制三角波，即可得到 SPWM 波形。IC3 和 IC4 分别为正负值比较器，他们的输出信号分别是 IC5 和 IC6，从而将 SPWM 脚踢的分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完成 SPWM 逆变。需要注意的是，驱动电路要将没一个信号分成相互隔离的两路，分别驱动处理对角位置上的两只开

13、关管。以上控制的电路的特点是不仅能控制正弦波输出有效值，还能调节输出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。过电流保护 过电流保护采用电流互感器作为电流控制元件，其具有足够快的响应速度，能够在 IGBT 允许的过载时间将其关断，起到保护作用。当同相输入端流过电流，检测信号比反相输入端参考电平高时，比较器输出高电平，使 D1 从原来的反向偏置状态转变为正向导通，并把同相端电位提升为高电平，使电压比较器一直稳定输出高电平同时，该过流信号还送到 SG3525 的脚 10，当 SG3525 的脚 10 为高电平时，其脚 11 及脚14 上的输出的脉宽条纸脉冲就会立即消失而成为零。图 6-

14、4 过电流保护电路 七 驱动电路设计 EXB840简介：为混合集成电路，能驱动高达 150A 的 600V IGBT 和高达 75A 的1200V IGBT。由于驱动电路的信号延迟时间小于 1.5s，所以此混合集成电路适用于大约 40kHz 的开关操作。它仅需 20V 电源供电，内置光耦合器，高绝缘耐压，内置过电流保护电路，附带过电流检测输出端子，可实现高密度安装的 SIL 封装。EXB840 芯片各引脚功能如下表：端子编号 功能 连接用于反向偏置电源的滤波电容 电源（+20V）驱动输出 用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作（绝大部分场合不需要电容。）过流保护输出 集电极电压监视 不接

15、电源（ov）11 不接 14 驱动信号输入（-）15 驱动信号输入（+）图 7-1 EXB840 内部电路图 图 7-2 驱动电路图 八 总结 逆变电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础。在本次毕业设计中，通过对逆变电源主电路、控制电路等电气控制电路环节的设计以及对电路元件参数的计算与选择，了解了逆变电源设计的全过程，巩固和加强了本专业的专业理论知识，同时设计也满足了现代工程设计的要求，达到了预期的目标。通过本次课程设计，加深了我对课程电力电子技术理论知识的理解，特别是有关逆变电路方面的知识。同时也培养了以下几点能力：第一：提高了自己完成

16、课程设计报告水平，提高了自己的书面表达能力。具备了文献检索的能力，特别是如何利用 Intel 网检索需要的文献资料。第二：提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课程设计中，涉及到很多学科，包括：电力电子技术、电路原理等，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。第三：提高了与同学沟通交流的能力，团队协作的能力。在遇到困难的时候，我们相互沟通交换想法，这为我们最后能有效的处理好问题打下了基础。九 附录 9.1 总电路图 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-Jul-2013SheetofFile:C:UsersAndryD

17、esktopAndryddbDrawnBy:R3TFC1C3C7GND123123567B567B567B567B567B567BGNDGNDGNDGND567B567B+5GNDGNDGNDU?GND、S0V20V隔离电源10mA驱动信号623191415EXB84054过电流保护输出123321411ANOT+12VTextMQ1GI+15VG继电器V相W相-15VGND567B567B567B567BU0正弦波输出 9.2 参考文献 1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4 版）机械工业出版社，2000 3浣喜明 姚为正电力电

18、子技术高等教育出版社，2000 4莫正康电力电子技术应用（第 3 版）机械工业出版社，2000 5郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，1996 6刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，1996 7刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，1995 8刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999 电气信息学院课程设计评分表 项 目 评 价 优 良 中 及格 差 设计方案合理性与创造性（10%）开发板焊接及其调试完成情况*（10%）硬件设计或软件编程完成情况（20%）硬件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况(10%)综 合 评 分 指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非 16K 大小的图纸及程序清单）。