解析三相PWM逆变器的主电源电路设计
随着电力电子技术的发展， 逆变器的应用已深入到各个领域， 一般均要求逆变器具有高质量的输出波形。逆变器输出波形质量主要包括两个方面， 即稳态精度和动态性能。因此， 研究既具有结构和控制简单， 又具有优良动、静态性能的逆变器控制方案， 一直是电力电子领域研究的热点问题。
随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张， 电能的开发和利用显得更为重要。目前， 国内外都在大力开发新能源， 如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下， 这些新型发电装置输出不稳定的直流电， 不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此， 需要将直流电变换成交流电， 需要时可并入市电电网。这种dc- ac 变换需要逆变技术来完成。因此， 逆变技术在新能源的开发和利用领域有着重要的地位。
脉宽调制逆变技术
1. 1 pwm 的基本原理
1. 1. 1 pwm（ pulse width modulat ion） 脉宽调制型逆变电路定义： 是靠改变脉冲宽度来控制输出电压， 通过改变调制周期来控制其输出频率的电路。
1. 1. 2 脉宽调制的分类： 1、以调制脉冲的极性分，可分为单极性调制和双极性调制两种;2、以载频信号与参考信号频率之间的关系分， 可分为同步调制和异步调制两种。
1. 1. 3 （ pwm） 逆变电路的特点： 可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流， 所以也称为正弦波脉宽调制spwm（ sinuso idal pwm） 。
1. 1. 4 spwm 控制方式： 就是对逆变电路开关器件的通断进行控制， 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲， 用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小， 也可改变输出频率。
1. 2 pwm 电路的调制控制方式
1. 2. 1 载波比的定义： 在pwm 变频电路中，载波频率f c 与调制信号频率f r 之比称为载波比， 即n= f c/ ff 。
1. 2. 2 pwm 逆变电路的控制方式： 根据载波和调制信号波是否同步， 有异步调制和同步调制两种控制方式： 一、异步调制控制方式。当载波比不是3 的整数倍时， 载波与调制信号波就存在不同步的调制。二、同步调制控制方式。在三相逆变电路中当载波比为3 的整数倍时， 载波与调制信号波能同步调制。
主电路的设计
本设计采用ac – dc – ac 方案。采用spwm调制方式。图1 为系统主电路和控制电路框图。交流输入电压经过不控整流后得到一个直流电压， 再经过全桥逆变电路得到交流输出电压。为保证系统可靠运行， 防止主电路对控制电路的干扰， 采用主、控电路完全隔离的方法， 即驱动信号用光耦隔离， 反馈信号用变压器隔离， 辅助电源用变压器隔离。
2. 1 整流电路的设计
本设计运用的是三相桥式不可控整流电路。在交- 直- 交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中， 大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直接电源， 供后级的变换器、逆变器等使用。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管， 故也称这类电路为二极管整流电路。其电路图如下所示：
经计算二极管应选择hfa70nh60 额定电压600v， 额定电流70a （ 快恢复型） 。
2. 2 逆变电路的设计
逆变与整流相对应， 是将直流电变成交流电。交流侧接电网， 为有源逆变。交流侧接负载， 为无源逆变。
本设计逆变电路采用电压型三相桥式逆变电路， 其原理图如图3 所示。
逆变电路中的开关器件均选用全控型器件--igbt.igbt 是mosfet 与gtr 的复合器件， 因此它具有工作速度快、输入阻抗大、驱动电路简单、控制电路简单、工作频率较高、元件容量大等多项优点。
本设计中所选igbt 管额定电压为600v， 额定电流约为20a ， 所以， 应选取六只600v， 20a 的igbt管。igbt 管型号为： irgbc40f 额定电压600v， 额定电流27a 。
逆变电路中， 6 个二极管有限制过电压的作用，对igbt 管进行保护。由于二极管和igbt 管的电压和电流几乎相等。所以选取二极管的型号为：hfa 70nh60 额定电压600v， 额定电流70a（ 快恢复型） 。
2. 3 输出滤波电路设计
lc 滤波器的-般形式是一个由lc 组成的无源网络， 其工作原理是串联的lc 电路在基频下呈串联谐振状态。在理想状态下， 对基波不产生压降，对高次谐波则是高阻抗， 抑制高次谐波电流。
经计算， 取电感的电感值为： l2= 0. 48mh取电容的电容值为： c2= 664uf
2. 4 驱动电路的设计
驱动电路是将控制电路产生的pwm 信号加以隔离、放大， 形成驱动各开关器件开关动作信号的电路。它将逻辑电平的控制电路与可驱动6 个igbt 的高/ 低侧开关电路相连接。由于驱动电路的选取因开关器件的不同而异， 而本课题选用的开关器件是igbt，它是电压驱动型开关器件， 所以我们选择了美国ir （ internat io nal rect ifier ） 公司生产的型号为ir2130 的6 路快速igbt 驱动芯片。
ir2130 的外部电路图如图4 所示， 图中c25为电源滤波电容， c24为过流检测电容， 其大小直接影响着保护是否灵敏， 选择不当将导致igbt 冲出安全工作区而损坏。c21 ， c22 ， c23 为逆变器上桥臂产生悬浮电源的自举电容， 它们影响着这三只功率管的正常工作。r27~r30， p2 为过流检测电阻， 只要改变p2的大小， 就可调接电流保护值的大小。r21~r26 为igbt的栅极电阻。d1~d6 选用快恢复二极管。
2. 5 控制电路设计
控制电路采用集成脉宽调制电路芯片sg3524.sg3524 与正弦函数发生芯icl8038 连接来产生spwm波， 控制全桥逆变电路。
按照sg3524 的工作原理， 要得到spwm 波， 必须得到一个正弦波， 将它加到sg3524 内部， 并与锯齿波比较， 就可得到正弦脉宽调制波。
如图5 示正弦波电压由函数发生器icl8038 产生。正弦波的频率由r2、r3 和c1 来决定， 1. 15/ （ r2+r3 ） c1， 为了调试方便， 我们将r2、r3 都用可调电阻，r1 是用来调整正弦波失真度用的。当时f= 50hz， r2+ r3= 10kω ， 其中c1= 2. 2uf.正弦pwm 波ue 信号产生后， 输入到sg3524 的1 号脚， 正弦波和锯齿波在sg3524 内部的比较器进行比较产生spwm 波。
总结
本文主要实现了三相pwm 逆变器主电路设计， 包括整流电路、滤波电路、逆变器、驱动电路和控制电路设计， 完成了相关器件的选型， 基本实现了ac- dc- ac 转换功能。
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1. 1 pwm 的基本原理
1. 1. 1 pwm（ pulse width modulat ion） 脉宽调制型逆变电路定义： 是靠改变脉冲宽度来控制输出电压， 通过改变调制周期来控制其输出频率的电路。
1. 1. 2 脉宽调制的分类： 1、以调制脉冲的极性分，可分为单极性调制和双极性调制两种;2、以载频信号与参考信号频率之间的关系分， 可分为同步调制和异步调制两种。
1. 1. 3 （ pwm） 逆变电路的特点： 可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流， 所以也称为正弦波脉宽调制spwm（ sinuso idal pwm） 。
1. 1. 4 spwm 控制方式： 就是对逆变电路开关器件的通断进行控制， 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲， 用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小， 也可改变输出频率。
1. 2 pwm 电路的调制控制方式
1. 2. 1 载波比的定义： 在pwm 变频电路中，载波频率f c 与调制信号频率f r 之比称为载波比， 即n= f c/ ff 。
1. 2. 2 pwm 逆变电路的控制方式： 根据载波和调制信号波是否同步， 有异步调制和同步调制两种控制方式： 一、异步调制控制方式。当载波比不是3 的整数倍时， 载波与调制信号波就存在不同步的调制。二、同步调制控制方式。在三相逆变电路中当载波比为3 的整数倍时， 载波与调制信号波能同步调制。
主电路的设计
本设计采用ac – dc – ac 方案。采用spwm调制方式。图1 为系统主电路和控制电路框图。交流输入电压经过不控整流后得到一个直流电压， 再经过全桥逆变电路得到交流输出电压。为保证系统可靠运行， 防止主电路对控制电路的干扰， 采用主、控电路完全隔离的方法， 即驱动信号用光耦隔离， 反馈信号用变压器隔离， 辅助电源用变压器隔离。
2. 1 整流电路的设计
本设计运用的是三相桥式不可控整流电路。在交- 直- 交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中， 大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直接电源， 供后级的变换器、逆变器等使用。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管， 故也称这类电路为二极管整流电路。其电路图如下所示：
经计算二极管应选择hfa70nh60 额定电压600v， 额定电流70a （ 快恢复型） 。
2. 2 逆变电路的设计
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本设计逆变电路采用电压型三相桥式逆变电路， 其原理图如图3 所示。
逆变电路中的开关器件均选用全控型器件--igbt.igbt 是mosfet 与gtr 的复合器件， 因此它具有工作速度快、输入阻抗大、驱动电路简单、控制电路简单、工作频率较高、元件容量大等多项优点。
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按照sg3524 的工作原理， 要得到spwm 波， 必须得到一个正弦波， 将它加到sg3524 内部， 并与锯齿波比较， 就可得到正弦脉宽调制波。
如图5 示正弦波电压由函数发生器icl8038 产生。正弦波的频率由r2、r3 和c1 来决定， 1. 15/ （ r2+r3 ） c1， 为了调试方便， 我们将r2、r3 都用可调电阻，r1 是用来调整正弦波失真度用的。当时f= 50hz， r2+ r3= 10kω ， 其中c1= 2. 2uf.正弦pwm 波ue 信号产生后， 输入到sg3524 的1 号脚， 正弦波和锯齿波在sg3524 内部的比较器进行比较产生spwm 波。
总结
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