三相桥式PWM逆变电路.docx

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《电力电子技术》课程设计说明书

三相桥式PWM逆变电路的设计

院、部：

电气与信息工程

学生姓名：

刘远治

指导教师：

桂友超职称副教授

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1104班

完成时间：

2014年06月

摘要

本文设计了一个三相桥式PWM控制的逆变电路。

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,如果脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM波形。

该设计包括主电路、驱动电路、SPWM信号产生电路、过流保护等方面的设计。

该逆变器主电路采用的开关器件是IGBT；如需实物制作，驱动电路可采用现在大功率MOSFET、IGBT专用驱动芯片IR2110；PWM信号产生电路可采用CD4538芯片控制产生。

关键词：

三相桥式；主电路；IR2110；CD4538

Abstract

Thispaperdesignedathree-phasePWMcontrolledinverterbridgecircuit.PWMcontrolisonthepulsewidthmodulationtechnology,ifthepulsewidthchangesaccordingtosinelawandthesinewavePWMwaveformequivalent,alsoknownasSPWMwaveform.Thedesignincludesthemaincircuit,drivercircuit,SPWMsignalgenerationcircuit,over-currentprotectionandotheraspectsofdesign.TheinvertermaincircuitusesIGBT;Ifyouneedmakeitreal,drivercircuitcanusehigh-powerMOSFET,IGBTdedicateddriverchipIR2110;PWMsignalgenerationcircuitcontrolledbytheCD4538chipproduced。

Keywordsthree-phasebridge;maincircuit;IR2110;CD4538

目录

1绪言............................................................1

2主电路设计......................................................2

2.1主电路原理图.................................................2

2.2原理分析.....................................................2

2.3参数计算.....................................................3

2.4器件选择.....................................................3

3控制电路设计....................................................4

3.1电路原理框图.................................................4

3.2电路原理图...................................................4

3.3原理分析.....................................................4

3.4主要器件介绍.................................................5

4保护电路的设计..................................................6

4.1保护电路的作用...............................................6

4.2电路原理图...................................................6

4.3原理分析.....................................................6

5仿真分析........................................................7

5.1仿真模型的建立方法...........................................7

5.2仿真电路模型.................................................7

5.3仿真效果图...................................................8

5.4仿真结果分析.................................................9

6设计总结........................................................10

7附录............................................................11

1绪言

1.1学习情况

不知不觉中《电力电子技术》这门课程十来周的课时就结束了，从课余时间做老师布置的作业和前几周考试的情况来看，我对自己对这门课程理论知识的掌握情况还算比较满意。

虽然不是说老师讲过的重点都掌握的很好，但是起码有了一个初步的了解和一点自己的理解，我觉得能做到这样也还不错。

1.2对设计内容的掌握情况

至于三相桥式逆变电路，我感觉自己掌握得不够好，其实应该说对所有三相的电路掌握都不如单相的电路来的好，当然这和自己电路,数电和模电等课程没有学好有一定的关系，因为这方面的基础没打好，学起来感觉就相对吃力些。

不过，我会把跟课程设计有关的内容好好复习一下，实在不懂的地方可以上网查阅资料，请教老师和同学。

1.3设计任务

对三相桥式PWM逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：

直流电压为100V。

三相阻感负载，负载中R=2,L=1mH，要求频率范围：

30Hz～60Hz，电压在30~50V范围可调。

理论设计：

了解掌握三相桥式PWM逆变电路的工作原理，设计三相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路。

包括：

（1）IGBT相关参数的计算和器件的选择;

（2）驱动和保护电路的设计;

（3）画出主电路原理图和控制原理图。

仿真试验：

利用MATLAB仿真软件对三相桥式PWM逆变电路的主电路及控制电路进行仿真建模，并进行仿真试验。

2主电路设计

2.1电路原理图

图1主电路原理图

2.2原理分析

由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。

然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。

这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。

同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。

由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。

逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。

当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。

从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。

但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形（在这里是正弦波）作为调制波（ModulationWave），而受它调制的信号称为载波（CarrierWave）。

在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。

2.3参数计算

根据设计要求有Id=Ud/R=50A，所以可以算得基波电流有效值为I01=0.9Id=0.9×50=45A；本设计选择的开关器件为IGBT，则IGBT的额定电流为：

IN=（1.5~2）×45/1.57=（42.99~57.32）A；

若取Ud=100V,所以有IGBT的额定电压为UN=（2~3）×√2Ud=（282.84~424.26）V,所以，在选择IGBT（开关器件）的时候，只要满足以上额定电压和额定电流的范围均可。

2.4器件选择

IGBT选择BSM75GB60DLC,其最高耐压为600V，最大电流为75A，满足设计要求。

除此之外，根据要求，电压源为100V，由于其价格贵重，不予考虑选择其具体型号；所用的电阻R=2Ω,具体型号可选择2.2Ω的任意一种；电感为1mH，选择0204030704100510。

3控制电路设计

3.1电路原理框图

图2控制电路原理框图

3.2电路原理图

图3控制电路原理图

3.3原理分析

据自然采样法，三个互差120o的正弦波与高频三角载波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥臂IGBT的导通与关断。

这样产生的六路SPWM波分别控制六个IGBT的通断，从而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。

原理图中的三角载波用S函数产生。

3.4主要器件介绍

美国IR公司生产的IR2110驱动器。

它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。

IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。

具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

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