电力电子技术课程设计班级学号姓名电气工程及其自动化二零一五年一月目录1 绪论 (2)1.1 电力电子简介 (2)1.2 课程设计的目的与要求 (2)1.3 课程设计题目 (3)1.4 仿真软件的使用 (3)2 工作原理 (4)2.1 逆变电路原理 (4)2.1.1 电压型逆变电路 (4)2.1.2 电流型逆变电路 (6)2.2单相桥式PWM逆变电路的基本原理 (10)2.2.1 单极调制法 (11)2.2.2 双极调制法 (12)3 电路的设计过程 (13)3.1 逆变控制电路的设计 (13)3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 (14)3.2.1 正弦脉宽调制技术 (14)3.2.2单极性调制方式 (15)3.2.3 双极性调制方式 (15)3.2.4 单极性倍频调制方式 (15)3.3 3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 (16)4 仿真实验与结果 (17)4.1 单相桥式PWM逆变主电路原理图 (17)4.2 仿真所得波形 (17)5 仿真结果分析 (19)6 心得体会 (20)7 参考文献 (21)1 绪论1.1 电力电子简介随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。

对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。

因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。

电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。

目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。

IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。

它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。

尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。

在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。

该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。

本次课程设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。

1.2 课程设计的目的与要求1. 进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性；2. 进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理；3. 掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数的计算方法；4. 培养对电力电子电路的性能分析的能力；5. 培养撰写研究设计报告的能力。

通过对一个电力电子电路的初步设计，巩固已学的电力电子技术课程的理论知识，提高综合应用能力，为今后从事电力电子装置的设计工作打下基础。

1.3 课程设计题目PWM 控制的单相逆变电路的设计及其研究(PSPICE)1.4 仿真软件的使用在电力电子系统中，需要应用大功率开关器件，因此对工程技术人员来说对所设计的电路最好能通过计算机分析和仿真，不断修改和完善电路，这样做的好处可避免元器件损耗，节省费用，缩短设计周期，优化电路设计。

不过计算机分析和仿真只能作为一个工具，电路是否真正达到要求的性能指标，最终还必须通过实际试验来检验。

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)诞生于加州 Berkeley 的研究小组（Dr. Laurence Nagel），经过国家实验室与科技公司的不断孵化，最终成为各种带有图形界面的互动仿真软件包，其中 OrCAD 是Cadence 公司的产品，是一种易于入门的元件级电路设计仿真软件，它能在 PC 机上工作。

特点是精度高，图形功能强，应用广。

2 工作原理2.1 逆变电路原理2.1.1 电压型逆变电路1 电压型逆变电路的特点：(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

(2)交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。

(3)阻感负载时需提供无功功率。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

2 单相全桥逆变电路的移相调压方式：共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。

两对桥臂交替导通180°。

输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。

改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。

阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压——移相调压。

V3的基极信号比V1落后θ（0＜θ＜180 °）。

V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－θ。

输出电压是正负各为θ的脉冲。

改变θ就可调节输出电压。

故移相调压就是调节输出电压的脉宽。

3 带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个IGBT ，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。

两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。

Ud 和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo 和io 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。

此电路与全桥电路的比较：1）比全桥电路少用一半开关器件。

2）器件承受的电压为2Ud ，比全桥电路高一倍。

3）必须有一个变压器 。

单相全桥逆变电路的移相调压方式u u u i ou o2.1.2 电流型逆变电路1电流型逆变电路主要特点：1)直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。

2)交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。

输出电压波形和相位因负载不同而不同。

3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。

换流方式有负载换流、强迫换流。

2 单相电流型逆变电路图4单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路此电路的工作原理如下：1）由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。

2）工作方式为负载换相。

3）电容C和L、R构成并联谐振电路。

4）输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。

5）负载电路对基波呈现高阻抗而对谐波呈现低阻抗，故负载电压波形接近正弦波。

工作分析一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段。

图5 并联谐振式逆变电路工作波形3保证晶闸管的可靠关断及有关参数计算。

(1) 负载端加正向电压；(2)负载端加正向电压；两状态都可以列出一阶微分RLu iR dt di Lo ==+τ;0 OO OOOOO Ou G1,4uG2,3iTiouu ABVT2,VT1,)1(2)1(2t 022222111ττττC C T t T t o o o o C Co tt o o o o C o e REeI i I i T t T E u e R Ee I i I i T E u --------=≤≤-=-+=≤≤=；解得：初值）、时（；解得：初值）、时（稳态后电流连续)2();(1221Co o C o o T i I T i I ==且由以上可以推测21o o I I -=则)1()2(22112o 1o ττC C T T o Co e RE eI T i I I ---+===-推得：2o 221o -11I e e R E I CC T T =+-=--ττ带入数据解得稳态后电流初值为727.27116011-=+-⨯--e e 则计算得到稳定后一个周期内⎩⎨⎧≤≤-≤≤=02.001.060001.00600t t u o ⎪⎩⎪⎨⎧≤≤--≤≤--=------02.001.0)1(60727.2701.00)1(60727.27-01.001.001.001.001.001.0t e e t e e i t t t t o 接着对ou 傅里叶分解进行谐波分析，因其是方波分解成......)5sin 513sin 31(sin 4+++t t t E ωωωπ 所以基波有效值为19.54021200=π电压谐波总畸变率为%343.4819.54019.540-60022u ==THD可以看出电压谐波分量很大，那么电流中也一定含有大量谐波。

所以电压型逆变电路结构简单，方便可靠。

但若想要在波形上与正弦电压得到更加接近，我们就可以考虑PWM控制逆变。

实际上如中频加热过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式；定工作频率的控制方式称为他励方式。

自励方式存在起动问题，解决方法：1）先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式；2）附加预充电起动电路，形成衰减振荡后，再转入自励。

2.2单相桥式PWM逆变电路的基本原理PWM调制电路图在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

图2-1可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。

根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。

用PWM 波代替正弦半波 a ）正弦半波 b ）脉冲序列单相桥式PWM 逆变电路的控制方法有计算法与调制法两种。

但计算法所需时间长，即使采用规则采样法，计算能力不足时难以快速反应信号波，于是实际中多采用调制法，它的神奇之处在于自然采样法，只要有三角波这把量尺，自然的就为不同信号波“量身定做”它的脉冲序列。

2.2.1 单极调制法单极性PWM 控制方式波形负载为阻感负载时，工作时V 1和V 2通断互补，V 3和V 4通断也互补。

单极性PWM 控制方式（单相桥逆变）：在r u 和c u 的交点时刻控制IGBT 的通断， 波形见图2-2。

具体控制规则我们会在仿真时进一步说明，这里只要看上图就能了解。

2.2.2 双极调制法采用双极性方式时，在r u 的半个周期内，+三角载波不再是单极性，而是有正有负，所得的PWM 波也是有正有负。

在r u 的一个周期内，输出的PWM 波只有 d U 两种电平不像单极性控制时还有零电平。

在r u 的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

即当r u >c u 时，1V 4V 导通，2V 3V 以关断，r u <c u ，1V 4V 关断，2V 3V 导通。

波图件图2-3。