机车空调车载逆变电源硬件设计Word文档下载推荐.docx
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3设计方案·
3第3章主电路硬件设计·
5主要开关元器件性能·
5IGBT的介绍·
5二极管·
5系统总电路设计·
6DC/DC升压电路设计·
6充电过程·
6放电过程·
6升压斩波器工作原理·
7DC/DC电路的参数选择与器件选型·
10逆变电路设计·
10三相电压型桥式逆变电路·
10PWM的工作原理·
11DC/AC电路参数设计和器件选型·
12滤波电路设计·
13第4章系统的仿真·
15Matlab/Simulink仿真平台简介·
15系统的主电路的仿真·
17仿真结果分析·
17第5章结论·
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石家庄铁道大学四方学院毕业设计 以必须要有保护电路对系统进行保护措施，并且尽量确保主电路正常的工作，保护整个机车系统正常运行。
4 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 第3章主电路硬件设计 主要开关元器件性能 功率开关的最重要的作用是将输入的直流电压逆变成需要的的交流电压。
功率开关的工作状态用两种：
饱和与关断，这样可以让开关损耗尽可能的小。
目前主要用到的功率开关主要有两种：
MOSFET和IGBT。
IGBT的介绍 IGBT具有三个输入端，分别叫做栅极G、集电极C和发射极E。
给出了IGBTN沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
如果将两个器件相比较，IGBT比VDMOSFET多了一个P+入口区，在工作中会产生一个面积较大的PN结。
IGBT会于有更大的接触面积，比其他的器件有更大的导流能力，是双极型晶体管与MOSFET组成，也可看做是MOSFET的厚基区PNP晶体管。
IGBT同MOSFET一样是场控器件。
栅极和发射极间电压UGE的大小和器件的开关有关，当通电，且UGE电压大于UGE（th）的开启电压时，MOSFET内形成沟道，会在晶体管的基极处产生一个电流值，促使晶体管导通。
若栅极和发射极处于反相电压或不加电压情况时，MOSFET内的沟道消失，IGBT关断。
在电力电子电路中，IGBT在正向阻断区和饱和区之间来回转换，从而控制开关。
二极管 二极管的单方向导电性就是其主要的特性。
所以二极管在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
从而体现了二极管的正向特性和反向特性。
（1）正向特性在电子电路中，把二极管的正极接在电压高的一端，负极接在电压低的一端，二极管才会导通，这种连接方式叫做正向偏置。
但是当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管还是不能导通的，这个时候流过二极管的正向电流是十分微弱的。
只有当正向电压达到某一数值（也就是常说的“门槛电压”，锗管约为，硅管约为）以后，二极管才能真正导通。
当二极管导通后其两端的电压基本上保持不变（锗管约为，硅管约为），这个就是二极管的“正向压降”。
（2）反向特性在电子电路中，二极管的正极接在电压低的一端，负极接在电压高的一端，这个时候流过二极管中的电流几乎为零，因此二极管处于截止状态，这种连 5 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 接方式叫做反向偏置。
当二极管处于反向偏置状态的时候，二极管仍然会有微弱的反向电流流过，这种状态称为漏电流。
但是当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流反而会急剧增大，二极管的单方向导电特性将会消失，这种状态称为二极管的击穿[3]。
系统总电路设计 本设计需要将给定的直流电压110V先经过升压电路变化成稳定400V直流电压，之后再经过逆变电路逆变成230V/50HZ交流电压，需要升压电路、逆变电路、滤波电路，系统的总电路图如图3-1所示。
图3-1主电路图 DC/DC升压电路设计 充电过程 电路在充电过程中，开关闭合（三极管导通），开关（三极管）相当于用导线来代替，这个时候输入的电流经过电感线圈。
二极管的作用是防止电容对地有放电的电流。
因为输入端提供的是直流电流，所以流经电感线圈上的的电流的增加方式是线性的，电感线圈的大小决定了增加比率的斜度。
电感电流增加后，电感里储存的能量也会相应的增加。
放电过程 当断开开关（即三极管截止）时，电感里面的电流不可能突然消失，所以电感里面的电流是不可能突然变成零的，而是经过一定的时间充电完毕时的值变为零的。
于开关断开后导致开始的电路已经不存在，这个时候电感必须寻找新的电路来释放存储的电能，所以电感只能对电容充电，电容两端的电压会升高，此时电容的电压已经 6 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 高于输入时的电压了，电感放电完成后电容的升压完毕[4]。
如图3-2所示。
图3-2升压斩波电路图 升压斩波器工作原理 斩波器斩波管、电解电容、PWM控制部分（产生驱动斩波管的脉冲）等组成，主要将给定的110V直流电经过升压电路变换为稳定的400V直流电压。
最常用的斩波电路种类有五种：
降压式、升压式和全桥式，图3-2所示电路为升压式斩波器的原理电路，为了方便了解其工作特性，将升压电感L也包含在里面[5]。
当IGBT开通时，VD1截止，此时负载不工作，输入电压加在电感L上，电源向电感L提供能量，流经L的电流开始增加。
当IGBT断开时，电感线圈L上的电流是不会突然变为零的，VD1开通，所以二极管VD1通过电感里面储存的能量续流，输出的能量传递给负载。
斩波器的稳态是指流过电感的电流平均值达到一个固定的数值，每个周期起始的电流值是相同的。
也就是说一个周期内电感电压的积分为零[6]。
图3-3连续导电模式的电感电流、电压波形 7 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 为叙述方便，可假设电容C足够大以确保一个恒定的输出电压U0，这也与实际情况相符。
当升压电感上的电流始终大于零时，称为连续导电模式，先分析连续该模式下的工作原理。
在这个模式下，电感电流连续流动iL（t）>
0，图3-3为一个周期内稳态工作时的波形[7]。
IGBT开通（ton）及关断（toff）时的等效电路图分别如图3-4的（a）、（b）所示。
（a）IGBT导通时等效电路 （b）IGBT关断时等效电路 图3-4等效电路图 在电路稳定工作时，一个工作周期内电感电压对时间的积分为0，即 （3-1）?
T0ULdt?
0 Uiton?
（Ui?
U0）toff?
0 （3-2）整理得：
U0ton+toff1 （3-3）==Uitoff1-D其中D为占空比 D?
ton （3-4） ton?
toff在不考虑损耗的情况下，输入升压电路和输出电路的功率是相等的，即 UiIi?
U0I0 （3-5） 于是有输入电流平均值与输出电流平均值之比为：
Ii1 （3-6）?
I01?
D以上为连续导电模式的公式。
当输出功率逐渐减小，锯齿电流会逐渐减小。
当每个周期内电感电流为零时，就是断续导电的模式。
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石家庄铁道大学四方学院毕业设计 升压斩波器目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正电路，三是用于其他交流直流电源中。
图3-5（a）、（b）分别给出了处于断续边界和断续时的电感电流、电压波形。
（a）断续边界电感电流、电压波形 （b）断续时电感电流、电压波形 图3-5电感电流、电压波形 在断续导电工作模式下，电感电压在一个周期内对时间的积分为0，即 UiDT?
U0）d1T?
0 （3-7） 整理得 U0d1?
D （3-8）?
Uid1在不考虑功率损耗的情况下，有公式3-5可得 I0?
d1Ii （3-9）d1?
D电流流经电感没有损耗，所以电流平均值为 Ii?
IL?
UDT（D?
d1）11?
?
IL（D?
d1）T?
i （3-10）T22L得到 I0?
UiDTd1 （3-11）2L在一般的情况下，在开关断开时是会有能量从输入端传给负载或电路的，但是不是全部的能量都会被负载吸收，在能量达到稳定之前电容上的电压会一直升高，电压达到某一个数值后电容将会被击穿，会对其他设备或人体造成一定的伤害。
所以必须用合理的方法对占空比进行控制，保证电路稳定、安全、可靠的工作。
9 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 DC/DC电路的参数选择与器件选型
（1）开关管的选取 MOSFET虽然有开关速度快和导通电压低的优点，但是不太适用于功率较大的场合。
因此，选取IGBT作为Boost电路的开关管，它具有输入阻抗高、高速开关、低导通电压、耐高压和大电流的优点，符合设计的硬件参数要求。
在IGBT的选择中，需要注意其最大集射级间电压、最大集电极电流和最大集电极功率3个参数。
如果在开关过程中，IGBT集电极和发射极之间的电压超过允许的耐压值，将会损坏开关管。
此外，于IGBT工作再高频的开关状态，产生的大量开关损耗将会使器件发热严重，因此还必须综合考虑开关管的散热。
在电路中IGBT管承受的最大电压为400V，IGBT的电压大约为2倍的最大电压，即电压为800V，选取一定的电压、电流裕量，因此选取用富士的IGBT，型号为1MBH60-100，主要参数为：
耐压：
1000V，额定电流：
60A[7]。
（2）二极管的选取 升压斩波电路中的二极管应具有较低的通态压降和快反恢复特性，选取一般的二极管即可满足要求，主要参数：
导通电压，导通时电流为0V。
（3）输出电容的选取 电容C的值一般是很大的，它的作用是将输出电压保持在一定的数值，电容C的值是根据电路的电流（功率）来计算的。
逆变电路设计 三相电压型桥式逆变电路 逆变器逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，它将人为提供的直流110V电压换为稳定的230V/50HZ交流电压。
逆变电路主要包括主电路和控制电路，如图3-6为三相电压型逆变电路。
逆变电路的核心电路模块是IGBT，IGBT也是上世纪出现的一种电力电子的器件，它集合了很多晶体管的优点，IGBT适合的场合比较多，主要是在一些高压电路中有很大的作用，比如高速、低功耗的电路等。
IGBT的特点是耐高很压、允许通过的电流大、开关频率高、使用寿命长、热损耗小等。
主电路主要有二大部分组成。
（1）逆变管V1～V6 V1～V6组成逆变桥，把经boost升压电路升压后得到的稳定的的400V直流电压 10 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 逆变成230V/50HZ的交流电压。
这是实现逆变的主要的环节，也是逆变电路的核心。
常用的晶体管有绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）和以及电力场效应晶体管（MOSFET）等。
本设计中主要使用的是IGBT。
（2）续流二极管VD1～VD6 其主要功能为：
VT1～VT6是为了给晶体管提供通路，在任何一个时间都会有三个桥臂同时导通，因此在两个桥臂间处于不停地交替导通和截止的状态。
在导通和截止的交替变换过程中，还需要VD1～VD6提供通路[8]。
图3-6逆变电路图 PWM的工作原理 用SPWM控制技术作为控制电路核心，其主要作用是将正弦波参考信号与三角形载波信号相比较产生逆变电路所需要的开关动作信号，控制V1～V6的通断。
PWM控制是指改变脉冲的宽度的调制技术，它通过改变波形的占空比来改变输出电压的。
它应用的领域比较广，现在很多机车与汽车都是通过这种方式来进行调速的。
PWM逆变电路有两种：
电压型和电流型。
但是目前我们常用的大多还是电压型的电路，所以本设计采用电压型PWM逆变电路的调速方法。
PWM控制的方法有三种：
计算法、调制法、跟踪控制法。
计算法：
根据PWM逆变电路的控制原理，给逆变电路一个正弦波的输出频率、幅值和周期，就可以计算出PWM波形中各个脉冲的宽度。
根据计算的结果可以控制开关器件的通断，就可以得到需要的PWM波形。
调制法：
输出的波形作为调制信号，接受的信号作为载波，控制信号波的调制来 11 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 达到所希望的PWM波形，本设计以锯齿波作为载波，当调制信号为正弦波是，输出的波形为SPWM波形[9]。
当三角波只在正极性或负极性其中的一个范围内变化时，所得到的PWM波形也在其中一个极性范围内变化的控制方式叫做单极性PWM控制方法。
如图3-7所示。
图3-7单极性PWM控制方式波形 在信号波半个周期内，三角波是有极性的，所得到的PWM波也是有正负的，这种方式叫做双极性控制方式。
如图3-8所示。
图3-8双极性PWM控制方式波形 DC/AC电路参数设计和器件选型 中小容量的低压系统，使用更多的开关器件MOSFET的，因为MOSFET的压降较低和高开关频率，具有正温度系数，热稳定性好，但在逆变器的设计，MOSFET 12 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 具有以下两个缺点：
（1）于输出滤波电感电流增长的作用时间的流，容易燃烧MOSFET。
（2）MOSFET在高电压大容量系统，随着电压的增加也会增加其在国家阻力，降低电路的整体效率。
因此，在电力系统中高压变频器，IGBT的开关频率高、低电流、高电压和大电流的优点，被广泛应用。
据的特点设计电路IGBT作为开关组件的选择。
在系统设计中，梁的两端，IGBT承受400V的电压，电压峰值的过程中考虑到设备开关，即使它的缓冲电路，或选择一定的保证，因此承受电压600V。
选择与三菱的智能功率模块（IPM），型号是6MBP20RH060，其耐受电压600V，耐流20A，包括六个开关
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