100W单相交-直-交变频电路
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对于可控器件选择IGBT，IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从N+区注入到N-区的空穴(少子)对N-区进行电导调制，减小Ⅳ区的电阻R，使阻断电压高的IGBT也具有低的通态压降。当栅极上施以负电压时MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。在IGBT导通之后。若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。
[4]控制电路：控制电路为逆变电路产生SPWM信号。
[5]驱动电路：驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节，其主要任务是将控制电路产生的控制器件的SPWM信号转化为器件的驱动信号，它可以完成电气隔离的功能。
主电路设计
主电路由三部分组成，即整流电路、滤波电路和逆变电路，如图2.2所示。
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源，大多数整流电路由变压器、整流电路和滤波电路等组成。整流电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电气隔离。
关键词：整流；滤波；逆变；PWM；IGBT
第1章
电力电子技术
集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式。但是在配电网中，城市居民和商业用户、农村和半城镇区域的负荷具有很大的随机波动性。家用空调随气温变化的无规律启停，降水降雪和大风的无常发生，以及其他不确定因素所引起的负荷变化给配电网的规划、设计和运行带来了巨大的难题和挑战。特别是在我国中西部的偏远地区的农村和一些游牧民族地区，如果采用传统的集中式供电方式，新建配电网络，不仅在技术上实现起来难度非常大，而且在经济效益上也是不可取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，以提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。目前，大电网与分布电网相结合被世界许多电力专家公认为是能够节省投资降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。一般来说，分布式发电指的是通过规模不大、分布在负荷附近的发电设施，为了满足一些特殊用户的需求，经济、高效、可靠的发电系统。近年来，分布式发电技术的研究取得了突破性的进展，分布式发电有望在电能产中占有越来越大的比重，并对传统的电力系统供电方式产生重大的影响。通常这些发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电路就很有必要。
第2章
100W
单相交-直-交变频电路主要是通过整流滤波得到直流电，再通过控制逆变电路将直流电变成某个频率的交流电。根据实验任务要求，对控制电路部分可以采用多种方案，具体方案如下：
方案一：
用可控整流调压、逆变器调频的交-直-交变频器。调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调。由于输入环节采用可控整流，当电压和频率调得较低的时候，晶闸管整流器的控制角较大，电网端的功率因素较低。输出环节较多采用晶闸管组成的逆变器，输出电压的谐波分量较大，一般用于较大功率的变频器。
100303145
学生姓名
王林
专业班级
电气105班
课程设计（论文）题目
100W单相交-直-交变频实验装置
课程设计（论文）任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察及验证单相交-直-交变频的实现方法。
设计任务
1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。
原理：是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器MC14528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。控制原理图如图2.4所示
图2.5双D触发器CD4013的引脚结构图
控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。STOP信号是通过双D触发器CD4013来产生的。具体双D触发器CD4013的结构引脚图如图2.5所示。
本文
本次设计的主要内容是100W单相交-直-交变频电路，为了满足一些特殊要求或者小型分布式发电及其与电网互联。该变频电路由整流电路、滤波电路、逆变电路、驱动电路、保护电路以及控制电路等部分组成。输入单相交流电220V，为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率100W。本文主要讨论了整流电路的设计、滤波电路的设计、逆变电路的设计、驱动电路的设计、保护电路的设计、控制电路的设计以及各部分器件的选择。
芯片ICL8038的引脚结构图如图2.3所示。其主要特点如下：
（1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/℃。
（2）正弦波输出具有低于1%的失真度。
（3）三角波输出具有0．1%高线性度。
（4）具有0.001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。
（5）占空比2%～98%之间任意可调。
控制
控制电路包括三部分，分别是控制电路、驱动电路以及辅助电源电路。
控制电路是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT 关断，起到保护作用。
图2.2主电路
此部分结构简单、工作可靠，其性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。
逆变电路同整流电路相对应，将低电压变为高电压，将直流电压装换为所要频率的交流电压。逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。本设计中的逆变部分,采用单相桥式PWM逆变电路,输出电压的大小及频率均可通过PWM控制进行调节。
（6）高的电平输出范围；从TTL电平至28V。
（7）具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。
（8）易于使用，只需要很少的外部条件。
图2.3芯片ICL8038的引脚结构图
图2.4控制电路
图2.5触发器CD4528的引脚结构图
Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。触发器CD4528的引脚结构图如图2.5所示。
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：100W单相交-直-交变频实验装置
院（系）：电气工程学院
专业班级：电气105班
学 号：100303145
学生姓名：王林
指导教师：（签字）
起止时间：2012-12-31至2013-1-11
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：电气
学 号
指导教师评语及成绩
平时：论文质量：答辩：
总成绩：指导教师签字：
年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
单相交-直-交变频电路在工业生产，生活娱乐，仪器运行等很多方面都有着广泛的应用，其中目前应用最广泛的应属于电网互联。单相交-直-交变频电路可分为主电路和控制电路，其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路，而控制电路包括控制电路、驱动电路和保护电路。本设计对于整流部分采用不可控制整流电路；滤波部分采用LC低通滤波器，得到高频率的正弦波交流输出；逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路。控制电路选用以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制两对IGBT；驱动电路采用了具有电气隔离集成驱动芯片M57962L；保护电路采用双D触发器CD4013。
方案二：
用斩波器调压的交-直-交变频器。整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频。虽然多了一个中间调压环节，但是输入的功率因数提高了。输出仍然采用晶闸管逆变器，所以仍然存在谐波问题。
方案三：
用PWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器。由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就可以解决。用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值。假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。谐波减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。因此，PWM逆变器中很少采用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT 等。同时调频调压都集中在逆变器一侧，控制也简化了。因此，这种结构成为当前中小型交-直-交变频器中普遍采用的一种结构形式。
对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压 的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt 电流引起的误触发等问题。
图2.1 总体方案框图
各部分功能：
[1]整流电路：把交流电源转换成直流电源。其中一部分为电路提供电源。
[2]滤波电路：滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
[3]逆变电路：逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
要求
1、文字在4000字左右。
2、文中的理论分析与计算要正确。
3、文中的图表工整、规范。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源：单相220V。2、为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。3、输出交流电压约45V。4、输出最大电流2A。5最大功率：100W。
进度计划
第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：控制电路设计；第7天：器件选择；第8天：系统调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩
因此采用PWM正弦波Biblioteka Baidu宽调制，通过改变调制频率，实现交-直-交变频的目的。PWM控制的方法可分为3类，即计算法、调制法和跟踪控制法。其中，调制法是较为常用的，也是基本的一类方法。而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法，分为单极性调制和双极性调制。本设计采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制，也可以采用双极性调制。在本设计装置中，采用了双极性PWM调制技术。对于整流部分采用不可控制整流电路，滤波部分采用LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波交流输出。逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。总体方案框图如图2.1所示。
[4]控制电路：控制电路为逆变电路产生SPWM信号。
[5]驱动电路：驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节，其主要任务是将控制电路产生的控制器件的SPWM信号转化为器件的驱动信号，它可以完成电气隔离的功能。
主电路设计
主电路由三部分组成，即整流电路、滤波电路和逆变电路，如图2.2所示。
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源，大多数整流电路由变压器、整流电路和滤波电路等组成。整流电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电气隔离。
关键词：整流；滤波；逆变；PWM；IGBT
第1章
电力电子技术
集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式。但是在配电网中，城市居民和商业用户、农村和半城镇区域的负荷具有很大的随机波动性。家用空调随气温变化的无规律启停，降水降雪和大风的无常发生，以及其他不确定因素所引起的负荷变化给配电网的规划、设计和运行带来了巨大的难题和挑战。特别是在我国中西部的偏远地区的农村和一些游牧民族地区，如果采用传统的集中式供电方式，新建配电网络，不仅在技术上实现起来难度非常大，而且在经济效益上也是不可取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，以提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。目前，大电网与分布电网相结合被世界许多电力专家公认为是能够节省投资降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。一般来说，分布式发电指的是通过规模不大、分布在负荷附近的发电设施，为了满足一些特殊用户的需求，经济、高效、可靠的发电系统。近年来，分布式发电技术的研究取得了突破性的进展，分布式发电有望在电能产中占有越来越大的比重，并对传统的电力系统供电方式产生重大的影响。通常这些发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电路就很有必要。
第2章
100W
单相交-直-交变频电路主要是通过整流滤波得到直流电，再通过控制逆变电路将直流电变成某个频率的交流电。根据实验任务要求，对控制电路部分可以采用多种方案，具体方案如下：
方案一：
用可控整流调压、逆变器调频的交-直-交变频器。调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调。由于输入环节采用可控整流，当电压和频率调得较低的时候，晶闸管整流器的控制角较大，电网端的功率因素较低。输出环节较多采用晶闸管组成的逆变器，输出电压的谐波分量较大，一般用于较大功率的变频器。
100303145
学生姓名
王林
专业班级
电气105班
课程设计（论文）题目
100W单相交-直-交变频实验装置
课程设计（论文）任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察及验证单相交-直-交变频的实现方法。
设计任务
1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。
原理：是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器MC14528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。控制原理图如图2.4所示
图2.5双D触发器CD4013的引脚结构图
控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。STOP信号是通过双D触发器CD4013来产生的。具体双D触发器CD4013的结构引脚图如图2.5所示。
本文
本次设计的主要内容是100W单相交-直-交变频电路，为了满足一些特殊要求或者小型分布式发电及其与电网互联。该变频电路由整流电路、滤波电路、逆变电路、驱动电路、保护电路以及控制电路等部分组成。输入单相交流电220V，为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率100W。本文主要讨论了整流电路的设计、滤波电路的设计、逆变电路的设计、驱动电路的设计、保护电路的设计、控制电路的设计以及各部分器件的选择。
芯片ICL8038的引脚结构图如图2.3所示。其主要特点如下：
（1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/℃。
（2）正弦波输出具有低于1%的失真度。
（3）三角波输出具有0．1%高线性度。
（4）具有0.001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。
（5）占空比2%～98%之间任意可调。
控制
控制电路包括三部分，分别是控制电路、驱动电路以及辅助电源电路。
控制电路是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT 关断，起到保护作用。
图2.2主电路
此部分结构简单、工作可靠，其性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。
逆变电路同整流电路相对应，将低电压变为高电压，将直流电压装换为所要频率的交流电压。逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。本设计中的逆变部分,采用单相桥式PWM逆变电路,输出电压的大小及频率均可通过PWM控制进行调节。
（6）高的电平输出范围；从TTL电平至28V。
（7）具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。
（8）易于使用，只需要很少的外部条件。
图2.3芯片ICL8038的引脚结构图
图2.4控制电路
图2.5触发器CD4528的引脚结构图
Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。触发器CD4528的引脚结构图如图2.5所示。
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：100W单相交-直-交变频实验装置
院（系）：电气工程学院
专业班级：电气105班
学 号：100303145
学生姓名：王林
指导教师：（签字）
起止时间：2012-12-31至2013-1-11
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：电气
学 号
指导教师评语及成绩
平时：论文质量：答辩：
总成绩：指导教师签字：
年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
单相交-直-交变频电路在工业生产，生活娱乐，仪器运行等很多方面都有着广泛的应用，其中目前应用最广泛的应属于电网互联。单相交-直-交变频电路可分为主电路和控制电路，其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路，而控制电路包括控制电路、驱动电路和保护电路。本设计对于整流部分采用不可控制整流电路；滤波部分采用LC低通滤波器，得到高频率的正弦波交流输出；逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路。控制电路选用以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制两对IGBT；驱动电路采用了具有电气隔离集成驱动芯片M57962L；保护电路采用双D触发器CD4013。
方案二：
用斩波器调压的交-直-交变频器。整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频。虽然多了一个中间调压环节，但是输入的功率因数提高了。输出仍然采用晶闸管逆变器，所以仍然存在谐波问题。
方案三：
用PWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器。由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就可以解决。用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值。假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。谐波减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。因此，PWM逆变器中很少采用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT 等。同时调频调压都集中在逆变器一侧，控制也简化了。因此，这种结构成为当前中小型交-直-交变频器中普遍采用的一种结构形式。
对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压 的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt 电流引起的误触发等问题。
图2.1 总体方案框图
各部分功能：
[1]整流电路：把交流电源转换成直流电源。其中一部分为电路提供电源。
[2]滤波电路：滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
[3]逆变电路：逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
要求
1、文字在4000字左右。
2、文中的理论分析与计算要正确。
3、文中的图表工整、规范。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源：单相220V。2、为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。3、输出交流电压约45V。4、输出最大电流2A。5最大功率：100W。
进度计划
第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：控制电路设计；第7天：器件选择；第8天：系统调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩
因此采用PWM正弦波Biblioteka Baidu宽调制，通过改变调制频率，实现交-直-交变频的目的。PWM控制的方法可分为3类，即计算法、调制法和跟踪控制法。其中，调制法是较为常用的，也是基本的一类方法。而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法，分为单极性调制和双极性调制。本设计采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制，也可以采用双极性调制。在本设计装置中，采用了双极性PWM调制技术。对于整流部分采用不可控制整流电路，滤波部分采用LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波交流输出。逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。总体方案框图如图2.1所示。