1、 - 1 - 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 单相逆变电源 摘要 ： 电源是各种电子设备的核心部分，有如人体的心脏，是所有电类设备的动力。通过对逆变器的研究，单相 SPWM 逆变电路的建模， SPWM 的谐波分析，单相逆变主电路的了解，功率器件 IGBT 的掌握， MATLAB 的仿真模拟，逐步实现单相逆变电源的设计与制作，满足有一个直流输入到交流输出的过程。 关键词 ：逆变器； IGBT； SPWM 控制 1 引言 逆变电源技术已经日趋成熟，低压小功率的逆变电源已经被广泛应用于工业和民用场合中。随着电力电子技术的发展和对电气设备在性能上的要求 ，以及不同应用领域对电源的技术需要，各行各
2、业对电源的要求也在不断提高。本文就如何设计单相逆变电源，由一个直流输入输出为交流的电源做一个简单的介绍。 2 逆变器 变频器或逆变器是一种将直流电源转换为交流电源的装置。逆变器从小型开关电源到应用计算机提供作用于大型电厂的运输大电力的电源都得以广泛的应用。这使得它们非常适合当你需要使用交流电源的工具或设备时使用 1。 2.1 逆变技术的概述 DC-AC 逆变器是将直流电能变换成交流电能的装置。逆变技术的种类繁多，大致可按照交流输出能量的去向、功率流动的方向、功率变 换的多少、输出与输入的电气隔、功率拓扑结构、组成功率电路的器件、占空比的控制方式、控制技术等分类。 现代逆变技术是建立在工业电子技
3、术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体交流技术、脉宽调制技术（ PWM）、磁性材料等学科基础之上的一门实用性技术。 3 SPWM 的简介 3.1 单相 SPWM 逆变电路的建模 在此所需的研究对象是工作在单极性 SPWM 模式下的单相全桥逆变电路，如图 3-1。与半桥逆变电路相比，全桥逆变电路的主要特点有： (1)既可以工作于单极性 SPWM 方式，- 2 - 又可以工作于双极性 SPWM 方式 ，而半桥电路只能工作于双极性 SPWM 方式； (2)当两者输入直流电压相同时，全桥逆变电路输出电压基波最大时其有效值为 0 7Ud，半桥逆变电路输出电压基波最大时其有效值为为 0
4、 354Ud(3)全桥逆变电路的开关管比半桥多一倍，损耗也大 2。 图 3-1 桥式变换器主电路图 3.2 SPWM的谐波分析 SPWM逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。这些谐波分量的频率和幅值是衡量 SPWM逆变电路性能的重要指标之一，因此对 SPWM波形的谐波分析有着 重要的意义。特定消谐技术，波形重构技术，优化特定消谐技术， 正弦波脉宽调制等可极有效地减少输出波形的谐波含量所以被广泛地应用在逆变电源的各个部分进行谐波的消除和电压的调节 3。 4 脉宽调制 通过脉宽调制 虽然电压总谐波失真改善不显着，但目前的总谐波失真将大
5、大提高，因为负载通常有一些过滤效果 .如果一个低通滤波器装有 逆变器输出电压，以改善总谐波失真，高次谐波的频率是可取的 4。 4.1脉宽调制 的现状 目前中小功率的逆变电路几乎都采用 PWM 技术， PWM 逆变电路也可以分为电压型和电流型两种。根据正弦波频率、幅值 和半周期脉冲数，准确计算 PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得所需 PWM 波形，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，其结果都要变化。 5 单相逆变电源的主电路 图 3一 1为桥式变换器的主电路。桥对角的两个功率 MOS管作为一组，每组同时接通- 3 - 或断开，两组开关轮流工作，在一个周期中的短时
6、间内，四个开关将处于断开状态。四个开关导通 (或关断 )占空比值均相等。在给 T1、 T4加触发脉冲，这两个 MOS管导通，电流流过 T1的漏极，经过输出滤波电路回到 T3的漏极。当 T3、 T2加触发脉冲时，此时 T1、T4的触发脉冲消失， T3和 T2这两个 MOS管导通，但不能立即导通，先经过 D3、 D2续流，等电流下降到零时再开始导通。另外，这四个二极管还有限制过电压的作用 5。 6 IGBT 的介绍 6.1 IGBT IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管 )和 MOS(绝缘栅型场效应管 )组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 , 兼有 MOSFET 的高输入
7、阻抗 GTR 的低导通压降两方面的优点。 GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大 ;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了 以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域 6。 IGBT 和功率 MOSFET 同样，虽然在门极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加 P+层，在导通状态下从 P+层向 N 基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率 MOSFET 相比，可以得到极低的通态电阻 7。 6.2 功率器件 IGBT的
8、驱动 IGBT 的驱动条件与其特性密切相关。在设计门极驱动电路时应特别注意开通特性，负载短路能力和误触发等问题。 对驱动电路总的要求包括以下方面： 1、 IGBT 驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短； 2、用内阻小的驱动源对栅极电容放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小 3、 IGBT 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对 IGBT 的保护功能，并有极强的抗干扰能力 8。 6.3 功率器件 IGBT的保护 使用集成电路时应注意以下几个方面： - 4 - 1、 IGBT 的栅极与射极驱动回路线一定要小于 1 m； 2、 IGBT 的栅射驱动接线应用绞
9、线； 3、在 IGBT 应用中，关键的技术之一是过流保护， 他不仅 直接关系到 IGBT 器件本身的工作性能和运行安全 ,，而且影响到整个系统的性能和安全。 I GBT 应用的失败 , 很大程度上取决于过流保护系统设计的优劣 9。 7 MATLAB仿真模拟 在课题进行到实际操作时，可以进行 MATLAB 仿真模拟， MATLAB 是一种数值计算型科技应用软件，它具有编程简单直观，用户界面友善，开放性强等优点，由此，在国际上很快推广应用， MATLAB 具有强大的数值计算与符号计算功能，以及强大的数据可视化，人机智能交互能力，其发展不断推陈出新，对控制系统的建模，分析和设计提供了一个完整的解决
10、方案，主要功能是：系统建模、系统分析、系统设计、通过 MATLAB 的系统设计，分析和建模更有效的分析了计划的可行性，为之后的工作进展提供了有力的支持10。 结论 随着电力电子技术的不断发展，通过好的控制方法，电力电子器件性能的提升和软件仿真模拟的日趋完善，相信，单相逆变电源的发展能更好的满足各行各业对于高性能电源的要求。 - 5 - 参考文献 1 AZUAN BIN ALIAS.MODELING AND SIMULATION OF SINGLE PHASE INVERTER WITH PWM USING MATLAB/SIMULINKD. University Malaysia Pahang
11、 ,2007-11. 2 陆冬良 .基于重复控制的单极性 SPWM逆变电源研究 D.四川大学， 2006-4-1. 3 王树文，纪延超，马文川 .中国电机工程学报 J.2006 -9 (17):62 66. 4 Zainal Salam.SPWM.EB/OL,2010-11-20. http:/encon.fke.utm.my/notes/SPWM.pdf 5 朱代祥 .单相正弦脉宽调制逆变电源的设计 D.四川大学， 2004-3-25. 6 科达股份连续四涨停 IGBT概念暴涨分析 EB/OL， 2010-11-21. http:/ 7 IGBT的介绍与应用 EB/OL,2010-11-23. http:/www.sz- 8 冲式变压变频电镀电源的设计， 2010-11-27. http:/ 9 谭贵，廉士良 .应用 SA8381 实现的单相 SPWM全数字控制逆变电源 J现代电子技术 2005 年（ 7 ）： 65 68 10 胡寿松 .自动控制原理（第二版） M.科学出版社， 2007-10.
