电压型SPWM逆变器的设计 - 图文 (2)

PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等要三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广，本文主要介绍这种控制方法。 所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号ut，把接收调制的信号作为载波uc，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三相电压源型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。所为单极性控制方式，就是在信号波ut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波形也只在单个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。 采用双极性方式时，在ut的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得到的PWM波也是有正有负。在ut的一个周期内，输出的PWM波只有?Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ut和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ut的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。 1.4 IGBT简介 绝缘栅双极晶体管（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1-4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1-4 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 ，其简化等效电路如图3所示。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。 IGBT的特性和参数特点可以总结为： 1）IGBT开关速度高，开关损耗小； 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。 三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图 ) 2.1可行性方案 方案一：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 2.1所示。 正弦函数发生器 3524集 成PWM 控制电 路 IR2110 集成 PWM驱 动电路 SPWM逆 变器主 电路 图2.1系统总体结构框图 方案二：选用EsayARM1138开发板，以LM3S1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和SPWM逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由LM3S1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，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。输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。 本系统由电源模块、控制模块、逆变模块、键盘和显示模块、输出及保护电路等5大部分组成，设计系统的总体结构框图如图2.2所示。 全桥逆变 低通滤波 驱 动 LM3S1138 最小系统 输出 键盘 直流供电 LCD显示 图2.2系统总体结构框图 电源模块：根据实验室现有的条件，本系统的电源由两台稳压电源提供3路直流电压。控制模块：由EasyARM1138开发板构成，运行系统程序并通过扩展GPIO口控制自主设计的各子模块工作。逆变模块：由2片驱动芯片IR2110、4只IGBT管FGA25N120AN和LC低通滤波器及外围辅助电路构成，完成DC/AC的逆变、电压变换并得到需要的正弦波电压输出。键盘和显示模块：由3个按键开关和1个可显示4行、16列字符的LCD显示器12864构成。输出和保护电路模块：由1个2A保险丝、4个并在IGBT管集射极两端的反向偏置二极管和LM393及辅助电路组成的比较电路构成。完成系统的过流、过压及IGBT管的瞬间过流保护工作。 选择方案一为最佳方案。 2.2 SPWM 逆变器主电路设计 如图 2.3 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。 图2.3 主电路图 当UruUc 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。 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2.4所示。 图2.4 SG3524 管脚图

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