电压型SPWM逆变器设计

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u
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uo Ud
O -Ud 图6-5
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图 2 单极性调制示意图
武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书
波形。本次课程设计要求设计电压型 SPWM 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波。 对于单相桥式电路来说可以采用单极性调制， u 如图 2 所示，也可以采用双极性调制，如图 3 所 示，而三相桥式 PWM 逆变电路，一般采用双极性 控制方式。所谓单极性控制方式，就是在信号波 Ur 的半个周期内三角波载波 Uc 只在正极性或负 极性一种极性范围内变化，所得到的 PWM 波形也 只在单极性范围变化的控制方式，和单极性 PWM 控制方式相对应的是双极性控制方式，即在整个 周期内三角载波 Uc 都有正极性和负极性两种极 -Ud 性范围的变化。
uVN'
Ud 2 Ud 2 Ud 2
O

t
比较器的反相端接正弦波调制信号，通 过芯片内置的比较器完成载波和调制 波的比较，产生 SPWM 信号。 正弦波信号由函数发生器 ICL8038 产生。其频率由 R1，R2 和 C 来决定， f=0.15/(R1+R2)C ，对于本次设计要求 频率为 50Hz，可取 R1+R2=9.7kΩ，电 容取 0.22uF。连接电路如图 3 所示。
3
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Ud 2
+
V1 C U
VD1 V3 VD4 V V6
VD3 V5 VD6 W V2
VD5 N VD2
N'
Ud 2
+
C
V4
urU urV urW uc
调制 电路
图 5 主电路图
图6-7
当 Uru<Uun=-Ud/2 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号 Uun=-Ud/2,给 V1(V4)加导通信 号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通。Ud 和 Uwn’的 PWM 波形只有±Ud/2 两种电平。当 Uru>Uc 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号，Uun’ =-Ud/2。Uuv 的波形可 由 Uun’- Uvn’得出，当 1 和 6 通时，Uuv=Ud，当 3 和 4 通时，Uuv=-Ud，当 1 和 3 或 4 和 6 通时，Uuv=0。输出线电压 PWM 波由±Ud 和 0 三种电平构成负载相电压 PWM 波由(± 2/3)Ud,(±1/3) Ud 和 0 共 5 种电平组成。 防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路， 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开关器件的关断时间 决定。死区时间会给输出的 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。
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件作为电源。振荡器脚 7 须外接电容， 脚 6 需外接电阻。振荡器频率 f 由外接 电阻和电容决定，f=1.18/RC ，振荡器 的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式

urU u O uUN'
Ud 2 Ud 2
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送至双稳态触发器及两个或非门；另一 路以锯齿波形式送至比较器的同相端，
b) O u u
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SPWM 控制技术是 PWM 控制技术的主要应用， 即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等 效。
O 图6-3
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图 1 PWM 原理图
1.2 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法和调制法 两种方法，但因为计算法过程繁琐，当需要 输出的正弦波的频率、幅值、或者相位发生变化时，结果都要发生变化，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。所谓调制法，就是把希望输出的 波形作为调制信号 Ur，把接收调制的信号作为载波，通过信号波得调制得到所期望的 PWM
号输入，具有独立的高端和低端 2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到
IN4148
6百度文库
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各自的通道上，容许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)之间有-5 V～+5 V 的偏 移量，并且能屏蔽小于 50 ns 的脉冲，这些特点使得 IR2110 具有较理想的抗噪声效果。 采用 CMOS 施密特触发输入，可以进一步提高电路抗干扰能力。 IR2110 自身的保护功能非常完善：对于低压侧通道，利用 2 片 IR2110 驱动全桥逆变 电路的电路图如图 5 所示。 为改善 PWM 控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小 IGBT 集电极的电压尖脉冲，一般 应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。IR2110 的最大不足是不能产生负偏压，由于密 勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极上产 生干扰。针对这一点，在驱动电路中的功率管栅极限流电阻 R1、R2 上反向并联了二极管 D4、D5。
目录
1 SPWM 控制原理分析 ...................................................... 1 1.1 PWM 的基本原理 ..................................................... 1 1.2 SPWM 逆变电路及其控制方法 .......................................... 1 2 系统方案设计 .......................................................... 3 2.1 整体方案设计 ...................................................... 3 2.2 SPWM 逆变器主电路设计 .............................................. 3 2.3 脉宽调制器设计 .................................................... 4 2.4 控制驱动电路设计 .................................................. 6 2.5 抗干扰电路 ........................................................ 7 3 仿真 .................................................................. 8 心得体会 ............................................................... 10 参考文献 ............................................................... 11 附录 ................................................................... 12 总原理图 ............................................................. 12
由于 SG3524 产生的 SPWM 信号不能直接驱动 IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片 IR2110。IR2110 是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体 积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快(典型 ton/toff=120/94 ns)、偏 置电压高(<600 V)、驱动能力强等特点，同时还具有外部保护封锁端口。 IR2110 采用 CMOS 工艺制作，逻辑电源电压范围为 5 V~20 V，适应 TTL 或 CMOS 逻辑信
图6-6 图 3 双极性调制示意图 uo Ud O uof uo O ur uc
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2 系统方案设计
2.1 整体方案设计
本设计选用 SG3524 集成 PWM 控制器为控制核心， 用 ICL8038 函数发生器产生正弦调制 波，在与 SG3524 中的载波比较后输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，由于 SG3524 产生的 SPWM 信号不能直接驱动 IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片 IR2110 控制 IGBT 功 率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波，即可得到所 需要的正弦波。 本系统由正弦波函数发生器、 3524 集成 PWM 控制电路、 IR2110 集成 PWM 驱动电路、 SPWM 逆变器主电路等组成，设计系统的总体结构框图如图 3.1 所示。
+
5
V
V
C
C
2.5 抗干扰电路
本设计采用了光电隔离器，光电隔离器可 以很简单将主回路的强电和控制回路的弱电相 隔离，使主回路和控制回路更好的结合。光电 隔离器的电路示意图如图 6 所示。
U a
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图 6 光电隔离器
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3 仿真
SPWM 控制方式下的三相逆变电路主电路如图 7 所示：
uWN' O
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uUV Ud O -Ud uUN O
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2Ud 2 Ud 3
t
图6-8
图 2 SPWM 产生原理图
图 3 ICL8038 电路图
整个脉宽调制器部分系统如图 4 所示。
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三相正弦 波发生器
SG3524
控制信号
图 4 脉宽调制部分系统示意图
2.4 控制驱动电路设计
图 7 三相逆变电路主电路
设置参数，即将调制度 m 设置为 0.9，调制波频率设为 50Hz，载波频率设为基波的 30 倍 （载波比 N=30） ， 即 1500Hz， 仿真时间设为 0.04s， 在 powergui 中设置为离散仿真模式， 采样时间设为 1e-006s，运行仿真图形，然后建立 m 文件，程序如下所示： subplot(3,1,1); plot(inv.time,inv.signals(1).values); title(Uab'线电压波形'); subplot(3,1,2); plot(inv.time,inv.signals(2).values); title('A 相输出电压 Ua 波形'); subplot(3,1,3); plot(inv.time,inv.signals(3).values); axis([0 0.04 -300 300]); title('A 相输出电流波形'); 运行此文件后，可得输出交流电压，交流电流和直流电流如图 8 所示：
正弦波 函数发 生器
3524 集 成 PWM 控制电 路
IR2110 集成 PWM 驱 动电路
SPWM 逆 变器主 电路
图 4 系统总体结构框图
2.2 SPWM 逆变器主电路设计
如图 5 是 SPWM 逆变器的主电路，图中 Vl—V6 是逆变器的六个功率开关器件，各由一 个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。一组三相对称的正弦参考电压 信号 由参考信号发生器提供，三角载波信号 Uc 是共用的，分别与每相参考电压比较后， 给出“正”或“零”的饱和输出，产生 SPWM 脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动 控制信号。
2.3 脉宽调制器设计
本次设计中采用 ICL8038 产生正弦波给 SG3524 集成 PWM 控制器产生控制信号。SG3524 可以产生锯齿波，作 为载波与正弦波比较， 生成 SPWM 信号。 SG3524 管脚图如
图 6 SG3524 管脚图
图 6 所示。 工作过程为：直流电源从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压 稳压器的输入端，产生稳定的+5V 基准电压。+5V 再送到内部（或外部）电路的其他元器
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1 SPWM 控制原理分析
1.1 PWM 的基本原理
PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉 冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的 a) 宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形，PWM 控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性的，环节 上时，其效果基本相同，原理图如图 1 所示。
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图 5 全桥驱动电路