三相恒压恒频桥式逆变器设计.概要

摘要
由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。

在电力电子技术中，PWM （Pulse Width Modulation）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，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，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。

SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。

而这次课程设计的主要目的就是设计1KW三相恒压恒频桥式逆变器，通过运用了Matlab/Simulink和AutoCAD软件对电力系统模块进行分析、设计和计算。

关键词：SPWM 三相逆变器波形
三相恒压恒频桥式逆变器设计
1PWM 技术简介
PWM 又称脉冲宽度调制，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。

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，也可改变逆变输出频率。

PWM 控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）
理论基础: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。

冲量指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同
图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
PWM 波形可等效的各种波形，例如：直流斩波电路可以等效直流波形；PWM 波可以等效正弦波形；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM 控制相同，也基于等效面积原理 。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：⑴正弦半波N 等分，可看成N 个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；⑵用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。

这样就可得到PWM 波形。

由上方法可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化 。

对于正弦波的负半周，也可用同样的方法得到PWM 波形。

像这种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SPWM 波形。

要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

2 SPWM 调制算法
2.1自然采样法
a
b
d
(f
按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，成为自然采样法。

如图2所示
图2 自然采样法原理图
2.2规则采样法
为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则采样法。

其出发点是设法使SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。

这样，图3中的
法。

计算就大大简化了。

图3 规则采样法原理图
2.3双极性正弦波等面积法
H一定是6正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成H个区段，区段数
l
的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差120 ，要从一相正弦波方便地得到其他两
H越大，输出波形越接近正弦波。

在每一个区相，必须把一个周期分成6的整数倍。

l
段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这N个等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。

采用这种方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机
计算时间。

正弦波面积为：
()s2
n n 12s1A=sin cos cos U td t U t t ωωωω=-⎰ 输出频率f 与区段数l H ，每个区段脉冲数N 及脉冲周期()us T 之间的关系：
6110
l f H NT -=。

3 SPWM 逆变电路及其控制方法
SPWM 逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的SPWM 逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。

目前应用最为广泛的是电压型PWM 逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因此，调制法应用最为广泛。

所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号t u ，把接收调制的信号作为载波c u ，通过信号波的调制得到所期望的PWM 波形。

本次课程设计任务要求设计SPWM 三相逆变电路，输出PWM 电压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。

单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式PWM 逆变电路，一般采用双极性控制方式。

（1）如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM 波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。

（2）如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM 波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

图4双极性PWM控制方式
其中：载波比——载波频率f c与调制信号频率f r 之比N，既N = f c / f r 调制度――调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即Ma＝Ar/Ac
同步调制——N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。

1基本同步调制方式，f r 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；
2三相电路中公用一个三角波载波，且取N 为3的整数倍，使三相输出对称；
3为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；
4 f r 很低时，f c 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；
5 f r 很高时，f c 会过高，使开关器件难以承受。

异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。

1通常保持f c 固定不变，当f r 变化时，载波比N 是变化的；
2 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉
冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；
3当f r 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；
4当f r 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。

4 IGBT简介
4.1 IGBT 的基本工艺和原理
绝缘门极双极型晶体管（IGBT ）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。

根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

IGBT 的结构剖面图如图5所示。

它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT 是在N 沟道功率MOSFET 的N+基板（漏极）上增加了一个P+ 基板（IGBT 的集电极），形成PN 结j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET 相似。

图5 IGBT 结构剖面图
由图可以看出，IGBT 相当于一个由MOSFET 驱动的厚基区GTR ， Rdr 是厚基区GTR 的扩展电阻。

IGBT 是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。

4.2 IGBT 的动态特性分析
图6 IGBT 的动态图
10%90%10%90%U I C U G U G EM
U G EM I CM I CM
与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行u CE的下
降过程分为t fv1和t fv2两段。

t fv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；t fv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。

电流下降时间又可分为t fi1和t fi2两段。

t fi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，i C下降较快；t fi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，i C下降较慢IGBT中双
极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，
因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。

4.3 IGBT的特性和参数特点
1）IGBT开关速度快，开关损耗小，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当,无二次击穿现象；
2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力；
3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；
4) 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可
以保持开关频率高;
5) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。

5系统总体设计框图
跟据三相恒压恒频桥式逆变器的具体涉及面要求，系统总体设计框图如图7所示。

图7 系统总体设计框图
6 三相PWM逆变器的工作原理和结构电路
6.1 三相桥式PWM逆变电路
用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。

但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。

采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图8所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。

图8 三相电压型桥式逆变电路
电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点N'。

和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180︒导电方式，即每个桥臂的导电角度为180︒，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120︒。

这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。

可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。

因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。

6.2 逆变器的工作原理
在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3……T6各管的触发信号依次互差60︒。

根据各管的导通时间可以分为180︒导通型和120︒导通型
两种工作方式，在180︒导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180︒，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。

在120︒导通型逆变电路中，各管导通120︒，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60︒的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。

6.3逆变电路的波形和电压分析
以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。

对于U 相输出来说，当桥臂1导通时，2UN d u U '=；当桥臂4导通时，
2UN d u U '
=-。

因此，UN u '的波形是幅值为/2d U 的矩形波。

V 、W 两相的情况和U 相类似，VN u '、WN u '的波形形状和UN u '相同，只是相位依次差120°。

负载线电压可由下式求出：
⎪⎭
⎪⎬⎫-=-=-= UN'WN'WU WN'VN'VW VN'UN'UV u u u u u u u u u
设负载中点N 与直流电源假想中点N '之间的电压为NN u '。

则负载各相的相电压分别为：
⎪⎭
⎪⎬⎫-=-=-=' NN WN'WN NN' VN'VN NN' UN'UN u u u u u u u u u
三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图9所示：
图9 三相电压型桥式逆变电路的工作波形
下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。

把输出线电压 展开成
傅里叶级数得：
1
1
1
sin 5sin 7sin11......)5711UV u t t t t ωωωω=--+
1sin (1)sin k n t n t n ωω⎤
=+-⎥⎣⎦∑
式中，61n k =±，k 为自然数。

输出线电压有效值UV U 为
0.816UV d U U ==
基波幅值1UV m U 和基波有效值1UV U 分别为
1 1.1d
UV m d U U π
=
=
；10.78UV d d U U π
=
=
=
接下来，我们再对负载相电压UN u 进行分析。

把UN u 展开成傅里叶级数得
2111
(sin sin 5sin 7sin11......)5711
d
UN U u t t t t ωωωωπ=
++++ 21
=
sin sinn d n U t t n ωωπ+∑（） 式中，61n k =±，k 为自然数。

负载相电压有效值UN U 为
0.471UN
d U U =
= 基波幅值1UN m U 和基波有效值1UN U 分别为
120.637d
UN m d U U U π
=
=
；10.45UN d U U =
=
7.三相电压源SPWM 逆变器的建模与仿真
7.1三相电压源SPWM 逆变器的建模
图10 SPWM 逆变器的仿真模型
Continuous
pow ergui
v +-
Voltage Measurement2
v +-
Voltage Measurement1
v +
-
Voltage Measurement
g
A
B
C
+
-Universal Bridge
Scope5
Scope4
Scope3
Scope2
Scope1
Scope
signal
rm s
RMS
Pulses
PWM Generator
3Multimeter2
3Multimeter1
3Multimeter
DC Voltage Source
2
1
7.2仿真模型中主要模块的提取路径
多功能桥式整流电路Universal Bridge
Simulink/SimPoweSystem/Power Electronics/Universal Bridge
脉宽调制PWM脉冲发生器
Simulink/SimPoweSystem/Extra Library/Control Blocks/PWM Generator 有效测量模块RMS
Simulink/SimPoweSystem/Measurements/Continuous Measuremants/RMS 7.3主要参数设置
7.3.1 PWM Generator的参数设置
图11 PWM Generator的参数设置
7.3.2 Universal Bridge的参数设置
图12 Universal Bridge的参数设置
7.3.3万用表Multimeter
Multimeter其参数设置如图13所示：
图13 万用表Multimeter Multimeter1其参数设置如下：
图14 Multimeter1其参数设置
Multimeter2的参数设置同Multimeter1设置。

7.3.4其它参数设置
有效值测量模块RMS设置其参数Fundamental frequency（Hz）为50 电压设置为220
阻感性负载R=2，L=0.01.三负载设置相同。

7.4仿真结果
下面是输出交流f=50Hz调制度m=0.8时的仿真曲线
图14逆变器的输出电压波形
图15逆变器输出电流波形
8 总结
经过这次的电力电子课程设计后，我从中学到了很多东西。

在我们学了《电路》、《电力电子技术基础》之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。

在经过独立设计，我成功的完成了本次设计。

对于我个人而言，我熟练的掌握了设计三相恒压恒频逆变电路的一般方法，还进一步熟悉了其原理。

开始拿到课题难免会感到陌生，不过经过自己亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西。

通过这次仿真的确收获了很多，感觉自己对于电力电子技术这门课程有了更加深刻的认识。

因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣在其中。

可以说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在Matlab中进行仿真得到正确的结果。

这个过程是十分繁琐的，也是很锻炼人的。

通过本次课程设计，我学会了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法，也对逆变器和SPWM有了进一步的理解。

在使用Matlab的Simulink进行仿真时，很多时候波形不一定能够快速正确的出现，这个时候就要好好研究其深层次的原理，同时要注意Matlab的仿真的一些细节，例如哪里可以接线哪里不行，电路接不接地，仿真时间的设定，采用自动定标器Autoscale 观察波形等。

这些软件的使用技巧在仿真的时候显得尤为重要。

以后自己一定要多多注重培养自己的实践能力，对于一些常用的软件也要更加努力的学习，以求熟练掌握使用。

参考文献
[1] 王兆安等. 《电力电子技术》. 北京：机械工业出版社，2009
[2] 薛定宇.《基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用》.北京：清华大学出版
社，2006
[3] 陈国呈. 《PWM逆变技术及应用》. 北京：中国电力出版社, 2007
[4] 王志良.电力电子新器件及其应用技术[M].北京:国防工业出版社,1995
[5] 杨荫福,段善旭,朝泽云.电力电子装置及系统[M]．北京：高等教育出版社,2006
[6] 丁浩华.带电流和短路保护的IGBT驱动电路研究[J].电力电子技术,1997。