正弦波逆变器的课程设计讲解.docx
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正弦波逆变器的课程设计讲解
目录1
第一章绪论2
1.1正余弦波逆变器的概念2
1.2正余弦波逆变器的发展历史2
1.2.1概述2
1.2.2正余弦波逆变器器件概述3
第二章正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理4
2.1可关断晶体管（GTO）4
2.2电力晶体管（GTR）5
2.3功率场效应晶体管（PowerMOSFE）6
2.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）7
2.5小结8
第三章正弦波逆变器设计总体思路9
3.1总体框架图9
3.2局部电路9
3.21电压型逆变器9
3.22电流型逆变器10
3.3正弦脉宽调制逆变器11
3.31PWM逆变电路及其工作原理11
3.32总控制电路13
3.33控制局部电路15
第四章SPWM逆变器的应用16
4.1SPWM逆变器的概况16
4.2SPWM逆变器的应用场合16
总结17
参考文献17
绪论
第一章
1・1正弦波逆变器的概念
所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置。
其作用是通过半导体功率开关器件（例如GTO,GTR,功率MOSFET和IGBT等）的开通和关断作用，把直流电能换成交流电能，它是一种电能变换装置逆变器。
特别是弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源。
逆变器的负载多半是感性负载。
为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。
因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器，即
它既可以把直流电能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功电能反馈回直流电源。
1・2弦波逆变器的发展历史
1・21概述
逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。
1948年，美国西屋电气公司用汞弧整流器制成了3000HZ的感应加热用逆变器。
1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。
1956年，第
一只晶体管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。
在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。
首先出现的是SCR电压型逆变器。
1961年，B.D.Bedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。
1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。
1962年，A.Kernick提出了“谐波中和消除法”，即后来常用的“多重叠加法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。
1963年，F.GTurnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。
20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。
80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管PowerMOSFET、绝缘门极晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT，及MOS晶体管MGT等。
这就是、使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。
在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷。
特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。
1964年，由A.Schonung和H.Stemmler提出的、把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术（Sinusoida-PWM，简称SPWM），由于当时开关器件的速度慢而未得到推广。
直到1975年才由Bristol大学的S.R.Bowse等
把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展，也使正弦波逆变技术达到了一个新高度。
此后，各种不同的PWM技术相继出现，例如注入三次谐波的PWM、空间相量调制（SVM）、随机PWM、电流滞环PWM等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。
至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。
1.22正余弦波逆变器的器件概述
电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。
目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具
有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。
IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。
它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。
尽管IGBT模块在
大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要
失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外，绝缘材料的缺陷也
是一个问题。
随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。
对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：
一是稳态精度高；二是
动态性能好。
因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。
在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。
第二章正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理
2.1可关断晶体管（GTO）
可关断晶闸管GTO（GateTurn-OffThyristor）亦称门控晶闸管。
其主要
特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。
普通晶闸管（SCR）靠门
极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。
欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。
这就需要增加换向电路不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。
可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。
GTO的容量及使用寿命
均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。
目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。
大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
GTO是一种PNPN四层结构的半导体器件，它的结构，等效电路图及
图形符号示于图2.1-1中
C2
■'K
图2.1-1
图中A、G和K分别表示GTO的阳极，门极和阴极。
a1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，a2为MP2"晶体管的共基极电流放大系数，图中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常a1比a2小,即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数a1+a2稍大于己于1,器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
2.2电力晶体管（GTR）
电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，由于其功率非常大，所以，它又被称作为巨型晶体管，简称GTR。
GTR是由三层半导体材料两个PN结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP，也可以是NPN。
大多数双极型功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上，用外延生长法在N+上生长一层N漂移层，然后在漂移层上扩散P基区，接着扩散N+发射区，因之称为三重扩散。
基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。
在逆变电路中，GTR都工作在共发射极状态，其输出特性曲线是指集
电极电流IC和电压VCE以及基极电流Ib之间的关系，如图2.2-1所示。
用Vces表示，它比GTO和VMOSFET要低。
V
当Vce增加到一定值时，即使IB不增加，lc也会增加，这时的Vce就是GTR的一次击穿电压。
如果VCE继续增加，IC也增加，由于GTR具有负阻特性，当
结温上升时，lc更大。
由于整个管芯的导电不可能绝对均匀，大的lc会产生集中热点，从而发生雪崩击穿，lc骤增。
这时候，即使降低Vce也无济于事，高速增
长的热量无法散出，在很短时间内（几微秒甚至几纳秒）便使GTR被永远地烧坏。
这就是GTR的二次击穿现象，它是GTR最致命的弱点，也是限制GTR发
展和进一步推广应用的最重要的原因之一。
电力晶体管GTR大多作功率开关使
用，所以，要求它要有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。
但由于电力晶体管的功率损耗大、工作电流大，因此它存在着诸如基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等特点和问题。
2.3功率场效应晶体管（PowerMOSFE）
功率场效应晶体管简称功率MOSFET它是一种以晶体管原理为基础，将微电子技术的发展成果应用到电力电子领域中的单极型的电压控制器件，不但有自
关断能力，而且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点。
在这里以VDMOSFET例，来大致介绍一下功率MOSFE的结构和工作理。
栅（G
漏（DN沟道P沟道
图2.3-1
图231（a）是VDMOSFE中一个单元的截面图，它是在电阻率很地的重掺杂N+
衬底上生长一层漂移层N,该层的厚度和杂质浓度决定了器件的正向阻断能力。
然后在漂移层上再生长一层很薄的栅极氧化物，在氧化物上沉积多晶硅栅极。
在
用光刻法除去一部分氧化物后，进行P区和N+源区双区双扩散，并沉积源极电极。
这样，就形成了N沟道增强型功率MOSFET其电气图形符号如图231（b）所示。
当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区
和N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极之间加一正电压UGS由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。
但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。
当UGS大于某一电压值UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。
近年来，各种功率MOSFET型器件层出不穷。
由于它具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、可靠性强等优点，在应用中取代了许多原来为双极型功率器件所占据的领域。
它的工艺特点决定了它能方便地同其他类型的器件相集成，从而促进了高压功率集成电路HVIC和智能功率集成电路SPIC的实现，推动了电力电子技术的发展。
2.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）
绝缘栅双极晶体管（InsulateGateBipolarTransistor）简称IGBT，是一种新型的电力电子器件。
它是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代GTR的理想开关器件。
从1986年至今，尤其是近几年来IGBT的发展很快，目前已被广泛应用于电视控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速低损耗的许多领域。
现在已经被广泛应用的第三代IGBT通态压降更低、开关速度更快；集成的智能型IGBT功率模块使用更方便、体积更小、保护更可靠，并省去了驱动电路。
从结构上可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图242（a）所示，N沟道IGBT的图形符号如图2.4-2（b）所示。
对于P沟道IGBT，其图形符号中的箭头防线恰好相反。
图中的电阻Rdr是厚基区GTR基区内的扩展电阻。
IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构。
图示器件为N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，GTR为PNP型。
9D
Rdr.7C（D）
r-ar—\PNP
GF"PN—
QRbr\
"SIE（S）
IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。
门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。
当VDS为负时，J3结处于反向偏置状态，类似于反偏二极管，器件呈反向阻断状态。
当VDS为正时，有两种可能：
（1）若门极电压小于开启电压，即VG（2）若门极电压大于开启电压，即VG>VT时，绝缘门极下面的沟道形成，N+区的电子通过沟道进入N-漂移区，漂移到J3结，此时J3记是正向偏置，也向N-区注入空穴，从而在N-区产生电导调制，使器件正向导通。
2.5小结
功率MODFET是单极型电压驱动器件，具有工作速度快、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动电路简单等优点，但是导通电阻大，电流容量较低，阻断电压也低。
GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力强，但是工作速度慢，驱动电流大，控制电路比较复杂。
而IGBT作为功率MOSFET和GTR的复合器件，将它们各自的优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快，应用很广，在各个领域中有取代前述全控型器件的趋势，IGBT已成为当前电力半导体器件发展的重要方向。
第三章正弦波逆变器设计总体思路
3.1总体框架图
3.2局部电路
常用逆变器按照逆变器的直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆
变器和电流型逆变器。
3.21电压型逆变器
理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的值而没有脉动，直流电压波形和电流波形中也不应该产生脉动。
而在实际的逆变电路中，因为逆变器的脉动数等有限制，因而，逆变功率P是脉动的。
当逆变器的逆变功率P的脉动波
形由直流电流来体现时，称为电压型逆变器，如图3.1-1所示，直流电源是恒压
图3.1-1
电压型逆变器的特点是:
（1）直流侧有较大的直流滤波电容Cd当负载功率因数变化时，交流输出电压的波形不变，即交流输出电压波形与负载无关。
交流输出电压的波形，通过逆变开关的动作被直流电源电容上的电压钳位成为方波。
（2）在逆变器中，与逆变开关并联有反馈二极管D1~D6，所以，交流电压与负载无关，是方波。
（3）输出电流的相位随着负载功率因数的变化而变化。
换向是在同桥臂开关管之间进行的。
（4）可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。
（5）可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。
3.22电流型逆变器
当逆变器的逆变功率P的脉动波形由直流电压来体现时，称之为电流
型逆变器，如图3.2-1所示，直流电源是恒压源
LdSa
f匸斗负载
Id<
Sb（
图3.2-1
电流型逆变器的特点是：
（1）直流侧接有较大的滤波电感Ld。
（2）当负载功率因数变化时，交流输出电流的波形不变，即交流输出电流波形与负载无关。
交流输出电流波形，通过逆变开关的动作，被直流电源电感稳流成方波。
（3）在逆变器中，与逆变开关串联的有反向阻断二极管D1~D6，而没有反馈二极管。
所以，在逆变器中必须有释放换相时积蓄在负载电感上的能量的
电路（通常用并联电容吸收这部分能量）。
（4）输出电压的相位，随着负载功率因数的变化而变化。
换向是在两相邻相之间进行的。
（5）可以通过控制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流。
3.3正弦脉宽调制逆变器
3.31PWM逆变电路及其工作原理
PWM的工作原理
把正弦波波形分成N等份，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于n/N,但是幅值不等，且脉冲顶
部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按照正弦规律变化。
如果，把上述脉冲序列用同样的数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和
相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到所需的脉冲序列。
这就是PWM波形。
可以看出，各脉冲的宽度是按照正弦规律变化的。
根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。
对于正弦波形的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
像这种脉冲的宽度按照正弦规律变化而和正弦坡等效的PWM波形，也称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。
在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时只要按照同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。
给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽
度和间隔就可以准确地计算出来。
按照计算结果控制电路中各个开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。
但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值等变化时，结果都要变化。
较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制，得到所期望的PWM波形（如图3.31）所示。
通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的
调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度
正比于信号波幅值的脉冲，这就符合PWM控制的要求。
当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
这种情况使用最广，这里所介绍的PWM控制
只要就是指SP呷控制。
当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效
a?
t
图3.31
PWM逆变电路
在PWM型逆变电路中，使用最多的还是如图4.2-6所示的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都是采用双极性方式。
U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波段Uc,三相调制信号Uru、Urv和Urw的相位依此相差120°。
U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。
当Uru>Uc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压Uun，=Uc/2。
当UruvUc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则Uun，二Ud/2。
V1和V4的驱动信号始终是互补的。
当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性PWM控制时的情况相同。
V相和W相的控制方式和U相相同。
当臂1和臂6导通时，Uuv=Uv，当臂3和臂4导通时，Uuv=-Ud，当臂1和臂3或臂4和臂6导通时，Uuv=0。
因此，逆变器输出线电压由土Ud、0三种电平构成。
3.32总控制电路
逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。
SPWM的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。
它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，我们这里用分立电路组成，如图4.1所示
正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图4.1.1、4.1.2o
R（桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。
图中R1=R2,C1=C2。
其中R1和R2为同轴双联电位器的阻值，C2和C2为波段开关电容的数值。
通过改变R2和C2的值就可以改变输出正弦波的频
RC串并联选频网络
震荡频率f0=1/2nRC
三角波产生电路
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
及其外围电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到IC2去调
制三角波，既可得到SPWM波形。
3.33控制局部电路
放大电路的设计
差分驱动放大电路
因为所设计的控制电路输出的波形信号是比较微弱的。
完全不能直接的驱动IGBT的导通。
所以我们必须要设计一个放大器来对PWM信号进行放大在输出的。
驱动电路的设计
IGBT驱动器接线图
这种驱动器同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱
动器件的容量和开关频率以及输入电流幅度值等参数有所不同。
混合集成驱动器内部具有退饱和和检测和保护环节。
当发生过电流时能快速响应但慢速关断
IGBT，并向外部电路给出故障信号
第四章SPWM逆变器的应用
4.1SPWM逆变器的概况
SPWM正弦脉宽调制法（SinusoidaPWM）是调制波为正弦波、载波为三
角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由ASchonung和HStemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由Bristol大学的S.R.Bower等
于1975年对该项技术正式进行了推广应用。
这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。
它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。
4.2SPWM逆变器的应用场合
单相SPWM正弦脉宽调制通常用于单相交流逆变器和UPS中；三相SPWM正弦脉宽调制主要用于以下几个领域：
（1）交流电动机变频调速系统
三相交流电动机的调压调频（VVVF）调速系统，供给三相异步电动机的三相电流要基本正弦，以减少电机的发热，其主逆变开关电路（三相全桥）要用三相SPWM正弦脉宽调制脉冲来驱动。
（2）三相有源功率因数校正（PFC）
为了提高功率变换器的功率因数，用三相有源PFC电路代替传统的三相可控全波整流电路。
三相有源PFC电路有时要用三相SPWM正弦脉宽调制脉冲来控制。
（3）三相有源逆变系统
为了减少谐波对电网的污染，提高功率因数，可以用三相SPWM正弦脉宽调制脉冲来控制三相有源逆变主开关电路的工作，使得回送到电网上的电流近似正弦。
主要用于交流电动机制动能量回馈系统、电力调节装置等。
（4）三相UPS
用三相SPWM正弦脉宽调制脉冲来控制三相逆变主开关电路，可以将蓄电池中的直流电逆变成三相正弦波电压，供给负载，以减少谐波电压对负载的影响。
总结
电力电子技术从1956年晶闸管问世，电力电子学诞生，至今已经过近
50年的发展历程，目前已基本形成比较完整的理论和体系，并成为因门独立的学科。
尤其是在最近10年，电力电子学获得了突飞猛进的发展，被视为人类社会的第二次电子革命。
通过这两个星期的课程设计，从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。
上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到了它的重要性。
平时上课老师讲的内容感觉都听明白了，但真正到了用的时候却不怎么会用了，经过这次课程设计才知道，要真正学好一门课程，并不是把每一章的内容搞懂就行了，而是要将每一章的内容联系起来，融会贯通，并能够应用到实践中去•通过这次课程设计，我学到了不少新知识、新方法、新观点。
这次设计不但锻炼了我的学习能力、分析问题与解决问题的能力，同时也锻炼了我克服困难的勇气和决心。
逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现在逆变技术是综合了现代电力电子开关器件的应用、现在功率变换、模拟和数字电子技
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