1、太原理工大學課程設計用紙 第29頁 目錄 引言 電力電子技術課程設計任務書2第一章 電力電子器件的了解 4第二章 電容濾波的單相不可控整流7第三章 逆變電路 11第四章 PWM逆變電路13第五章 驅動電路17第六章 比較電路 22第七章 死區生成電路24第八章 課程設計心得體會26 附錄 28引言 電力電子技術課程設計任務書一、課程設計的目的通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的：1、培養學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料 。2、培養學生綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力。3、培養學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、培養學生運用仿真工具的能力和方法

2、。5、提高學生課程設計報告撰寫水平。二、課程設計的要求1. 題目題目：無源三相逆變技術的工程應用注意事項：學生也可以選擇規定題目方向外的其它電力電子裝置設計，如開關電源、鎮流器、UPS電源等， 通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計方案。首先要明確自己課程設計的設計內容。設計裝置（或電路）的主要技術數據主要技術數據輸入交流電源：單相220V， f=50Hz交直變換采用二極管整流橋電容濾波電路，無源逆變橋采用三相橋式電壓型逆變主電路，控制方法為SPWM控制原理輸出交流：電流為正弦交流波形，輸出頻率可調，輸出負載為三相星形RL電路，R=10

3、，L=15mH死區時間：46us逆變開關頻率：10kHz設計內容整流電路的設計和參數選擇; 濾波電容參數選擇;三相逆變主電路的設計和參數選擇; IGBT電流、電壓額定的選擇三相SPWM驅動電路的設計; 畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖電路仿真分析和仿真結果2. 在整個設計中要注意培養靈活運用所學的電力電子技術知識創造性的思維方式以及創造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明。課程設計從確定方案到整個系統的設計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關文獻的基礎上，經過剖析、提煉，設計出所要求的電路（或裝置）。課程設計中要不斷提出

4、問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。設計報告最后給出設計中所查閱的參考文獻最少不能少于5篇，且文中有引用說明，否則也不能得優）。3. 在整個設計中要注意培養獨立分析和獨立解決問題的能力要求學生在教師的指導下，獨力完成所設計的系統主電路、控制電路等詳細的設計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設計報告基本相同，甚至完全一樣。4. 課題設計的主要內容是主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件的計算和選型，以及控制電路設計。報告最后給出所設計的主電路和控制電路標準電路圖，不同頻率下輸出電壓電流波形，驅動控制電路中驅動信號波形以及其它主要波形，5. 課程設計用紙和格式統一 B5紙

5、打印（頁邊距：上下留24.4mm,左右留21mm）; 大標題：小3號字，宋體加粗 小標題：4號字，宋體加粗;正文：小4號字,宋體，單倍行距 頁眉：電力電子技術課程設計，5號宋體;頁腳：頁碼居中要求圖表規范，文字通順，邏輯性強，報告頁數不少于25頁。三、課程設計報告基本格式目錄內容：1. 設計的基本要求2. 總體方案的確定原則：達到性能要求; 經濟性好（一次投資和二次投資）; 追求高性能價格比; 高可靠性; 維護維修方便3. 具體電路設計（主電路設計、控制電路設計等）4.電路仿真和結果5. 附錄（電路圖，仿真結果圖等）6. 參考文獻 第一章 電力電子器件的了解 第一節 電力二極管一 結構1電力二

6、極管（Power Diode）的基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管是一樣的，都以半導體PN結為基礎，實現正向導通、反向截止的功能。二電力二極管與普通二極管的區別1】.電力二極管大都采用垂直導電結構，使得硅片中通過電流的有效面積增大，顯著提高了二極管的通流能力。2.】電力二極管在P區和N區之間多了一層低摻雜N區，也稱漂移區。低摻雜N區由于摻雜濃度低而接近于無摻雜的純半導體材料即本征半導體，由于摻雜濃度低，低摻雜N區就可以承受很高的電壓而不被擊穿。三 電力二極管的基本特性1】 靜態特性。主要指其伏安特性，當它承受的正向電壓大到一定值時（此值叫門檻電壓），正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通

7、狀態。與正向電流對應的電力二極管兩端電壓為正向電壓降。電力二極管承受反向電壓時，只通過數值微小的反向漏電流。2】 動態特性。由于電力二極管的PN結存在結電容，因此，在零偏置、正向偏置和反向偏置這三種狀態之間轉換的時候，需要一定的時間，稱之為過渡過程，其PN結一些區域的帶電狀態是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態特性。四 電力二極管的主要參數1】 正向平均電流IF(AV)。指電力二極管在穩定運行時，在規定的管殼溫度和散熱條件下，所允許通過的最大工頻正弦半波電流的平均值。此時，管子正向壓降的損耗引起的結溫升高不會超過所允許的聶高工作結溫。必須指出，電力二極管的額定電流是用其正向平均電流IF(AV

8、)標稱的，經換算可知，此時與之對應的電流有效值是1.57IF(AV)。2】 正向壓降UF。電力二極管在規定的溫度下，流過一定的穩態正向電流時對應的正向壓降。3】 反向重復峰值電壓URRM。指對電力二極管能重復施加、而不被反向擊穿的反向最高峰值電壓。一般是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。 4】 最高工作結溫TJM。結溫指PN結的平均溫度。最高工作結溫指在PN結不致損壞的條件下，所能承受的最高平均溫度，通常為125175。5】 浪涌電流ITSM。指電力二極管能承受的連續一個或幾個工頻周期的最大電流。五 電力二極管的主要類型在電力電子電路中，電力二極管有廣泛的應用，它可以作為整流、續流以及電壓隔離、鉗位

9、、保護等元件。在應用時，要按實際中的要求選擇不同類型的電力二極管。主要類型有：1】 普通二極管。普通二極管又叫整流二極管。多用于開關頻率不高（lkHz以下）的整流電路中。其反向恢復時間一般大于5s，而正向電流定額和反向電壓定額分別可以達到數千安和數千伏以上。2】 快恢復二極管。快恢復二極管簡稱快速二極管。其反向恢復時間小于5s，快恢復外延二極管反向恢復時間更短，在lOOns以下。3】 肖特基二極管。肖特基二極管其優點是：反向恢復時間很短，一般為1040ns；正向恢復過程中沒有明顯的電壓過沖；開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管小。其缺點是：反向漏電流大且對溫度敏感；當提高反向耐壓時，其正向壓降

10、也相應增加，甚至不能滿足要求。 第二節 絕緣柵雙極晶體管一. IGBT的結構l 低的通態IGBT是三端器件，具有柵極G,集電極C和發射極E，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區之間多了一個 P 型層，IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調制

11、，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有電壓。二IGBT 的工作特性1】靜態特性IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性a>IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制。b>IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關斷狀態。c>IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態時，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其

12、B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。u 由于N+ 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 3V 。IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。2】動態特性a>IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間，IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生，IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。b>IGBT在

13、關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。三 IGBT的主要參數1】 最大集射極間電壓UCES:這是由器件內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。2】 最大集電極電流：包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。3】 最大集電極功耗PCM:在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。第二章 電容濾波的單相不可控整流1 一工作原理及波形分析1) 基本工作過程： 基本工作過程：在U2正半周過零點至t=0期間，因u2<u

14、d,故二級管均不導通，此階段電容C向R放電，提供負載所需電流，同時ud下降。至t=0之后，u2將要超過ud,使得VD1和VD4開通，ud=u2,交流電源向電容充電，同時向負載R供電。2)主要的數量關系u 輸出電壓平均值 Ø 空載時，Ud=2U2。重載時，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負載時的特性。Ø 在設計時根據負載的情況選擇電容C值，使RC (35)T2 , 此時輸出電壓為：Ud1.2 U2u 電流平均值 Ø 輸出電流平均值IR為: IR = UdR Id=IRØ 二極管電流iD平均值為： ID = Id2=IR2Ø 二極管承受的

15、電壓 ：2U23）二極管的參數計算和選擇此次仿真實驗選用理想二極管，一般來講具有以下三個特點：通過的正向電流無窮大；反向擊穿電壓無窮大；反向電流為零。Ø 電容兩端電壓Ud在0.9U22U2之間變化，因此0.9×220Ud2×220,即198Ud311,因此取電容的耐壓值為Ud=320V。Ø 二極管的耐壓值選取：二極管承受的最大反向電壓為2U2，即UVD=2×220=311.13V,考慮一定的安全欲量，取UVD的12倍，即UVD=311.13622.26，取UVD為500V。Ø 電流的平均值:Id=UdR=2U2R=2×220

16、50=6.22AØ 流過二極管的平均值:ID=Id2=3.11AØ 二極管的額定值:Id=(1.52)ID=4.6656.22A因此二極管的型號為TYPE-1N539644)整流的仿真電路5：電源電壓與輸出電壓波形：電源電壓波形：輸出電壓波形：輸出電流波形：由上面幾幅圖知：電源電壓與輸出電壓波形同時測時輸出電壓的波形的脈動比單獨測輸出電壓時小。第三章 逆變電路1 一 三相電壓型橋式逆變電路基本工作方式是180度導電方式，即每個橋臂的導電角度為180度，同一相上下兩個橋臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120度，這樣，在一瞬間，將有三個橋臂同時導通，每次換流都是在上下兩個

17、橋臂之間進行，因此被稱為流臂之間進行，因此被稱為換流。電 電壓源型逆變電路二 IGBT的選擇參數的選擇一條原則是適當留有余地，這樣才能確保長期、可靠、安全地運行。工作電壓50%-60%，結溫70-80%在這條件下器件是最安全的。制約因素如下：（1） 在關斷或過載條件下，IC要處于安全工作區，即小于2倍的額定電流值；IGBT峰值電流是根據200%的過載和120%的電流脈動率下來制定的；結溫一定<150以下，指在任何情況下，包括過載時。（2 ） 開通電壓15V±10%的正柵極電壓，可產生完全飽和，而且開關損耗最小，當<12V時通態損耗加大，>20V時難以實現過流及短路保

18、護。（3） 關斷偏壓-5到-15V目的是出現噪聲仍可有效關斷，并可減小關斷損耗最佳值約為-10V。（4）  IGBT不適用線性工作，只有極快開關工作時柵極才可加較低311V電壓（5） 飽和壓降直接關系到通態損耗及結溫大小，希望越小越好，但價格就要大。        所以根據IJBT的制約因素，主電路的電流電壓值及設計要求，采用的IJBT管是GTl53101。3.仿真的電壓源型逆變電路【5】:第四章 PWM逆變電路 第一節 PWM逆變電路的工作原理【1】PWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到

19、一系列幅值相等而寬度不等的脈沖。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變逆變輸出頻率。1PWM控制的基本原理 PWM控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）理論基礎:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同 PWM波形可等效的各種波形，例如：直流斬波電路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；還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，也基于等效面積原理 。用一系列

20、等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波的方法：正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等。這樣就可得到PWM 波形。由上方法可知各脈沖的幅值相等，而寬度按正弦規律變化 。對于正弦波的負半周，也可用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形。要改變等效輸出正弦波幅值時，只要按照同一比例系數改變上述各脈沖的寬度即可2控制方法【1】調制信號ur為正弦波,載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波。在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。

21、在ur的半個周期內三角波載波只在正極性或負極性一種極性范圍內變化，所得到的PWM波形也只在單個極性范圍變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。和單極性PWM控制方式相對應的是雙極性控制方式。采用雙極性方式時，在ur的半個周期內，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負，所得的PWM形也是有正有負。在ur的一個周期內，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關的通斷。在ur的正負半周，對各開關器件的控制方式。第二節 PWM逆變電路【1】一根據要求，逆變電路采用三相橋式電壓型逆變電路，其電路圖如圖3.1所示： 工作原

22、理如下： （1） 該電路是采用雙極性控制方式。U,V,W三相的PWM控制通常公用一個三角載波uc,三相的調制信號urU,urV和urW依次相差120°。U,V和W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說明。當urU大于uc時，給上橋臂V1導通信號，給下橋臂V4以關斷信號，則U相對于直流電源假象中點N的輸出電壓uUN'=Ud/2。當urU小于uc時，給V4以導通信號，給V1上橋臂關斷信號時，則uUN'=-Ud2。V1和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1（V4）以導通信號，也可能是二極管VD1(VD4)續流導通這要由阻感負載中電流方向來決定。這是因為阻感負載中電

23、流的方向來決定的。V相及W相的控制方式都相同。電路波形如圖所示。可以得出，的PWM波形都只有兩種電平，當橋臂1和6導通時uuv=Ud，當橋臂3和4導通時uUV=Ud，當橋臂1和3或橋臂4和6導通時uUV=0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成。而且負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成 ，其波形圖如圖3.2所示。 圖3.2二 U相的控制規律當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN'=Ud2當urU>uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN'=-Ud2當給V1(V4)加導通

24、信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通三 死區時間的防止：同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區時間，死區時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定，死區時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波，所以必須在電路中設計死區生成電路 第五章 驅動電路 主電路與控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路，稱為驅動電路。 驅動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號由于三相橋式電壓型逆變電路中采用的IJBT管，它在使用的

25、時候需要驅動電路，才能使IGBT管子正常地開通和關斷。IGBT的驅動電路必須具備2個功能：一是實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離； 二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。驅動電路的仿真電路【5】：逆變的輸出三相電流波形：輸出線電壓波形：UV線電壓：VW線電壓：WU輸出相電壓波形：UN相電壓：VN相電壓：WN中性點電壓第六章 比較電路【2】本設計中需要比較電路，根據需要，選用了選用滯回比較器，因為具有滯回特性，即具有慣性特性，有一定的抗干擾能力。如圖6.1所示，滯回比較器引入了正反饋。從集成運放輸出端的限幅電路可以看出，u0=UZ。集成運放反相輸入

26、端電壓uN=ui， 圖6.1 圖6.2 電壓傳輸特性曲線同相輸入端電位:uP=令uN=uP，求出的ui就是閥值電壓，因此得出 UT=假設uI<UT,那么uN一定小于uP，因而u0=+UZ，所以up=+UT,當輸入電壓uI增大到+UT，在增大一個無窮小量時，輸出電壓u0才會從+UZ躍變為-UZ。同理，假設uI>+UT，那uN一定大于uP，因而u0=-UZ，所以uP=-UT只有當輸入電壓uI減小到-UT時，再減小一個無窮小量時，輸出電壓u0才會從-UZ躍變為+UZ，即，u0從+UZ躍變為UT的閥值電壓是不同的電壓傳輸特性如圖7.2所示。 從電壓傳輸特性曲線上可以看出,當UT<uI

27、<+UT時，u0可能是+UZ，也可能是UZ。如果uI是從小于UT的值逐漸增大到UT<uI<+UT,那么u0應為+UZ;如果uI是從大于+UT的值逐漸減小到UT<uI<+UT，那么u0應為UT;曲線具有方向性。為使滯回比較器的電壓傳輸特性曲線向左或向右平移，需將兩個閾值電壓疊加兩個相同的正電壓或負電壓。把電阻R1的接地端接參考電壓UREF，可達到此目的，圖中有同相輸入端的電位 uP=UREF令uN=uP , 求出的uI就是閾值電壓，因此得出UT1=UREFUT2=UREF+UZ兩式中第一項是曲線在橫軸左移或右移的距離，改變UREF極性即可改變曲線平移的方向。若是電壓

28、傳輸特性曲線上、下平移，則應改變穩壓管的穩定電壓。第七章 死區生成電路為了防止三相橋式電壓型逆變主電路中的上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區時間，所以引入了死區生成電路 本設計的H橋功率集成電路的工作電壓高達35V，而且其峰值電流可達到A。如果H橋同臂高低端兩個DMOS功率器件發生直通，則流過器件的電流將會非常大，很易使器件燒毀。因此，必須采取措施來防止工作過程中同臂高低端兩個功率器件發生直通。在電路的操作過程中，一般有兩種情況會造成功率器件的直通：(1)輸入的高、低端兩路驅動信號相位不匹配，有同時為高電平的部分，造成被驅動的高端和低端兩個功率管在這段時間內同時開啟；(2)功率器件的關斷時間過長，使得高端和低端兩個功率器件中，一個器件還未完全關閉，另一個件就已經開啟。因此，電路中首先要消除高低壓端兩路信號為高電平的部分，其次要在兩路信號間產生一個死區時間，以保證高端和低端兩個功率器件在一個完全關閉后，另一個才開啟。驅動加死區電路【3】：輸出電壓波形第八章 課程設計心得體會談到課程設計，似乎并不陌生，早聽同學說他們花多久去做一份課程設計，