《电力电子技术》课程设计说明书
三相桥式PWM逆变电路的设计
院 、 部： 电气与信息工程 学生姓名： *** 指导教师： 桂友超 职称 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1104班 完成时间： 2014年06月
摘 要
本文设计了一个三相桥式PWM控制的逆变电路。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,如果脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM波形。该设计包括主电路、驱动电路、SPWM信号产生电路、过流保护等方面的设计。该逆变器主电路采用的开关器件是IGBT；如需实物制作，驱动电路可采用现在大功率MOSFET、IGBT专用驱动芯片IR2110；PWM信号产生电路可采用CD4538芯片控制产生。
关键词：三相桥式；主电路；IR2110；CD4538
Abstract
This paper designed a three-phase PWM controlled inverter bridge circuit.
PWM control is on the pulse width modulation technology, if the pulse width changes according to sine law and the sine wave PWM waveform equivalent, also known as SPWM waveform. The design includes the main circuit, driver circuit, SPWM signal generation circuit, over-current protection and other aspects of design. The inverter main circuit uses IGBT; If you need make it real, driver circuit can use high-power MOSFET, IGBT dedicated driver chip IR2110; PWM signal generation circuit controlled by the CD4538 chip produced。
Key words three-phase bridge; main circuit; IR2110; CD4538
目 录
1 绪言............................................................1 2 主电路设计......................................................2 2.1主电路原理图.................................................2 2.2原理分析.....................................................2 2.3参数计算.....................................................3 2.4器件选择.....................................................3 3 控制电路设计....................................................4 3.1电路原理框图.................................................4 3.2电路原理图...................................................4 3.3原理分析.....................................................4 3.4主要器件介绍.................................................5 4 保护电路的设计..................................................6 4.1保护电路的作用...............................................6 4.2电路原理图...................................................6 4.3原理分析.....................................................6 5 仿真分析........................................................7 5.1仿真模型的建立方法...........................................7 5.2仿真电路模型.................................................7 5.3仿真效果图...................................................8 5.4仿真结果分析.................................................9 6 设计总结........................................................10 7 附录............................................................11
1 绪言
1.1学习情况
不知不觉中《电力电子技术》这门课程十来周的课时就结束了，从课余时间做老师布置的作业和前几周考试的情况来看，我对自己对这门课程理论知识的掌握情况还算比较满意。虽然不是说老师讲过的重点都掌握的很好，但是起码有了一个初步的了解和一点自己的理解，我觉得能做到这样也还不错。
1.2对设计内容的掌握情况
至于三相桥式逆变电路，我感觉自己掌握得不够好，其实应该说对所有三相的电路掌握都不如单相的电路来的好，当然这和自己电路,数电和模电等课程没有学好有一定的关系，因为这方面的基础没打好，学起来感觉就相对吃力些。不过，我会把跟课程设计有关的内容好好复习一下，实在不懂的地方可以上网查阅资料，请教老师和同学。
1.3设计任务
对三相桥式PWM逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直流电压为100 V。三相阻感负载，负载中R=2 ,L=1mH，要求频率范围：30Hz～60Hz，电压在30~50V范围可调。
理论设计：了解掌握三相桥式PWM逆变电路的工作原理，设计三相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路。包括： （1）IGBT相关参数的计算和器件的选择; （2）驱动和保护电路的设计;
（3）画出主电路原理图和控制原理图。
仿真试验：利用MATLAB仿真软件对三相桥式PWM逆变电路的主电路及控制电路进行仿真建模，并进行仿真试验。
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2 主电路设计
2.1 电路原理图
图1 主电路原理图
2.2原理分析
由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。
这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。
从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(Modulation Wave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。
2.3参数计算
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根据设计要求有Id =Ud/R=50A，所以可以算得基波电流有效值为 I01 = 0.9Id =0.9×50=45A；本设计选择的开关器件为IGBT，则IGBT的额定电流为：IN =(1.5~2) ×45/1.57=(42.99~57.32)A；
若取Ud= 100V,所以有IGBT的额定电压为UN = (2~3) ×√2Ud =(282.84~ 424.26)V,所以，在选择IGBT（开关器件）的时候，只要满足以上额定电压和额定电流的范围均可。
2.4器件选择
IGBT选择BSM75GB60DLC,其最高耐压为600V，最大电流为75A，满足设计要求。
除此之外，根据要求，电压源为100V，由于其价格贵重，不予考虑选择其具体型号；所用的电阻R=2Ω,具体型号可选择2.2Ω的任意一种；电感为1mH，选择0204 0307 0410 0510。
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3 控制电路设计
3.1电路原理框图
图2 控制电路原理框图
3.2电路原理图
图3 控制电路原理图
3.3原理分析
据自然采样法，三个互差120o的正弦波与高频三角载波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥臂IGBT的导通与关断。这样产生的六路SPWM波分别控制六个IGBT的通断，从而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。原理图中的三角载波用S函数产生。
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3.4主要器件介绍
美国 IR 公司生产的IR2110 驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。
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4 保护电路设计
4.1保护电路的作用
电力电子电路中设置保护电路主要是防止电路中电力电子器件的损毁。
4.2电路原理图
图4 过流保护电路
图5 过电压保护电路
4.3原理分析
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。通常采用的保护措施有：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。综合本次设计电路的特点，采用快速熔断器，即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。如图4电流保护电路所示。对于所选的保险丝，遵从t2I值小于晶闸管的允许t2I值。
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。本设计主要用于室内，为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。根据以上产生过电压的的各种原因，设计相应的保护电路。如图5过电压保护电路所示。其中：图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制，当电压过高时，保护电路中的电容会阻碍其电压的上升，从而防止电子器件IGBT管因电压的过高厄尔损坏。图5中的电阻可以是1KΩ左右的电阻，而电容的值可以为100µF左右，这样形成一个保护电路。
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5 仿真分析
5.1仿真模型的建立方法
本次课程设计我采用的是MATLAB进行仿真，整个三相桥式PWM逆变电路的设计分为两块——主电路部分和控制电路部分。据图1主电路原理图，在Simulink中搭建系统主电路如图6所示。主要用到了simpower systems工具箱和Simulink工具箱。图中的逆变主电路用Universal Bridge 则更加简单。图中的变压器起到隔离作用，使得SPWM波和负载波形同时能测取。
5.2仿真电路模型
图6 主电路仿真图
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图7 驱动电路仿真图
5.3仿真效果图
产生频率为30HZ时的实验：
图8 30Hz仿真结果图
产生频率为50HZ时的实验：
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图9 50Hz仿真结果图
5.4仿真结果分析
从图6第五路波形可以看出，系统输出正弦波周期为0.033s左右，即输出频率约为30HZ。同理，从图7第五路波形可以看出，系统输出正弦波周期为0.02s左右，即频率约为50Hz。图6和图7中，前三路波形分别为uUN’ ，uVN’ ，uWN’ 。第四路为没有滤波前的uVW，第五路为滤波后的uVW。
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6 设计总结
回顾此次电力电子技术课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没不到的知识。在设计的过程中遇到很多问题，甚至可以说是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到各种各样的问题，比如有时候被一些看似微不足道，细节上的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法，而且自己看起来挺好的设计在实践下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，自己认为学了没用的课程现在也用到了。比如《MATLAB在自动控制中的应用》这门课程，看起来不是很有用的东西现在却都多多少少的集中在一块儿了。
所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：温故而知新。课程设计开始的时候思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我此时深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向老师和同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。
思路即出路。当初没有思路，感觉就是不知怎么下手，也不知道从哪里下手，在对理论知识梳理掌握之后，可谓是茅塞顿开。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习。它培养了我们严谨科学的思维，通过它架起了理论与实践的桥梁，加强和巩固了所学的知识，加深对理论知识的理解；培养了文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；培养了综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；培养了综合运用知识的能力和工程设计能力；培养了运用仿真软件的能力和方法；也培养了论文写作水平。
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7 附录
系统总图：
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