逆变电源设计.docx
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逆变电源设计
目录
一绪论7
二系统总体方案设计8
三逆变功率器件的选择9
四逆变电路的设计11
4.1逆变电路的介绍11
4.2三相电压源型逆变电路12
五主电路的设计13
5.1主电路13
5.2整流电路13
六控制电路的设计15
七驱动电路设计18
八总结20
九附录21
9.1总电路图21
9.2参考文献22
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
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。
过电流保护电路
图2-1系统设计流程图
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IGBT内部结构，与MOSFET比较，IGBT是在MOSFET的漏极下又增加了一个
区，多了一个PN结（
）。
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3-1IGBT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
、
、
、
、
、
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
、
、
闭合
为正，
、
、
闭合
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-100V~220V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100V~220V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
，则三相全波整流后平均直流电压
的大小是
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。
下图为分立电路的组成：
图6-1SPWM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6-4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600VIGBT和高达75A的1200VIGBT。
由于驱动电路的信号延迟时间小于1.5μs，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
①
连接用于反向偏置电源的滤波电容
②
电源（+20V）
③
驱动输出
④
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。
）
⑤
过流保护输出
⑥
集电极电压监视
⑦⑧
不接
⑨
电源（ov）
⑩11
不接
14
驱动信号输入（-）
15
驱动信号输入（+）
图7-1EXB840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
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：
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日期：
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注：
①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②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）。
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