单相交直交变频电路的设计及性能研究.docx
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单相交直交变频电路的设计及性能研究
摘要
随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的快速发展，单相交-直-交变频系统也得到了迅速发展，它显著的变频能力，广泛的应用范围，完善的保护效力，和易于实现的变频功能，获到了广大使用者的认可，在运行的安全可靠、安装使用以及维修维护等方面，也给使用者带来了极大的益处。
课题研究的单相交-直-交变频电路设计主要分为主电路和控制电路两部分，其中主电路还分为整流电路、滤波电路和单相桥式PWM逆变电路，而逆变部分则需要用到控制电路，控制电路分为控制电路、驱动电路和保护电路。
课题的整流部分选用不可控的桥式整流电路；滤波部分则选用LC低通滤波，获得高频率的交流正弦波输出；逆变部分选用四个IGBT管组成的单相桥式逆变电路。
控制电路主要以单片集成函数发生器ICL8038为核心设计的，生成两路PWM信号用来分别控制两对IGBT管；驱动电路则是选用了具备电气隔离的集成驱动芯片M57962L；保护电路选用双D触发器CD4013。
用MATLAB软件仿真出设计的电路，其中对纯电阻负载以及电阻电感负载分别进行数据和波形的分析，并采取相关措施使最后输出的波形接近正弦波。
关键词：
整流滤波逆变IGBTPWMMATLAB
Abstract
Withtherapiddevelopmentofpowerelectronicstechnology,computertechnology,automaticcontroltechnology,single-phaseorthogonalfrequencysystemhasbeendevelopingrapidly,itsremarkablefrequencycapability,awiderangeofapplications,perfectprotection,aswellaseasytoimplementtheconversionfunction,hasbeenrecognizedbythemajorityofusersinthesafeandreliableoperation,installation,repairandmaintenance,etc.,butalsotobringusersgreatconvenience.
ResearchofsinglephaseAC-DC-ACinvertercircuitdesigndividedintothemaincircuitandcontrolcircuit,whichcanbedividedintothemaincircuitrectifiercircuit,filtercircuitandsingle-phasebridgePWMinvertercircuit,andinvertercontrolpartoftheneedtousecircuit,thecontrolcircuitisdividedintoacontrolcircuit,drivecircuitandprotectioncircuit.Subjectrectifierbridgerectifierusinguncontrollable;filteringsectionusingLClow-passfiltertoobtainahigh-frequencysinewaveACoutput;inverterpartofthesingle-phasebridgeinvertercircuitcomposedoffourIGBTtube.MonolithicintegratedcontrolcircuitICL8038functiongeneratorcoredesignedtogeneratetwoPWMsignalstocontrolthetwopairsofIGBT;drivecircuitistheuseofintegrateddriverchipM57962Lwithelectricalisolation;protectioncircuitusesdualDflip-flopCD4013.UsingMATLABsoftwaresimulationofthedesignofthecircuit,inwhichthepurelyresistiveloadandinductiveloadresistorrespectivelyfordataanalysisandwaveforms,andtakemeasurestomakethefinaloutputofnearlysinusoidalwaveform.
Keyword:
RectifierfilterinverterIGBTPWMMATLAB
第1章绪论
1.1电力电子技术概况
1.1.1电子电力技术基本概念
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，即使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术所变换的电力功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，以及以信息处理为主导的信息电子技术不同于电力电子技术其主要用于电力变换[1]。
电能变换主要就是指电压、电流与频率之间的变换。
因此电能变换的基本类型可以分为四种，即AC/DC变换、DC/AC变换、DC/DC变换、AC/AC变换。
1.1.2电力电子技术的基本应用
一般的工业领域：
交流直流电机、电化学工业、冶金工业；交通运输领域：
电气化铁道、航空航海；电力系统领域：
高压直流电输电、柔性交流电的输电、无功补偿；电子装置电源领域：
为信息电子装置提供动力；家用电器等领域：
“节能灯”、变频空调；其他领域：
UPS、航天飞行器、新能源以及电力发电装置。
其显著作用：
（1）优化电能使用。
用电力电子技术对电能进行处理，可以使电能的使用达到、高效率以及节能，实现电能使用的最佳化。
比如，在节能的方面，对于风机水泵、电力的牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、加热、电焊、化工、点解等14个方面的调查，潜在的节电量大约是1990年的全国发电总量的16%[2]，因此发扬应用型的电力电子技术成为节能的一项重要的战略举措，一般的节能效率能够达到10%-14%[2]，我国已经把很多装置并入节能的应用项目中。
（2）改造传统产业以及推广机电一体化等新兴的产业。
根据发达国家的预计，往后会有95%[2]的电能需经过电力电子的加工后再使用，即工业和全国的各类的机电仪器中，会有95%[2]和电力电子的产业相关，主要是，电力电子是弱电操控强电的媒体，也成为机电设备跟计算机的关键接口，它为传统的产业及新兴的产业选用微电子技术提供了有利条件，成为了发展计算机作用的保障和基础[2]。
（3）电力电子技术中高频化以及变频技术的发展，将会使机电仪器突破传统，朝向高频化的目标发展。
能够实现最佳工作效率，将会使机电仪器的体积可以减小几倍甚至几十倍，响应速度也达到高速化，并可以适应任何基准信号，实现无噪音而且具有全新的功能及用途。
例如在交-直-交变频器的直流环节选用了大电感当作储能元件，无功功率将会由大电感进行缓冲，其一个突出的优点就是当电动机处在制动的状态下时，只需要改变网侧中可控整流器件的电压的极性即能够把反馈到直流侧的再生电能便捷地反馈到电网中，组成的系统拥有四象限运行的能力，能够用于频繁的加减速于单机的应用场合，其中在大容量的风机调速中也得到了应用。
近几年来，随着电力电子技术、计算机技术的迅速发展，交流传动及控制技术也成为如今发展最快速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史性的革命，其发展的趋势即交流调速将代替直流调速以及计算机控制技术将代替模拟控制技术。
（4）电力电子的智能化的进展，在某种程度上是将信息处理和功率处理合一，并使微电子技术和电子技术一体化，其发展有能力引起电子技术的重大革新。
甚至有人提出，电子学的下一项重要改革将会发生在以工业设备以及电网为目标的电子技术的应用领域，电力电子技术将把人们领到第二次电子革命的边缘[2]。
1.2课题的设计内容
课题单相交-直-交变频电路的设计主要分为主电路和控制电路，其中主电路可以分为整流电路、滤波电路和单相桥式PWM逆变电路，而逆变部分需要用到控制电路，控制电路则分为控制电路、驱动电路和保护电路。
课题的整流部分选用不可控的桥式整流；滤波部分选用LC低通滤波，并得到高频率的正弦波交流输出；逆变部分选用四个IGBT管构成的单相桥式逆变电路。
控制电路需要以单片集成函数发生器ICL8038为核心设计，通过生成两路PWM信号来分别控制两对IGBT管；驱动电路是选用具有电气隔离的集成驱动芯片M57962L；保护电路选用双D触发器CD4013。
最后用MATLAB软件仿真出设计的电路，其中对纯电阻负载以及电阻电感负载分别进行数据和波形的分析，并采取相关措施使最后输出的波形接近正弦波。
章节安排
第一章：
绪论
第二章：
课题的方案设计
第三章：
逆变部分的设计
第四章：
MATLAB的简介及仿真
第五章：
总结与展望
第2章单相交-直-交变频电路的总体设计
2.1总体框图
单相交-直-交变频电路首先是将单相交流电源通过整流滤波得到直流电，再用控制逆变电路将直流电转换成某个频率的交流电。
PWM逆变是最为常见的一种控制方法，本设计采用PWM的正弦波脉宽调制，可以改变调制频率来实现交-直-交变频的目的。
PWM控制的方法可以分为三种，即调制法、计算法以及跟踪控制法。
其中调制法是也是最为常见的一类方法，也是最基本的一类方法。
在调制法中最普遍的是通过三角载波与正弦信号波进行比较来调制方法，其可分为单极性调制与双极性调制。
而本设计是单相桥式逆变既可以选用单极性调制也可以选用双极性调制。
在本设计中，采用了双极性PWM调制技术。
整流部分采用不可控制整流电路，滤波部分则采选用LC低通滤波电路，滤除整流中的高次谐波，获得高频率的正弦波交流输出。
逆变部分是由四只IGBT管构成单相桥式逆变电路。
总体方案框图如图2-1所示。
图2-1总体框图
图中各部分功能如下：
整流电路：
把交流电源转换成直流电源。
其中一部分为电路提供电源。
滤波电路：
滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
逆变电路：
逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
控制电路：
控制电路是为逆变电路产生SPWM信号。
驱动电路：
驱动电路是控制电路和主电路的中间环节，其主要任务是将控制电路产生的SPWM信号转化为驱动信号，它可以完成电气隔离的功能。
2.2总电路设计
2.2.1主电路原理图
图2-2主电路
如图2-2所示，主电路是由整流电路、滤波电路以及逆变电路构成的。
交直流变换部分电路采用不可控整流电路，输入的交流电源通过变压器和桥式整流电路转化为直流电，滤波电路部分采用电感和电容的滤波，逆变部分则选用四只IGBT管构成的单相桥式逆变电路，输出电流经LC低通滤波器，滤去高次谐波，获得频率和电压都可调的交流电输出。
2.2.2整流电路
整流电路的主要功用是把交流电源转变成直流电源。
整流电路一般情况下都是独立的一个整流模块。
大部分的整流电路是由变压器、整流主电路以及滤波器等电路组成，主电路中大多用硅整流二极管以及晶闸管组成，滤波电路接在主电路跟负载之间，作用是滤除脉动的直流电压中的交流部分，变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是为了满足交流输入电压与直流输出电压之间的相互匹配以及交流电网和整流电路间的电隔[3]。
此部分的电路结构简单、操作可靠,其性能也满足课题的需要，因而采用桥式整流电路。
其主要的作用是将固定电压和频率的交流电能整流成直流电能。
单相桥式整流原理
本设计采用单相桥式不可控电路，也就是采用电力二极管。
桥式整流电路如图2-3所示，主要是由电源变压器、四只电力二极管D1~4以及负载电阻RL组合而成。
四只整流的二极管组接成电桥的形式，故称桥式整流[3]。
桥式整流电路的基本工作原理：
当在u2的正半周时，D1和D3导通，D2和D4截止，电流的方向为D1-RL-D3，在负载RL上获得了一半的波整流电压。
当在u2的负半周时，D1和D3截止，D2和D4导通，电流的方向为D2-RL-D4，在负载RL上获得了另一半波整流电压。
因此就可以在负载RL上得到一个跟全波整流相同的电压波形，其电流的计算和全波整流计算相同，即UL=0.9U2IR=0.9U2/RL。
流经过每个整流二极管的平均电流是：
ID=IL/2=0.45U2/RL,每一个整流二极管所能承受的最高的反向电压为：
Urm=1.414U2。
图2-3桥式整流电路
除此之外，整个电路还需要用辅助正负5V的电源，所以通过降压，整流和滤波，稳压获得了稳定的正负5V电压，经过交流电源转变为直流电源后，电路都会有电压的波动，为了抑制其中的电压波动，选用简单的电容滤波。
整流滤波后一般都是有独立的整流稳压模块来进行稳压的，电路如下图2-4所示。
图2-4整流滤波电路和辅助电源
2.2.3滤波电路
滤波电路的原理以及作用：
滤波电路通常用以滤掉整流输出电压中的一些纹波，通常情况下是由阻抗元件组成，比方在电阻的两端可以并联电容器C，或和电阻串联电感L，以及把电容和电感组合成的复式的滤波电路。
对于电源的滤波是无源滤波，通常选用LC滤波，即电感和电容组合而成的滤波电路。
经过交流电源转换成直流电源后，电路会有电压的波动，为了抑制电压的波动，选用简单的电容滤波。
如果流过电感线圈的电流发生变化的时候，电感中将产生感生电动势来阻碍电流的变化。
当流过电感的电流变大的时候，电感线圈所产生的自感电动势的方向跟电流相反，妨碍了电流增加，于此同时把一部分的电能转换成了磁场能存储在电感中；而当经过电感的电流变小的时候，自感电动势跟电流的方向相同，妨碍了电流地减小，相反则放出储存的能量，来补偿电流的损失。
因此经过电感滤波以后，不仅负载电流和电压减小了，波形也变得平滑，并且二极管导通角也随之增大了，电感没变的状态之下，倘若负载电阻变小，则输出电压的分量也会变小。
因此只有在RL>>
L的时候才能得到较优的滤波效果。
此外，在滤波电感电动势的作用下，能够使二极管的导通角比较接近
，减弱了电流对二极管的冲击，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。
2.2.4逆变电路
逆变电路以及整流电路刚好相反，逆变电路即把直流电压转变为可控频率的交流电压。
逆变电路把低电压转变为高电压，把直流电能转变成交流电能的电路。
逆变电路也是常用变频器件的重要部件之一，起到十分关键的作用。
其中最基础作用是通过控制电路的作用把直流电路的直流电能转换为频率和电压都可调节的交流电源，把直流电能转化成交流电能的变换电路。
本设计中的逆变部分，选用单相桥式逆变电路，PWM控制技术，输出电压的大小及频率都可以通过PWM控制进行调节。
脉宽调制原理
脉宽调制技术：
通过对于一系列脉冲的宽度的调制，来得到等效的所需要的波形（包括形状和幅值）。
PWM控制的方式可分为三类，即调制法、计算法与跟踪控制法。
三类中,调制法是最为常见的也是最基本的一类方式，而调制法之中最基本的方法是利用三角载波和正弦信号波来比较的调制方法，可以分为单极性调制调制和双极性调制调制。
本设计采用的单相桥式逆变电路既可以选用单极性调制的方法，也可以选用双极性调制的方法。
本设计采用的双极性PWM调制技术。
以下是双极性PWM调制的原理。
调制法原理（如图2-5所示）：
将输出的波形作为调制信号，进行调制来得到所期望的PWM波；通常采用等腰三角形或者锯齿波作当作载波；等腰三角形作为载波使用的最多，它任意一点的水平宽度与高度都成线性的关系并且左右相互对称；和任何一个均滑变化的信号调制波相交，在两波的交点处控制器件的通断，就可以获得宽度与信号波的幅值成正比的脉冲。
若调制信号波为正弦波，所获得的即为SPWM波；调制波不为正弦波，而是其他所需要的波形时，也可以获得等效果的PWM波。
通过结合IGBT单相桥式的电压型逆变电路对调制法来进行说明：
假设负载为电阻电感负载，工作时V1和V2的通断互补，V3和V4的通断也是互补的。
其控制规律为：
当输出电压u0正半周时，保持V1为通态，V2保持断态，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周时，电流有一段的区间为正，一段区间的电流为负。
当负载电流为正的区间时，V1和V4导通，负载电压u0等于直流电压Ud；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，u0=0。
在负载电流为负的区间，仍然为V1和V4导通时，因i0为负，故i0实际上从VD1和VD4流过，仍有u0=Ud；V4关断，V3开通后，i0从V3和VD1续流，u0=0。
这样，u0可以得到Ud和零两种电平。
同样，当在u0的负半周时，V2保持通态状态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压u0能够获到-Ud和零两种电平。
图2-5单相桥式PWM逆变电路
单极性PWM的控制方法如图2-6所示。
选用单极性PWM调制技术时，在u
和u
交点的时刻控制IGBT的通断。
当在ur的正半周时，保持V1通态，保持V2断态，当uc＜ur时使V4导通，V3关断，u0=Ud；当uc＞ur时使V4关断，V3导通，u0=0。
当在ur负半周时，保持V1断态，保持V2通态，当uc＞ur时，将V4关断，V3导通，u0=-Ud；当uc＜ur时，将V4导通，V3关断,u0=0。
双极性PWM控制原理示意图如图2-7所示。
选用双极性的PWM调制技术的时候，是为了获到的正弦交流输出波形作为信号波，把三角波当作载波，使信号波和载波进行相互的比较，当信号波和载波相交的时刻控制各个开关的通断。
信号波的一个周期内，载波是有正有负的，调制出来的输出波形同样也是有正有负的，其输出的波形分为两种电平。
信号波用ur代表，载波用uc来表示。
当uc＜ur的时候，施加开通驱动信号给V1、V4，施加关断驱动信号给V2、V3，此刻如果i0＞0，则V1、V4保持开通，如果i0＜0,则VD1、VD4保持开通，不过其输出电压均为u0=Ud。
相反，则V2、V3或VD2、VD3保持开通，而u0=-Ud。
图中，u0f是输出电压u0的基波分量[3]。
图2-6单极性PWM控制方法波形图2-7双极性PWM控制方法波
第3章逆变部分的电路组成
课题采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。
设计电路由三部分组成：
即主电路, 驱动电路和控制电路。
交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。
输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波（基波）交流输出。
3.1主电路
主电路如图3-1所示，采用单相桥式逆变电路,共用到4个开关器件,采用了目前应用最多的全控型电力电子器件之一的IGBT。
IGBT管的工作原理：
IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。
当栅极施加以正电压的时候，在MOSFET中出现沟道，而且还给PNP晶体管创造了基极电流，促使IGBT产生导通。
此刻从N+区流入N-区的空穴（少子）对N-区形成了电导调制，使Ⅳ区的电阻R减小，令阻断电压高的IGBT管也拥有了较低的通态压降。
当在栅极上加以负电压的时候，MOSFET中的沟道就消失了，PNP晶体管基极的电流就会被切断，IGBT管也就是被关断了。
在IGBT管导通了以后，如果把栅极的电压忽然降到零，那么沟道就消失了，流过沟道的电子电流就变为零，集电极电流就会有降低，但是因为N-区中流入了大部分的电子以及空穴对，因此集电极的电流不可能立即变为零，会有一个拖尾的时间。
IGBT管的驱动方法和MOSFET基本相同，只需要控制输入极N-沟道MOSFET，因此其拥有高输入阻抗特性[4][5]。
图3-1主电路
3.2驱动电路
图3-2驱动电路
驱动电路（如图3-2所示）作为控制电路和主电路的中间环节。
主要任务是将控制电路产生的控制器件通断的信号转化为器件的驱动信号。
它可以完成电气隔离的功能，由于全桥电路的4个IGBT管的驱动信号也不全都是共地的,因此需要与控制信号隔离。
此外,控制电路中电压的等级较低,而在主电路中的电压等级较高,为了避免相互间的干扰,也有必要采用电气隔离。
采用IGBT管专用驱动芯片M57962L，其输入信号电流幅值为16Ma,输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V[5]，其结构引脚图及原理图如图3-3、3-4所示，其输入端接控制电路产生的SPWM信号，输出可用以直接驱动IGBT管。
特点如下：
1）采用快速型的光藕实现电气隔离。
2）波形整形，将控制电路产生的信号转化为控制IGBT通断所需要的驱动信号。
3）具有过流保护功能，通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT是否过流。
过流时IGBT管CE结之间的饱和压降升到某一定值，使8脚输出低电平，在光藕TLP521的输出端OC1呈现高电平，经过流保护电路（如图3-5），使4013的输出Q端呈现低电平，送给控制电路，起到了封锁保护作用。
图3-3集成驱动芯片M57962L引脚图
芯片M57962L内部原理及特性：
M57962L为日本三菱公司生产的主用于IGBT模块的驱动芯片，其内部集成了退饱和、检测以及保护单元等功能，如果发生过流时能够迅速地响应，但慢速地关断IGBT，同时也向外部的电路发出了故障的信号。
芯片输出的正驱动电压是+15V，而负驱动电压是-10V。
其内部的结构示意图如图3-4所示，其是通过光电耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路和门关断电路组成的。
M57962L为N沟道的大功率IGBT模块的驱动芯片，可以驱动600V/400A与1200V/400A的IGBT。
M57962L拥有以下几个特性。
（1）用快速型的光电耦合器来实行电气隔离，适合大约20Hz的高频开关的运动。
光电耦合器的原边已串联限流电阻（约185
），可以把5V电压直接与输入侧直接相连，拥有相对高的输入和输出的隔离度（U=2500V,有效值）。
（2）用双电源的供电方法，来保证IGBT的可靠通断。
若选用双电源驱动方法，它输出的负栅压相对较高。
其中直流电源电压的极值是+18V/-15V，通常用+15V/-10V。
（3）内部设置了短路以及过流保护的电路。
M57962L的过流保护电路是来检测IGBT的饱和降从而判断是否过流，一经发生过流，M57962L就对IGBT实行软关断，同时输出过流的故障信号。
（4）输出端为TTL门电平，对单片机控制较为适用。
信号的传输延迟时间较短，低电平转化为高电平传输的延迟时间和高电平转化为低电平传输的延迟时间均在1.5
以下[6]。
图3-4集成驱动芯片M57962L原理图
保护电路：
图3-5保护电路
4013芯片原理：
如图3-6所示，设电路初始状态均在复位状态，Q1、Q2端均为低电平。
fi信号输入时，由于输入端异或门的作用，其输出还受到了触发器IC2的Q2端的反馈控制（非门F2是增加的一级延迟门，A点波形与Q2相同）。
由于第1个fi时钟脉冲的上升沿的作用，触发器IC1、IC2都发生了翻转。
又因为Q2端的反
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