交-直-交PWM变频电源的设计

《电力电子技术》是普通高等工科学校电气自动化专业和电气技术专业的主要课程，而本次电力电子技术课程设计是在学习完《电力电子技术》这门课程后一个重要性的实践性教学环节，通过把理论知识运用于实践，加深对这门课程的理解和掌握其精髓，通过实践巩固理论知识，实现理论与实践的完美结合，为今后解决实际问题打下坚实的基础。同时也加强实践意识，培养迅速把理论知识运用于实践的能力。

在《电力电子技术》理论课程中，我们学习了电力电子器件，整流电路，直流斩波电路，交流电力控制电路，交交变频电路，逆变电路，PWM控制技术，软开关技术，组合变流电路等方面的知识。通过该课程设计可以进一步对所学知识的掌握，了解各种变流电路的基本原理和设计方法，培养独立分析问题和解决问题的能力。并对电力电子的相关常识得到了解，同时对电力电子技术的各种器件具进行深层次的掌握，训练作为一名电气工程师在各个方面的综合能力，为今后在工作岗位上奠定扎实的基础。

本次课程设计是交-直-交PWM变频电源的设计，根据设计要求，并适当考虑到理论与实际情况的偏差，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确定变频电源方案论证及设计，选择主回路元件，确定驱动电路，保护电路，缓冲电路的设计，采取PWM控制策略，确定逆变变压器的设计等。

在本次课程设计中，先后得到了老师的鼎力帮助，并与本课题同学多次进行商讨，在此表示诚挚的谢意！

本次课程设计涉及面非常广，查阅了大量资料，由于很多方面的知识都是临时去学习，对所查阅的资料的正确性也没有一一考证，另外，这是本人第一次系统性进行电力电子方面课题的设计，限于在此方面知识的欠缺，设计当中不免存在并非最优方案和不完善的地方，因此，错误与疏漏之处再所难免，望老师批评指正。

第一章概论........................................................................................................... - 2 -

1.1设计要求 (2)

1.2设计内容 (2)

第二章变频电源方案论证及设计 ...................................................................... - 3 -

2.1交流-直流部分设计方案 (3)

2.2直流-交流部分设计方案 (4)

第三章主回路元件选择 ...................................................................................... - 5 -

3.1电容滤波的三相不可控整流电路 (6)

3.2双极性调制控制方式的三相桥式PWM电压型逆变电路 (8)

第四章驱动电路设计 .......................................................................................... - 9 -

4.1驱动电路概述 (9)

4.2驱动电路选取 (9)

第五章保护电路设计 ........................................................................................ - 10 -

5.1短路保护 (10)

5.2过电压保护 (11)

第六章缓冲电路设计 ........................................................................................ - 11 -

6.1缓冲电路的作用 (11)

6.2缓冲电路具体设计 (12)

第七章 PWM控制策略 ......................................................................................... - 13 -

7.1PWM控制技术简介 (13)

7.2PWM控制策略 (14)

第八章滤波电路设计 ........................................................................................ - 16 -

第九章逆变电压器设计 .................................................................................... - 16 -总结......................................................................................................................... - 17 -参考文献................................................................................................................. - 18 -附录一元件清单 .................................................................................................. - 19 -附录二电路图....................................................................................................... - 20 -

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第一章概论

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝对大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变中的应用，才发展的比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

这次设计的任务是利用PWM技术，设计一台交—直—交变频电源。

1.1 设计要求

输出交流额定相电压220V，额定相电流240A，频率变化范围2-50Hz，其交流输入线电压为380V，电压波动率为±10%。

1.2 设计内容

（1）变频电源方案论证及设计；

（2）主回路元件选择；

（3）驱动电路设计；

（4）保护电路设计；

（5）缓冲电路设计；

（6）PWM控制策略；

（7）滤波电路设计；

（8）逆变变压器设计；

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第二章变频电源方案论证及设计

交-直-交PWM

变频电源方案如下：

图表 1 交-直-交PWM变频电源设计方案

所设计的交-直-交PWM变频电源的总体框图如上所示，其中，各部分如下：2.1 交流-直流部分设计方案

对于AC-DC部分，由于三相交流输入线电压为380V，电压波动率为±10%，

故此采用电容滤波的三相不可控整流电路，电路图如下：

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加入电容C，滤平全波整流后的电压纹波，另外当负载变化时，使直流电压保持平稳，即滤波作用。

2.2直流-交流部分设计方案

对于DC-AC部分，由于指定用PWM控制技术进行逆变，故此采用三相桥式电压型逆变电路，电路图如下：

PWM

图表 3 主电路DC-AC部分

电路中的两个电容即为总体框图中的C a和C b。

2.3 驱动电路设计方案

驱动电路如下：

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图表 4 驱动电路设计

由于本交-直-交PWM变频电源的逆变电路采用三相桥式PWM电压型逆变电路，根据其特点，要求逆变电路中采用全控型电力电子器件，然而电力电子器件中的全控型器件种类较多，有电力MOSFET、GTR、GTO等。其中GR、GTO的关断速度较差，会影响输出波形，效果会很差。而IGBT则综合了电力MOSFET以及GTR的特点，所以本设计中选择IGBT作为逆变电路中的开关器件。从而驱动电路为IGBT的驱动电路。

第三章主回路元件选择

交—直—交变频电源电路主要由两部分组成：交流变直流（U i——U d）为整流部分，采用电容滤波三相桥式不可控整流电路，直流侧用电容进行滤波，可得到平直的中间直流电压；直流变交流（U d——U i）为逆变部分,采用三相桥式PWM

型逆变电路。

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3.1

电容滤波的三相不可控整流电路

图表 5 电容滤波的三相不可控整流电路

1.数量关系：

（1）输出电压平均值

空载时，输出电压平均值最大，为U d=√6U2=2.45U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至wRC=√3进入i d连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为U d=2.34U2。可见，U d在2.34U2到2.45U2之间变化。

（2）电流平均值输出电流平均值I R为

I R=U d/R

与单相电路情况一样，电容电流i C平均值为零，因此，

I d=I R

在一个电源周期中，i d有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为

I VD=I d/3

（3）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为√6U2。

2.器件参数的确定

（1）电容的选定

对于电容滤波的三相不可控整流电路，负载电流存在着连续与不连续的问题，本设计中确定负载电流连续，即满足条件wRC=√3。由于交流输入电源的工频为50HZ，所以w=314rad/s，R取1KΩ（本滤波整流电路右侧为三相桥式PWM 型逆变电路，其输入电阻比较大，故整定本滤波整流电路负载为1 KΩ）。所以，

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电容C=5.516μF。

电容的电压值以及电流值选取：

由于U d在 2.34U2到 2.45U2之间变化，故此电容两端的电压值的范围也为2.34U2到2.45U2之间。因此，可以得到

2.34X（380/√3）V≤U d≤2.45（380/√3）V

514.8V≤U d≤550V

在整个整流过程中，电容的电流平均值为零。

根据上面计算，选择电容参数如下：

型号：铝电解电容 CD71C

品牌：雅斯特

参数：额定电压750V ，

电容值：100UF

（2）二极管的选定

电压值选取

本电容滤波的三相不可控整流电路中各个二极管承受的最大反向电压为√6U2，即537.40V。

选取一定的安全裕量，即取U VD为所承受的最大反向电压的1到2倍

U VD=537.40~1074.8V

电流值选取

I d=I R=U d/R=0.5148A

考虑到安全裕量，取i c=1A

I VD=I d/3=0.1716A

考虑到安全裕量，取i c=0.2A

根据上述计算，所以选择二极管参数如下：

型号：2CP29

峰值电流：0.3A

最大电压：1000V

数量：6

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3.2 双极性调制控制方式的三相桥式PWM电压型逆变电路

相关器件的选择：

（1）IGBT的选择

由于逆变电路直流侧电压为左侧整流电路i d连续时的电压，即U d=2.34U2=514.8V。在IGBT导通时，管压降可忽略不计，电感在充放电的过程中平均电流为零，因此，电路中流过的电流为

I=U d/R=514.8÷1000=0.5148A

考虑一定的裕量，则IGBT的耐流值取I的1.5倍，即0.7722A

IGBT承受的电压为U d/2，即257.4V，考虑一定的裕量，则IGBT的耐压值772.2V。

根据上述计算，选择IGBT参数如下：

型号：GTl53101

最高耐压值：1000V

最高电流值；200A

数量：6个

（2）二极管的选择

二极管承受的电压同为257.4V，考虑一定的裕量，则二极管耐压值取1.5倍，即386.1V；二极管流过的电流为0.5148A，考虑一定的裕量，则二极管耐流值取1.5倍，即0.7722A。

根据上述计算，选择二极管参数如下：

型号：BY550-1000

峰值电流：1A

额定最大电压：1000V

（3）电阻电容电感的选择

选择三个1千欧姆的CF50碳膜电阻器，两个铝电解电容 CD71C，三个SDRH62绕线贴片功率电感。

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- 9 - 第四章 驱动电路设计

4.1 驱动电路概述

IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L 和M57959L ）和富士公司的WXB 系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。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值等参数有所不同。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和监测和保护环节，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。

4.2 驱动电路选取

本设计中采用三菱公司的M57962L 型，其峰值输出电流为5A ，并有短路保护

电路。

图表 6 驱动电路设计

另外，需要选择如下器件：

（1）3个2DW110型稳压二极管型号的稳压二极管，其功率为0.5W，最大钳位压降为47V。

（2）2个ST品牌的ST-LH铝电解电容，其额定容量为47μF，额定电压为400V，耐压值为450V。

（3）1个4.7千欧姆的CF100碳膜电阻器。

第五章保护电路设计

5.1短路保护

利用死区生成电路进行短路保护，其作用是防止逆变桥同一相上下两个桥臂直通而造成短路。电路形式如下：

图表 7 短路保护电路

器件选择：

在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间来决定。这个死区时间将会给输出的PWM波形带来一定影响，使其稍微偏

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离正弦波。

由于死区时间取决于电容的充电时间，而经过滞回比较器输出的信号最大幅值约为5V，低电平为0.5V

根据电容充放电特性U C=U S(1-e-t/RC) U Cmax=5V

令t=7Μs,则两边同时取对数，得出结果为RC=4.3X10-6s，取C=104pF，R=394.6KΩ

所以选择一个50V-104PF-Z瓷片电容，一个394.6 KΩ的CF50碳膜电阻器。

5.2 过电压保护

1、在IGBT中加上缓冲电路，吸收浪涌电压。在缓冲电路的电容器中使用薄膜电容，并配置在IGBT附近，使其吸收高频浪涌电压。具体方案在第六章缓冲电路的设计中将会说明。

2、调整IGBT的驱动电路的-V GE和R G，减小di/dt

3、为了减小主电路和缓冲电路的配线电感，配线要更粗、更短。在配线中使用铜条。另外进行并列平板配线（分层配线），使用配线低电感化将有很大的效果。

第六章缓冲电路设计

6.1 缓冲电路的作用

电力电子器件的缓冲电路(snubber circuit)又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的应用技术中起着重要的作用。

本设计中只设计到全控型器件IGBT，IGBT的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30~50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的Ldi C/dt，从而产生过电压，危及IGBT的安全。

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图2(a)和图2(b)是PWM逆变器中IGBT在关断和开通中的U CE和i c波形。由图2(a)可见，在i c下降过程中IGBT上出现了过电压，其值为电源电压UCC和Ldi c/dt 两者的叠加。

图表 8 逆变器中IGBT关断和开通时的波形

图2(b)为开通时的U CE和i c波形，图中增长极快的i c出现了过电流尖峰i cp，当i cp回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起元件上的过电压而须加以吸收（如图所示）。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使i c出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。

6.2 缓冲电路具体设计

本次用到的IGBT型号为Tl53101，高耐压值为1000V，高电流值为200A，根据情况选择缓冲电路结构如下所示：

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图表 9 缓冲电路设计

如图所示，逆变电路中采用了充放电型RCD缓冲电路。

在无缓冲电路的情况下，逆变电路中的IGBT开通时电流迅速上升，di/dt很

大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。在有冲放型RCD缓冲电路的情况下，开通时缓冲电容先通过R向IGBT放电，使电流先上一个台阶，以后因为有di/dt抑制电路的缘故，电流上升速度减慢。缓冲电路中的电阻和二极管是在IGBT关断时提供放电回路而设置的。

第七章 PWM控制策略

7.1 PWM控制技术简介

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可以把其看成是N个彼此

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相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到PWM 波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。可见，所得到的PWM 和期望得到的正弦波等效，也称为SPWM 。本交-直-交PWM 变频电源的PWM 逆变电路的控制方法采用双极性调制方式。 调制法的特点是：输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM 波;通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波;等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，

就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM 的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM 波；调制信号不是正弦波,而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM 波。

7.2 PWM 控制策略

对于产生PWM 驱动信号的部分，主体框图如下：

图表 10 PWM 控制策略主题框图

本设计中利用三角波发生器所生成的三角波作为载波信号。

三角波发生器电路如下：

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图表 11 三角波发生器电路

比较器电路如下:

选用滞回比较器，因为滞回比较器具有滞回特性，即惯性特性，有一定的抗

干扰能力：

图表 12 比较器电路

死区生成电路的作用主要是是防止逆变桥同一相上下两个桥臂直通而造成短路。其结构和器件已经在第五章保护电路中分析过了，这里不再重复。

第八章滤波电路设计

在主电路AC-DC部分中加入电容C，滤平全波整流后的电压纹波，另外当负载变化时，使直流电压保持平稳，即滤波作用。电路图见主电路部分。

第九章逆变电压器设计

逆变电压器用于将PWM三相逆变电路输出的电压转换为我们所需要的220V 的电源电压，其主要结构如下：

图表 13 逆变变压器结构

由于要求输出交流额定相电压为220V，而逆变电路输出相电压为U1=514.8V，则变压器的匝数比为n=514.8÷220=2.34。

由于逆变变压器是变换SPWM电压波形，其基波成分由2HZ—50HZ,所以选择400HZ的CD型硅钢铁芯。

选择原边和副边电压比为600V/300V，由于副边电压可以根据需要订做，所以选取型号即可，选择SGL9-0.6/0.3型变压器。

另外，逆变变压器副边三相线路分别接一个1ΩCF50碳膜电阻器，一个SDRH62绕线贴片功率电感。

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总结

经过两周的努力，终于做完了这次《电力电子技术》课程设计。这次课程设计历时两个个星期多左右，通过这段时间的学习，发现了自己的很多不足，无论是对知识的理解还是实践能力以及理论联系实际的能力还急需提高。

开始做课程设计时，因为不知从哪下手，就不假思考的照着同学给的模板做，后来发现模板里存在一些问题，于是不得不在一些地方返工。后来就是自己先系统知识，然后自己一步一步脚踏实地的做了。所以一个很深的感触就是，做好一件事情，首先要对这方面的知识系统化，然后在头脑里理清思路，哪里开始，怎样一步步做下去，怎样结束。然后再按这个计划一步步认真做。这样每天做一些东西接近目标的小小成就感，就促使着自己认真做完。

此次设计使我对电力电子技术有了新的认识,更深的了解，基本掌握了基本变流电路的设计。这次设计对我们的锻炼是多方面的，除了对设计过程熟悉外，我们还进一步提高了作图，编辑，各种信息的查阅和分析，也大大的提高了自己的计算能力，及对WORD文档的使用等多方面的进一步的了解。

本次课设应该感谢学院的安排，让我们在学习课本知识的同时，能够有这样良好的机会实践,加深对所学理论知识的理解,掌握工程设计的方法。因为认真对待所以感觉学到了东西。更应该感谢导老师的细心指导，要不然靠我们自己不可能那么顺利完成。通过这次课程设计,我深深懂得要不断的把所学知识学以致用,还需通过自身不断的努力,不断提高自己分析问题,解决问题和编程技术终结报告的能力!

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参考文献

[1]电力电子技术（第四版）.王兆安,黄俊.机械工业出版社.2000

[2]电力电子器件及其应用.李旭葆,赵永健.机械工业出版社.1996

[3]电力电子技术.邵丙衡.中国铁道出版社.1997

[4]现代电力电子技术基础.赵良炳.清华大学出版社.1995

[5]模拟电子技术（修订版）.罗桂娥.中南大学出版社.2003

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附录一元件清单

器件类型器件型号器件数量（个数）

二极管

2CP29 8 2DW110型稳压二极管 1 BY550-1000 6 IN4148二极管 6

电阻器1KΩCF100碳膜电阻器13

1ΩCF100碳膜电阻器 3 4.7KΩCF100碳膜电阻器 1 394.6KΩCF100碳膜电阻

器

1

电容器CD71C铝电解电容 3 ST-LH电解电容 2 100V-104PF-Z 10

IGBT GT153101型IGBT 6 IGBT驱动器三菱M57962L 1 变压器SGL9-0.6/0.3 1

电感器SDRH66绕线贴片电感 6

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