解析三相PWM逆變器的主電源電路設(shè)計(jì) - 全文

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變器的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，一般均要求逆變器具有高質(zhì)量的輸出波形。逆變器輸出波形質(zhì)量主要包括兩個(gè)方面，即穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能。因此，研究既具有結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制方案，一直是電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國(guó)內(nèi)外能源供應(yīng)的緊張，電能的開(kāi)發(fā)和利用顯得更為重要。目前，國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)新能源，如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等。一般情況下，這些新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電，不能直接提供給需要交流電的用戶使用。為此，需要將直流電變換成交流電，需要時(shí)可并入市電電網(wǎng)。這種DC- AC 變換需要逆變技術(shù)來(lái)完成。因此，逆變技術(shù)在新能源的開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域有著重要的地位。

　　脈寬調(diào)制逆變技術(shù)

　　1. 1 PWM 的基本原理

　　1. 1. 1 PWM（ Pulse Width Modulat ion）脈寬調(diào)制型逆變電路定義：是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，通過(guò)改變調(diào)制周期來(lái)控制其輸出頻率的電路。

　　1. 1. 2 脈寬調(diào)制的分類： 1、以調(diào)制脈沖的極性分，可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種;2、以載頻信號(hào)與參考信號(hào)頻率之間的關(guān)系分，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種。

　　1. 1. 3 （ PWM）逆變電路的特點(diǎn)：可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓和電流，所以也稱為正弦波脈寬調(diào)制SPWM（ Sinuso idal PWM）。

　　1. 1. 4 SPWM 控制方式：就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

　　1. 2 PWM 電路的調(diào)制控制方式

　　1. 2. 1 載波比的定義：在PWM 變頻電路中，載波頻率f c 與調(diào)制信號(hào)頻率f r 之比稱為載波比，即N= f c/ ff 。

　　1. 2. 2 PWM 逆變電路的控制方式：根據(jù)載波和調(diào)制信號(hào)波是否同步，有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式：一、異步調(diào)制控制方式。當(dāng)載波比不是3 的整數(shù)倍時(shí)，載波與調(diào)制信號(hào)波就存在不同步的調(diào)制。二、同步調(diào)制控制方式。在三相逆變電路中當(dāng)載波比為3 的整數(shù)倍時(shí)，載波與調(diào)制信號(hào)波能同步調(diào)制。

　　主電路的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用AC – DC – AC 方案。采用SPWM調(diào)制方式。圖1 為系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經(jīng)過(guò)不控整流后得到一個(gè)直流電壓，再經(jīng)過(guò)全橋逆變電路得到交流輸出電壓。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，防止主電路對(duì)控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦隔離，反饋信號(hào)用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離。

　　2. 1 整流電路的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是三相橋式不可控整流電路。在交- 直- 交變頻器、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直接電源，供后級(jí)的變換器、逆變器等使用。由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。其電路圖如下所示：

　　經(jīng)計(jì)算二極管應(yīng)選擇HFA70NH60 額定電壓600V，額定電流70A （快恢復(fù)型）。

　　2. 2 逆變電路的設(shè)計(jì)

　　逆變與整流相對(duì)應(yīng)，是將直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變。

　　本設(shè)計(jì)逆變電路采用電壓型三相橋式逆變電路，其原理圖如圖3 所示。

　　逆變電路中的開(kāi)關(guān)器件均選用全控型器件--IGBT.IGBT 是MOSFET 與GTR 的復(fù)合器件，因此它具有工作速度快、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、元件容量大等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

　　本設(shè)計(jì)中所選IGBT 管額定電壓為600V，額定電流約為20A ，所以，應(yīng)選取六只600V， 20A 的IGBT管。IGBT 管型號(hào)為： IRGBC40F 額定電壓600V，額定電流27A 。

　　逆變電路中， 6 個(gè)二極管有限制過(guò)電壓的作用，對(duì)IGBT 管進(jìn)行保護(hù)。由于二極管和IGBT 管的電壓和電流幾乎相等。所以選取二極管的型號(hào)為：HFA 70NH60 額定電壓600V，額定電流70A（快恢復(fù)型）。

　　2. 3 輸出濾波電路設(shè)計(jì)

　　LC 濾波器的-般形式是一個(gè)由LC 組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，其工作原理是串聯(lián)的LC 電路在基頻下呈串聯(lián)諧振狀態(tài)。在理想狀態(tài)下，對(duì)基波不產(chǎn)生壓降，對(duì)高次諧波則是高阻抗，抑制高次諧波電流。

　　經(jīng)計(jì)算，取電感的電感值為： L2= 0. 48mH取電容的電容值為： C2= 664uF

　　2. 4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路產(chǎn)生的PWM 信號(hào)加以隔離、放大，形成驅(qū)動(dòng)各開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)的電路。它將邏輯電平的控制電路與可驅(qū)動(dòng)6 個(gè)IGBT 的高/ 低側(cè)開(kāi)關(guān)電路相連接。由于驅(qū)動(dòng)電路的選取因開(kāi)關(guān)器件的不同而異，而本課題選用的開(kāi)關(guān)器件是IGBT，它是電壓驅(qū)動(dòng)型開(kāi)關(guān)器件，所以我們選擇了美國(guó)IR （ Internat io nal Rect ifier ）公司生產(chǎn)的型號(hào)為IR2130 的6 路快速IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片。

　　IR2130 的外部電路圖如圖4 所示，圖中C25為電源濾波電容， C24為過(guò)流檢測(cè)電容，其大小直接影響著保護(hù)是否靈敏，選擇不當(dāng)將導(dǎo)致IGBT 沖出安全工作區(qū)而損壞。C21 ， C22 ， C23 為逆變器上橋臂產(chǎn)生懸浮電源的自舉電容，它們影響著這三只功率管的正常工作。R27~R30， P2 為過(guò)流檢測(cè)電阻，只要改變P2的大小，就可調(diào)接電流保護(hù)值的大小。R21~R26 為IGBT的柵極電阻。D1~D6 選用快恢復(fù)二極管。

　　2. 5 控制電路設(shè)計(jì)

　　控制電路采用集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524.SG3524 與正弦函數(shù)發(fā)生芯ICL8038 連接來(lái)產(chǎn)生SPWM波，控制全橋逆變電路。

　　按照SG3524 的工作原理，要得到SPWM 波，必須得到一個(gè)正弦波，將它加到SG3524 內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。

　　如圖5 示正弦波電壓由函數(shù)發(fā)生器ICL8038 產(chǎn)生。正弦波的頻率由R2、R3 和C1 來(lái)決定， 1. 15/ （ R2+R3 ） C1，為了調(diào)試方便，我們將R2、R3 都用可調(diào)電阻，R1 是用來(lái)調(diào)整正弦波失真度用的。當(dāng)時(shí)f= 50Hz， R2+ R3= 10kΩ ，其中C1= 2. 2uF.正弦PWM 波ue 信號(hào)產(chǎn)生后，輸入到SG3524 的1 號(hào)腳，正弦波和鋸齒波在SG3524 內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM 波。