单相交-直-交变频电路的设计及性能研究毕业论文(编辑修改稿)

单相交-直-交变频电路的设计及性能研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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，第 2 章 单相交 直 交变频电路的总体 设计 7 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 25 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 25 单相桥式 PWM 逆变电路 单极性 PWM 的控制方法 如图 26 所示。 选 用单极性 PWM 调制技术时，在uc 和 ur 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。 第 2 章 单相交 直 交变频电路的总体 设计 8 双极性 PWM 控制原理示意图如图 27 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 V V4， 施加关断驱动信号 给 V V3，此刻 如果 i0＞ 0，则 V V4保持 开通，如果 i0＜ 0,则 VD VD4保持 开通， 不过其 输出电压均为 u0=Ud。 相反 ，则 V V3或 VD VD3保持 开通， 而 u0=Ud。 图中， u0f 是输出电压 u0的基波分量 [3]。 图 26 单极性 PWM 控制方法波形 图 27 双极性 PWM 控制方法 波第 3 章 逆变电路的设计 9 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。 主电路 主电路如图 31 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 31 主电路 第 3 章 逆变电路的设计 10 OVCU81314V E E6V C C4V o ut5V R 11V in3GND2+ 9V1+ 24C1G1E1+5OC1M 57 9 6 2LTL P 5 2 1S P WM 1COM 驱动电路 图 32 驱动电路 驱动电路 （如图 32 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 34 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 35），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 33 集成驱动芯片 M57962L 引脚图 第 3 章 逆变电路的设计 11 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 34 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 s 以下 [6]。 图 34 集成驱动芯片 M57962L 原理图 第 3 章 逆变电路的设计 12 O C 1O C 2O C 3O C 4D5Q1C L K3Q2R4S6V C C14GND7+ 5V+ 5VS TOP4 0 13保护电路： 图 35 保护电路 4013芯片原理 ： 如图 36 所示，设电路初始状态均在复位状态， Q 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 IC IC2 都发生了 翻转。 又因为 Q2 端的反馈 的影响会使 异或门输出 了一个非常 窄的正脉冲， 而 两级 的 D 触发器 以及 反相门的延时决定 了其宽度。 若 第 1 个 fi 脉冲下跳 的 时 候 ，异或门 的输出又马上上跳， 将 IC1 触发器又一 次 发生 翻转， 但 IC2 触发器 的 状态不 发生 变 化。 因此在第 1 个 的输入时钟的半个周期以内迫使 IC1 触发器的时钟脉冲 部分 CL1 有 了一个整周期的输入，不过在之后的一个输入时钟的作用之下 ， 因为 IC2 触发器的 Q2 端呈现 高电平， IC1 触发器 时钟 的输入伴 随 着 fi 的 信号 (反相或同相 )。 本来 IC1 触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一个完整周期的脉冲，现在由于异或门及 IC2 触发器 Q2 端的反馈控制作用，在第 1 个 fi 脉冲的作用下得到一个周期的脉冲输出，所以实现了每输入一个半时钟脉冲，在 IC1 触发器的 Q1端取得一个完整周期的输出 [6]。 图 36 双 D 触发器 CD4013 引脚图 第 3 章 逆变电路的设计 13 控制电路 控制电路的工作流程是：信号发生（包括产生信号波和载波）、信号调制、产生 IGBT 的驱动信号 如图 37 所示。 图 38 给出了。