通用变频器综合设计 1、设计一个采用二极管整流桥和IGBT的交-直-交电压型变频器主电路，并选择主要元器件的参数。 输入电压范围： 380~480V（正负10%），输出功率11kw（当输出电压为380V时），功率因数75.0cos，采用三相SVM PWM，fs=1~15kHz。 （1）选择整流桥和IGBT（EUPEC或三菱均可），根据三菱或EUPEC网站上的程序，计算整流桥和IGBT模块的结温、使用寿命：计算做热Ta=40oC的Rthc-a，选择自冷或风冷情况下的变频器的散热器。 （2）Udmax=800V，选择电解电容的耐压和容量，计算电解电容的寿命，自己查资料，如EPCOS、CDE（无感电容）、BHC等。 2、设计上述变频器的保护方案（原理框图，各环节的设计依据，电路框图，主要参数） （1）选择三个输出交流侧霍尔电流传感器的过电流、过载保护方案，设计相应的保护电路（HL传感器，电流放大滤波通道，A/D转换参考电压为5V）。 （2）设计IGBT直通保护和输出短路保护（相间，对地），可选择用带保护的驱动IC实现。 （3）直流侧的电阻能耗制动电路，给出一种软件或硬件控制方案。（制动点的选择） （4）直流侧过电压保护的硬件电路 根据题目要求，本系统主电路可用三相二极管不可控桥式整流电路、中间直流环节和三相IGBT桥式逆变电路三部分组成，实现交-直-交电压型变频器的功能，其拓扑结构如图1所示。

M 图 1 交—直—交电压型变频器拓扑结构 AC-DC-AC主电路主要包括：整流电路、滤波电路、制动电路以

及逆变电路。整流侧采用三相不可控二极管整流桥将交流电整流为直流电，这样功率因数接近于1。由于不控整流出来的电压是脉动的，需要经过滤波电路后供给逆变电路，所以直流侧电容起稳压和滤波的作用。因为考虑到电动机的回馈能量，防止直流侧电压升高，加入能耗制动电路，逆变桥采用三相桥式结构。图中，在直流侧电容前接入了一个与限流电阻相并联的开关，这是由于电容的电容量很大，当合闸突加电压时电容相当于短路，将产生很大的充电电流可能会损坏整流二极管，为了限制充电电流，可以采用限流电阻和延时开关组成的预充电电路对电容进行充电，当电源合闸后延时开关延时数秒，此时通过电阻对电容充电，当电容电压升高到一定值后，闭合开关将限流电阻短路，避免正常运行时的附加损耗。 一、 整流逆变元件参数及热设计 1.1 主电路元件选择及其参数 1.1.1 整流二极管的选型 a．确定电压值U 整流二极管的耐压按下式确定，取波动因数为1.1，取=2倍的安全裕量，则 1.12ACUU

式中，ACU是电源线电压值（ACU=380~480V） VUUAC149321.124801.12 b．确定电流值I 整流二极管峰值电流按下式确定，取波动因数为1.1，则其峰值电流的计算公式为

3*)(*2**rmsVUPIACp

式中，PI为整流二极管的峰值电流；P为电动机功率；=1.1，为纹波因数；=2，为过载率；=0.75，为电动机效率。计算得

32.693*3802.1*2*2*75.0110003*)(*2**rmsVUPIACp





直流环节电压 c．选择产品型号 按计算结果选择，最后确定选择英飞凌公司的DD89N作为二极管整流模块，该元件主要性能参数如下：RRMU= 1600V，FAVMI=89A。 利用英飞凌网站上的计算软件计算得出热损耗为如图2所示。

图2 英飞凌计算软件的计算结果

1.1.2 IGBT模块的选型

同整流电路相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率地交流输出功率。逆变部分主要由IGBT构成。逆变电路设计的关键是要选择合适的IGBT模块。 a．确定电压值U: 我们在《三菱第五代IGBT应用手册》上可以发现，通常输入AC电压和器件额定电压的关系表如下所示： 由此可以选择IGBT模块的耐压值为1200V。 b．确定电流值I 在选择整流模块时，我们计算得出峰值电流32.69pI，由于流过IGBT模块的电流可以近似认为与整流模块的电流相同，因此，可以认为AIIpC32.69。 c．选择产品型号 按计算所得结果选择，最后IGBT选择三菱公司的CM75MX—24A模块，该模块的主要性能参数如下：1200VCESV,A75CI。 1.2 IGBT模块的结温计算和寿命估算 1.2.1 结温计算 根据223cosoopiu可以得出63oiA，考虑最严酷的运行条件，利用三菱公司网站上的计算软件得出的计算结果如图3所示： 图 3 功耗计算结果 1.2.2 使用寿命估计

寿命的估算要考虑到两种工作模式及其有效使用寿命。 工作模式1：外壳温度变化很小，但结温变化频繁。此工作模式下的寿命又称功率循环寿命，其寿命曲线如图4所示。 由图3可以看出，IGBT模块的结温CTj18.27。考虑1%的故障率，由图4可以得出功率器件的循环次数为7102次，从而可以计算出IGBT模块的使用寿命为635.01015.310277年 图 4 功率循环曲线 工作模式2：系统从启动到停止期间温度稳定变化，其热循环曲

线如图5所示。

图5 热循环曲线

假设室温为C25，工作中最大上升到C85，所以

CCCTc602585,查表之后约为20000次。假定每天开关机两次，所以寿命约为：4.27365220000年。 综上考虑，变频器的寿命应取两者较小的，所以约为0.635年。 1.2.3 散热器的设计 散热器的设计需要计算出)(afthR，然后选择散热器。根据公式 )()()(afthfcthTacRRPTT 式中，CT为散热器的壳温； aT为环境温度；TP为IGBT模块的总功耗；

)(fcthR为界面热阻，)(afthR为散热器制造商提供散热器与周围环境的热阻。 从而可以得出：

C/W0.2760.0927.5473.1084067.99)()()(fcthTacafthRPTTR 1.3 电解电容的选择 对于三相不可控整流桥，其输出电压的波形如图6所示：

图6 三相不控整流桥输出电压波形 其中ru为整流之后未加电容的输出电压，cu为电容电压。 )3,0(),30cos(2ttUulr

式中，lU为线电压。

经分析，电容的放电时间112tTtf，1t由下式决定 )30cos(2%)1(1tUaUlPN

等效电阻 PURPN2 根据%)1(aUUPNc，计算得出

%11lnaRtCf

根据题目可知：Hzf50，VUl480~380，假设5a，经计算可得：

stf31032.2，9.411011)4802(32R 从而计算得： FaRtCf3.1081%511ln9.411032.2%11ln3 滤波电容理论值越大越好，实际应用中采用多个电容串联和并联，由于电解电容的电容量有较大的离散性，故电容组的电容量常不能相等，从而导致它们承受的电压不相等。为避免这种现象的发生，常在电容旁各并联一个阻值相等的均压电阻。 本次设计选取两个2200F的电容串联。目前市场上400V等级的电容器性价比最高，又因为直流侧最大直流电压为800V，故选用两个400V电压等级的电容串联即可满足需求，为了保证电容两端电压相等，每个电容两端分别并联一个10K的均压电阻。（参考文献 《关于电压型变频器直流环节滤波电容的计算方法》） 综上，电容选择CDE公司型号为DCMCE1649的电解电容。根据厂家提供的参数可以得知，该电容在85℃及满载条件下的寿命为2000小时。 二、 变频器保护方案的设计 在任何运行状态下，电力电子器件都需要受到保护以避免受到不允许的应力，导致电力电子器件的损坏，或其寿命的缩短。而变频器所选用的器件是以IGBT为主，因此需要针对IGBT做一系列的保护方案，主要的保护有过流、过压、过热和过载保护，在这里我们主要考虑到的是过流和过载保护。 2.1 过电流、过载保护 2.1.1 过电流保护 由于 AuPioo63cos322 所以霍尔电流传感器需要选择的范围是70A。电流信号采样电路如图7所示。

ini201R204R

203C207

R

210RTL082+15

215R

214R217RTL082222

R

212CAD

+-

-

+

图7 电流信号采样电路 电路中的R201是将采样出来的电流信号转换成电压信号，经过