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单相正弦波变频电源设计

摘要

随着现代工业和科技的发展，电源在工作、生活等方面的作用越来越重要但许多用户的用电设备并非直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。把直流电能转变成交流电能供给负载的DC-AC逆变器，特别是正弦波逆变器，其种类繁多，应用领域广泛，优越性明显。因此，高性能的逆变器成为目前电力电子领域的研究热点之一。

正弦脉宽调制(SPWM)逆变器作为逆变器的一种，可输出谐波含量小的正弦波形。正弦波逆变电源已广泛用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源、计算机电源，UPS 不间断电源、医疗和照明电源、雷达高压电源、音响和视频电源等。随着数字化控制技术的发展，SPWM脉冲波的生成和逆变器的全数字化控制渐趋方便，并可使逆变器的输出波形的稳态精度、暂稳态响应、可靠性等得到进一步提高。

论文设计的单相正弦波逆变电源属于交流电源(AC-DC-AC逆变)。该电源系统的设计包括主电路和控制电路。论文首先介绍了逆变电源的发展现状；阐述了逆变系统的工作原理；对PWM技术和IGBT进行了简单介绍；分析了正弦脉宽调制的原理及其几种主要的调制方式；还研究了逆变电源主电路的参数，包括整流滤波电路，IGBT的选择，输出滤波参数的确定；最后介绍了系统的软件设计实现的具体过程，并给出了系统主程序流程图和中断流程图，程序清单。

关键词：逆变电源；正弦脉宽调制；IGBT

Abstract

With the development of modern industry, science and technology, power supply becomes more and more important in work and life. But many users' devices can't work with AC directly provided by public electricity, which should be converted by power electronics technique to the forms needed. DC-AC inverters, especially sinusoidal inverters, which convert alternating current to direct current, are various, widely used and excellent. Therefore, High performance inverters have been one of points of power electronics.

As one of inverters, Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) inverters can achieve low total harmonic distortion (THD) output wave. Sinusoidal Pulse Width Modulation(SPWM) inverters have been applied in the following aspects widely. They are DC power supply, AC power supply, industry power supply, computer power supply, UPS power supply, power supply of medical treatment and lighting, high voltage power supply of radar, power supply of sound and video frequency and so on. With the development of digital control techniques, the production of SPWM and digital control of inverters become convenient, which makes the output wave's steady-state precision, transient and steady-state response, reliability improved.

Single-phase Sinusoidal Pulse Width Modulation Inverter Power Supply in this thesis belongs to AC power supply (AC-DC-AC convert). The power supply system includes the main circuit design and control circuits. The thesis presents the current situation and development trends of the inverters, discusses the inverter system's working principle and mathematic model; gives an outline of PWM technology and IGBT device; analyses the principles of the sine width modulate and major modulate methods; describes the major parameters of the system to identify, including the rectifier filter circuit, IGBT choice, the output filter parameters of. Finally, it introduces specific achieved process of software design in the last chapter, providing the system flow chart of main program and interrupt program, and program list.

Key words: Inverter; SPWM;IGBT

摘要.................................................. I Abstract ............................................. II 1. 概述 . (1)

1.1 逆变技术简介 (1)

1.2 逆变器分类 (1)

1.3 逆变技术的优越性 (1)

1.4 逆变电源的性能 (2)

1.5 逆变电源研究的技术现状 (2)

1.6 逆变电源技术研究的发展趋势 (3)

1.7 本文所做工作 (4)

2. 逆变电路的基本理论 (6)

2.1 逆变电路的基本工作原理 (6)

2.2 电压型逆变电路 (6)

2.2.1半桥逆变电路 (7)

2.2.2全桥逆变电路 (8)

2.2.3带中心抽头变压器的逆变电路 (11)

2.3 IGBT有关知识 (11)

2.3.1IGBT的工作原理 (12)

2.3.2IGBT特性与参数特点 (12)

2.3.3IGBT的保护 (15)

3. SPWM波形工作原理 (16)

3.1 PWM概述 (16)

3.2 PWM波形原理 (16)

3.3 SPWM的波形产生方法 (20)

3.3.1硬件调制法 (20)

3.3.2低次谐波消去法 (20)

3.3.3软件生成法 (20)

4. 系统硬件设计 (23)

4.1 系统总体结构设计 (23)

4.2 系统主电路设计 (24)

4.2.1主电路分析 (24)

4.2.1整流、滤波电路设计 (25)

4.2.2IGBT的主电路 (26)

4.2.3输出滤波环节 (30)

5. 系统软件设计 (33)

5.1 SPWM波形的实现方法 (33)

5.2 软件设计流程图 (34)

结论 (36)

致谢................................... 错误！未定义书签。参考文献 ............................... 错误！未定义书签。附录程序清单 . (37)

1. 概述

逆变器是整流器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件(例如GTO, IGBT、功率MOSFET模块等)的开通与关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。逆变电源是逆变器的一种，并已广泛应用于通讯、军事、医疗、航空航天等各个领域[1]。

1.1 逆变技术简介

采用逆变技术可获得不同的稳定或变化形式的电能，其具体应用有:

(1) 将蓄电池的直流电逆变为交流电，如不间断电源(UPS)、应急灯电源、通用逆变电源等。

(2) 获得可变频率的交流电源，应用于交流电动机变频调速等；同时还可以实现电动机制动再生能量回馈。

(3) 利用感应涡流产生热量，如中频炉和高频感应加热。

(4) 其它如弧焊电源、通信开关电源、变频电源、医用电源、化学电源、汽车电源等[2]。

1.2 逆变器分类

现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类，其主要的分类方式如下:

(1) 按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频逆变一般指50～60Hz；中频逆变一般为400Hz到十几kHz；高频逆变则一般为十几kHz 到MHz。

(2) 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。

(4) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。

(5) 按逆变主开关器件的类型，可分为GTO逆变、GTR逆变、功率MOSFET逆变、IGBT逆变，等等。

(6) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。

(7) 按直流输入波形和交流输出波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。

(8) 按控制方式可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。

(9) 按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。

1.3 逆变技术的优越性

(1) 灵活调节输出电压或电流的幅度和频率。

(2) 将蓄电池中的直流电转换成交流电或其它形式的直流电。

(3) 明显的减小用电设备的体积和重量。

(4) 高效节能。

(5) 动态响应快、控制性能好、电气性能指标好。

(6) 保护快。

1.4 逆变电源的性能

逆变电源的性能指标很多，包括：(1) 稳态精度；(2) 动态性能，其中最重要的是输出信号的波形质量。在正弦波逆变电源中，引起输出波形畸变的因素多样，如何实现输出信号无误差的跟踪输入参考信号，提高稳态精度，此为问题之一；当负载切换或者变化、存在扰动输入时，如何实现输出信号快速达到稳态，此问题之二。因而，如何实现逆变电源输出信号的高稳态精度，快速的暂、稳态响应已成为当前研究热点之一。

以单相正弦波逆变电源为例，引起输出波形畸变的因素有:

(1) SPWM驱动波形的死区效应。

(2) 负载效应。

(3) 滤波参数的设计。

1.5 逆变电源研究的技术现状

随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变电源出现了许多的变压、变频控制方法。目前采用较多的是脉宽调制技术即PWM控制技术，即利用控制输出电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。由于PWM技术可以迅速地控制输出电压，及其有效地进行谐波抑制，因而它的动态响应好，在输出电压质量、效率诸方面有着明显的优点。

根据形成PWM波原理的不同，大致可以分为以下几种：矩形波PWM；正弦波PWM (SPWM)；空间相量PWM (SVM)；特定谐波消除PWM；电流滞环PWM等。这四类PWM 波各有优缺点，因而适用于不同的场合。本文主要讨论正弦波逆变器，因此主要讨论SPWM正弦脉宽调制法(Sinusoid-PWM) [3]。

SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由A. Schonung 和H. Stemmler 把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由Bristol大学的S. R. Bower等于1975年对该技术正式进行了推广应用。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展

起了重要的推动作用。

目前随着工业用的高速数字信号处理器(DSP)的发展，正弦波逆变器的控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。

在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID 控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。PID控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，具有较快的动、静态响应特性数字PID算法获得应用。

1.6 逆变电源技术研究的发展趋势

电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。1969年诞生的逆变电源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。近年来，现代逆变电源技术发展主要表现出以下几种趋势：

(1) 高频化。理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频5OHz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5%～10%,其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值[4]。

(2) 模块化。模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块

中，使元器件之间不再有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电力。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。

(3) 数字化。现在数字式信号、数字电路越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制，避免模拟信号的畸变失真，提高系统抗干扰能力，便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便[5]。

(4) 绿色化。随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。绿色电源的含义有两层：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是：单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。

随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展和电力电子器件的高性能化、拓扑电路理论的创新、现代控制技术的广泛应用及其实现的手段的先进性，现代电源的设计及分析工具得以进一步完善。今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。

1.7 本文所做工作

本文所做的工作是了解并掌握逆变电源的原理，了解逆变电源的的技术现状，了解并掌握SPWM的原理和用单片机产生SPWM，并用IGBT模块IM14400设计出一个单相正弦波变频电源。

本文所设计的变频电源的参数要求：

(1) 输入电压：市电两相电源220VAC±10%；

(2) 输出电压：输出为单相20VAC(有效值)、频率为20Hz的稳压电源；

(3) 输出电流：输出电流有效值为3A；

(4) 具有过流保护功能，输出电流有效值达3.6 A时，自动切断输入交流电源；

(5) 稳压精度小于±5%。

2. 逆变电路的基本理论 2.1 逆变电路的基本工作原理

与整流相对应，把直流电变成交流点称为逆变。以图2-1(a)的单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理。图中1S ～4S 是桥式电路的4个臂，他们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关1S 、4S 闭合，2S 、3S 断开时，负载电压0u 为正；当开关1S 、4S 断开，2S 、3S 闭合式，0u 为负，其波形如图2-1(b)所示。这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。

图2-1 逆变电路及其波形举例

当负载为电阻时，负载电流0i 和电压0u 的波形形状相同，相位也相。当负载为阻感时，0i 相位滞后于0u ，二者波形的形状也不同，图2-1(b)给出的就是阻感负载时的0i 的波形。设1t 时刻以前1S 、4S 导通，0u 和0i 均为正。在1t 时刻断开1S 、4S ，同时合上2S 、

3S ，则0u 的极性立刻变为负。但是负载中有电感，其电流方向不能立刻改变而仍维持原

方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经2S 、负载和3S 流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到2t 时刻降为零，之后0i 才反向并逐渐增大。2S 、3S 断开，1S 、4S 闭合时的情况类似。

2.2 电压型逆变电路

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为直流型逆变电路。他们也分别被称为电压源逆变电路

负载

U 0

i 0

u 1

S 4

S 2

S 3

S 0

i 0

u 1t 2

t (a)(b)

（V oltage Source Type Inverter-VSTI ）和电流源型逆变电路（Current Source Type Inverter-CSTI ）。这里主要介绍电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性。

电压型逆变电路有以下主要特点：

(1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

(2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电源波形为矩形波，并且与负载阻抗角有关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

(3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供信道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

2.2.1半桥逆变电路

半桥逆变电路原理图如图2-2(a)所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点。负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。

图2-2 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

设开关器件1V 和2V 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2-2(b)所示。输出电压0u 为矩形波，其幅值为

m U =d

/2。输出电流0i 波形随负载情况而已。设2t 时刻以前1V 为通态，2V 为断态。2t 时

刻给1V 关断信号，给2V 开通信号，则1V 关断，但感性负载中的电流0i

不能立即改变方向，

U U U 1

D 2

i u U U -112

V D 2

(a)

(b)

于是2VD 导通续流。当3t 时刻0i 降为零时，2VD 截止，2V 开通，0i 开始反向。同样，在4t 时刻给2V 关断信号，给1V 开通信号后， 1VD 先导通续流，5t 时刻1V 才开通。各段时间内导通器件的的名称标于图2-2(b)的下部。

当1V 或2V 为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当1VD 或

2VD 为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈，即负载电

感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时存储在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。因为二极管1VD 、2VD 是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为1VD 、2VD 起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管。

当可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，必须附加强迫换流电流才能正常工作。

半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值m U 仅为

/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，

半桥电路常用于几kW 以下的小功率逆变电路。

2.2.2全桥逆变电路

图2-3 单相全桥电压型逆变电路

电压型全桥逆变电路的原理图如图2-3所示，它共有四个桥臂，可以看出由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180。其输出电压0u 的波形图和图2-2 (b)的半桥电路的波形0u 形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，m U =d U 。在直流电压和负载都相同的情

V D 2

况下，其输出电流0i 的波形当然也和图2-2(b)中的0i 形状相同，仅幅值增加一倍。图2-2中的1VD 、1V 、2VD 、2V 相继导通的区间，分别对应图2-3中的1VD 和4VD 、1V 和4V 、2VD 和3VD 、2V 和3V 相继导通的区间。关于无功能量的交换，对于半桥逆变电路的分析也完全适用于全桥逆变电路。

图2-4 单相全桥逆变电路的移相调压方式

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。下面对其电压波形作定量分析。把幅值为d U 的矩形波0u 展开成傅里叶级数得

0u =4d U /π（+++t t t ωωω5sin 5/13sin 3/1sin ···）其中基波的幅值m U 01和基波有效值01U 分别为 m U 01=4d U /π=1.27d U 01U =22d U /π=0.9d U

上述公式对于半桥逆变电路也是适用的，只是式中的d U 要换成d U /2。

V D 2

D (a)

(b)

0i 0

i 0

u 1

G u 4

G u t

G u 3

G u

前面分析的都是0u 为正负电压各为?180的脉冲时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压d U 来实现。

在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲宽度。在图2-4(a)的单相全桥逆变电路中，各IGBT 的栅极信号仍为?180正偏，?180反偏，并且1V 和2V 的栅极信号互补，3V 和4V 的栅极信号互补，但3V 的基极信号不是比1V 落后?180，而是落后θ（0<θ

设在1t 时刻前1V 和4V 导通，输出电压0u 为d U ，1t 时刻3V 和4V 栅极信号反向，4V 截

止，而因负载电感中的电流0i 不能突变，3V 不能立刻导通，3VD 导通续流。因为1V 和3

VD 同时导通，所以输出电压为零。到2t 时刻1V 和2V 栅极信号反向，1V 截止，而2V 不能立刻导通，2VD 导通续流，和3VD 构成电流通道，输出电压为-d U 。到负载电流过零电流过零并开始再次反向，3V 截止，而4V 不能立刻导通，4VD 导通续流，0u 再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压0u 的正负脉冲宽度就各为θ。改变θ，就可以调节输出电压。

图2-5 带中心抽头变压器的逆变电路

在纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到相同的结果，只是1VD ～4VD 不再

u 0

i 负载

导通，不起续流作用。在0u 为零的期间，4个桥臂均不导通，负载也没有电流。

显然，上述移相调压方式并不适合于半桥逆变电路。不过在纯电阻负载时，仍可采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压。这时，上下两桥的栅极信

号不再是各?180正偏、?180反偏并且互补，而是正偏的宽度为θ、反偏的宽度为?360-θ，

二者相位差?180。这时输出电压0u 也是正负脉冲的宽度各为θ。

2.2.3带中心抽头变压器的逆变电路

图2-5是其原理图。交替驱动两个IGBT ，通过变压器的耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈信道。在d U 和负载参数相同，且变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比1:1:1的情况下，该电路的输出电压0u 和输出电流的波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。

图2-5的电路虽然比全桥电路少用了一半开关器件，但器件承受的电压却为2d U ，比全桥电路高一倍，且必须有一个变压器[6]。

2.3 IGBT 有关知识

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT,因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT 于1982年开始研制，1986年投产，是发展很快而且很有前途的一种混合型器件。IGBT 综合了MOS 和GTR 的优点，其导通电阻是同一耐压规格的功率MOS 的1/10，开关时间是同容量GTR 的1/10。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT 有取代GTR 和VDMOS 的趋势[7]。

(a)内部结构端面示意图 (b)简化等效电路

图2-6 IGBT 的结构和简化等效电路

区漂移区冲区入区

2.3.1IGBT 的工作原理

(1) IGBT 的结构

就IGBT 的结构而言，是在N 沟道MOSFET 的漏极N 层上又附加上一层P 层的

N P 的四层结构。图2-6(a)为N 沟道VDMOSFET 与GTR 组合的N 沟道

IGBT(N-IGBT)。IGBT 比VDMOSFET 多一层+P 注入区，形成了一个大面积的N P +结1J ,使IGBT 导通时由+P 注入区向N 基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT 具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT 是GTR 与MOSFET 组成的达林顿结构，是一个由MOSFET 驱动的厚基区PNP 晶体管，ff R 为晶体管基区内的调制电阻。

(2) IGBT 的工作原理

N 沟道IGBT 通过在栅极一发射极间加阈值电压TH U 以上的(正)电压，在栅极电极正下方的P 层上形成反型层(沟道)，开始从发射极电极下的-N 层注入电子。该电子为

P N P -

晶体管的少数载流子，从集电极衬底P

层开始注入空穴，进行电导率调制(双极

工作)，所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图2-1(b)所示，在发射极电极侧形成PN N +寄生晶体管。若寄生晶体管工作，又变成++-PN N P 晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。这种状态称为闭锁状态[8]。

为了抑制寄生晶体管的工作，IGBT 采用尽量缩小P N P -+晶体管的电流放大系数a 作为解决闭锁的措施。具体来说，P N P -+的电流放大系数a 设计在0. 5以下。IGBT 的闭锁电流L I 为额定电流(直流)的3倍以上。IGBT 的驱动原理与功率MOSFET 基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压GE U 决定。

导通：GE U 大于开启电压时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。

导通压降：电导调制效应使电阻on R 减小，使通态压降减小。

关断：栅、射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。

2.3.2IGBT 特性与参数特点

(1) IGBT 的伏安特性和转移特性

IGBT 的伏安特性如图2-7(a)所示，它反映在一定的栅极-发射极电压GE U 与c I 的关系。GE U 越高，c I 越大。值得注意的是，IGBT 的反向电压承受能力很差，从曲线中可知，其反向阻断电压BM U 只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场所的使用。

图2-7(b)是IGBT 的转移特性曲线。当GE U >)(TH GE U (开启电压，一般为3-6伏)

图2-7 IGBT 的伏安特性和转移特性

时，IGBT 开通，其输出电流c I 与驱动电压GE U 基本呈线性关系。当GE U < )(TH GE U 时，关断。

(2) IGBT 的参数特点

①IGBT 的开关特性好，开关速度快，其开关时间是同容量GTR 的1/l0.IGBT 的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通时间定义on t 为从驱动电压GE U 的脉冲前沿上升到最大值GEM U 的10%所对应的时间起至集电极电流c I 上升到最大值CM

I 的90%止所需要的时间。on t 又可分为开通延迟时间)(on d t 和电流上升时间r t 两部分。

)(on d t 定义为从10% CEM I 到10%CM I 所需的时间，r t 定义为c I 从10%CM I 上升至90%CM I 所需要的时间，如图2-8所示。

IGBT 的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。关断时间off t 定义为从驱动电压GE U 的脉冲后沿下降到90% GEM U 处起至集电极电流下降到10%CM I 处所经过的时间。off T 又可分为关断延迟时间)(off d t 和电流下降时间f t 两部分。)(o ff d T 是从90%CEM U 至90%CM I 所需的时间; f t 是指90%CM I 下降至10%CM I 所需的时间，f t 由1fi t (由IGBT 中的MOS 管决定)和 2fi t (由IGBT 中的PNP 晶体管决定)两部分组成。

IGBT 的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。随着集电极电流C

I 和栅极电阻G R 的增加，其中G R 对开关时间影响较大。

②IGBT 的通态压降低。在大电流段是同一耐压规格的VDMOS 的1/10左右。在小电流段的1/2额定电流以下通态压降有负温度系数，因此IGBT 在并联使用时具有电流自动调节能力。

I )

(TH ge (a)

(b)

图2-8 IGBT 的开关特性

③IGBT 的集电极电流最大值CM I 。在IGBT 管中由GE U 来控制C I 的大小，当C I 大到一定的程度时，IGBT 中寄生的NPN 和PNP 晶体管处于饱和状态，栅极G 失去对集电极电流C I 的控制作用，这叫擎住效应。IGBT 发生擎住效应后，C I 大、功耗大，最后使器件损坏。为此，器件出厂时必须规定集电极电流的最大值CM I ，以及与此相应的栅极-发射极最大电压GEM U 。集电极电流值超过CM I 时，IGBT 产生擎住效应。另外器件在关断时电压上升率dt

/太大也会产生擎住效应。

④IGBT 的安全工作区比GTR 宽，而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。

IGBT 在开通时为正向偏置，其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA ，如图2-9(a)所示，IGBT 的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。

IGBT 在关断时为反向偏置，其安全工作区称为反偏安全工作区RBSOA ，如图2-9(b)所示，RBSOA 与电压上升率dt

/有关，dt

/越大，RBSOA 越小。在使用中一

般通过选择适当的GE U 和栅极驱动电阻控制dt

dU CE

/,避免IGBT 因dt

/过高而产生

擎住效应。

⑤IGBT 的输入阻抗高，可达910～1110欧姆数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS 相似。

⑥与VDMOS 和GTR 相比，IGBT 的耐压可以做得更高，最大允许电压CEM U 可达到4500伏以上。

cm I cm

I cm

I U U U 0.90.10.90.1

图2-9 IGBT 的安全工作区

⑦IGBT 的最高允许结温为150C 。VDMOS 的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT 的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。

2.3.3IGBT 的保护

IGBT 与电力MOSFET 管一样具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。

IGBT 作为一种大功率电力电子器件常用十大电流、高电压的场合，对其采取保护措施，以防器件损坏显得非常重要。

(1) 过电流保护

IGBT 应用于电力系统中，对于正常过载(如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等)系统能自动调节和控制，不至于损坏IGBT 。对于非正常的短路故障要实行过流保护。通常的做法是:

①切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号，就在2μs 内迅速撤除栅极信号。 ②当检测到过流故障信号时，立即将栅压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设定值之前，若故障消失，则栅压又恢复到正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则把栅压降低到零。这种保护方案要求保护电路在1-2μs 内响应。

(2) 过电压保护

利用缓冲电路能对IGBT 实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率/dU dt 但由于IGBT 的安全工作区宽，因此，改变栅极电阻的大小，可减弱IGBT 对缓冲电路的要求。然而，由于IGBT 控制峰值电流能力比VDMOS 强，因此在有些应用中可不用缓冲电路。

(3) 过热保护

利用温度传感器检测IGBT 的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护

[9]

。

I C

I ce

U ce

U 0

D C

1000V /us 2000V /us 3000V /us

(a)(b)

s 4

-s

3. SPWM波形工作原理

3.1 PWM概述

所谓PWM技术就是用功率器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现变压变频及控制和消除谐波为目标的一门技术，也就是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法(这里所谓相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波)，当然不同信号调制后生成的PWM脉宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大[10]。

PWM技术最初应用于直流变换电路，随后将这种方式与频率控制相结合，产生了应用于逆变电路的PWM控制技术。用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值的调节。具体来说，就是用一种参考正弦波为“调制波”，而以N倍于调制波频率的三角波为“载波”。由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变换成交流电。

随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波器中的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，PWM技术己成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于PWM技术和实现数字化控制以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的PWM控制方式在不断出现。

目前已经提出并得到应用的PWM控制技术就不下十种。尤其是微处理器应用于PWM技术之后，PWM技术得到了进一步的发展，从追求电压的正弦波到电流的正弦波，再到磁通的正弦波；从效率最优到转矩脉动最小，再到噪音最小等，PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的过程。

PWM控制技术可分为三大类，即正弦PWM(包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM控制技术)，最优PWM及随机PWM。从实现方法上大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件和查表等几种实现方法。从控制特性来看主要可以分为两种：开环式(电压或磁通控制型)和闭环式(电流或磁通控制型)。当然还有其它分类方法，这里就不再逐一叙述[11]。

3.2 PWM波形原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性

D题-单相正弦波变频电源

2016年TI 杯大学生电子设计竞赛参赛注意事项（1）7月25日8:00 竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。（4）每队严格限制3 人，开赛后不得中途更换队员。（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。（6）7月28日20:00 竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 D 题：单相正弦波变频电源【本科组】 1.任务设计并制作一个单相正弦波变频电源，其原理框图如图1所示。变压器输入电压U 1=220V ，变频电源输出交流电压U O 为36V ，额定负载电流I O 为2A ，负载为电阻性负载。 AC-DC DC-AC U 1 变压器U O I O U 2 图1 单相正弦波变频电源原理框图 2.要求（1）输出频率范围为20Hz~100Hz ，U O =36±0.1V 的单相正弦波交流电；（15分）（2）输出频率f O =50±0.5Hz ，电流I O =2±0.1A 时，使输出电压U O =36±0.1V ；（10分）（3）负载电流I O 在0.2～2A 范围变化时，负载调整率S I ≤0.5%；（15分）（4）负载电流I O =2A ，U 1在198V ～242V 范围变化时，电压调整率S U ≤0.5%；（15分）（5）具有过流保护，动作电流I O(th)=2.5±0.1A ，保护时自动切断输入交流电源；（10分）（6）I O =2A ，U O =36V 时，输出正弦波电压的THD≤2%；（15分）（7）I O =2A ，U O =36V 时，变频电源的效率达到90%；（15分）（8）其他；（5分）（9）设计报告。（20分）

基于DSP的三相SPWM变频电源的设计

基于DSP的三相SPWM变频电源的设计变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。现代变频电源以低功耗、高效率、电路简洁等显著优点而备受青睐。变频电源的整个电路由交流-直流-交流-滤波等部分构成，输出电压和电流波形均为纯正的正弦波，且频率和幅度在一定范围内可调。本文实现了基于TMS320F28335的变频电源数字控制系统的设计，通过有效利用TMS320F28335丰富的片上硬件资源，实现了SP WM的不规则采样，并采用PID算法使系统产生高品质的正弦波，具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等优点。系统总体介绍根据结构不同，变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即交-直-交变换过程。首先通过单相全桥整流电路完成交-直变换，然后在DSP控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。变频系统控制器采用TI公司推出的业界首款浮点数字信号控制器TMS320F28335，它具有150MHz高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期32位累加运算，可满足应用对于更快代码开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。与上一代领先的数字信号处理器相比，最新的F2833x浮点控制器不仅可将性能平均

提升50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28x TM控制器软件的特点。系统总体框图如图1所示。图1 系统总体框图（1）整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。其中功率级采用智能型IPM功率模块，具有电路简单、可靠性高等特点。（3）LC滤波模块：滤除干扰和无用信号，使输出信号为标准正弦波。（4）控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生SPWM控制信号，去控制IPM开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过SPI接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。捕获单元完成对输出信号的测频。

单相正弦波变频电源设计

摘要随着现代工业和科技的发展，电源在工作、生活等方面的作用越来越重要但许多用户的用电设备并非直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。把直流电能转变成交流电能供给负载的DC-AC逆变器，特别是正弦波逆变器，其种类繁多，应用领域广泛，优越性明显。因此，高性能的逆变器成为目前电力电子领域的研究热点之一。正弦脉宽调制(SPWM)逆变器作为逆变器的一种，可输出谐波含量小的正弦波形。正弦波逆变电源已广泛用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源、计算机电源，UPS 不间断电源、医疗和照明电源、雷达高压电源、音响和视频电源等。随着数字化控制技术的发展，SPWM脉冲波的生成和逆变器的全数字化控制渐趋方便，并可使逆变器的输出波形的稳态精度、暂稳态响应、可靠性等得到进一步提高。论文设计的单相正弦波逆变电源属于交流电源(AC-DC-AC逆变)。该电源系统的设计包括主电路和控制电路。论文首先介绍了逆变电源的发展现状；阐述了逆变系统的工作原理；对PWM技术和IGBT进行了简单介绍；分析了正弦脉宽调制的原理及其几种主要的调制方式；还研究了逆变电源主电路的参数，包括整流滤波电路，IGBT的选择，输出滤波参数的确定；最后介绍了系统的软件设计实现的具体过程，并给出了系统主程序流程图和中断流程图，程序清单。关键词：逆变电源；正弦脉宽调制；IGBT

Abstract With the development of modern industry, science and technology, power supply becomes more and more important in work and life. But many users' devices can't work with AC directly provided by public electricity, which should be converted by power electronics technique to the forms needed. DC-AC inverters, especially sinusoidal inverters, which convert alternating current to direct current, are various, widely used and excellent. Therefore, High performance inverters have been one of points of power electronics. As one of inverters, Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) inverters can achieve low total harmonic distortion (THD) output wave. Sinusoidal Pulse Width Modulation(SPWM) inverters have been applied in the following aspects widely. They are DC power supply, AC power supply, industry power supply, computer power supply, UPS power supply, power supply of medical treatment and lighting, high voltage power supply of radar, power supply of sound and video frequency and so on. With the development of digital control techniques, the production of SPWM and digital control of inverters become convenient, which makes the output wave's steady-state precision, transient and steady-state response, reliability improved. Single-phase Sinusoidal Pulse Width Modulation Inverter Power Supply in this thesis belongs to AC power supply (AC-DC-AC convert). The power supply system includes the main circuit design and control circuits. The thesis presents the current situation and development trends of the inverters, discusses the inverter system's working principle and mathematic model; gives an outline of PWM technology and IGBT device; analyses the principles of the sine width modulate and major modulate methods; describes the major parameters of the system to identify, including the rectifier filter circuit, IGBT choice, the output filter parameters of. Finally, it introduces specific achieved process of software design in the last chapter, providing the system flow chart of main program and interrupt program, and program list. Key words: Inverter; SPWM;IGBT

单相正弦波变频电源

摘要该变频电源以ST公司的STM32F103VET6芯片为主控芯片，利用内部PWM模块生成SPWM信号，驱动全桥逆变电路，将直流电压转化为交流电压，其幅值和频率由STM32芯片内部程序控制调节。另外本系统外接彩屏及键盘，可手动设定电源输出电压的有效值及频率，并实时显示输出电压、电流、功率和交流电压的效率。同时该系统具有过流保护功能，可以在输出大于2A电流的情况下切断交流输入，大大增加了系统的安全性和稳定性。 Abstract The variable frequency power to S T’s STM32F103VET6 chip for the master core internal modulation SPWM signal generation to drive full-bridge inverter circuit, the DC voltage into AC voltage, amplitude and frequency of its internal procedures by the STM32 chip control and regulation. External color screen and keyboard of the system, manually set the power output RMS voltage and frequency, and real-time display output voltage, current, power and efficiency of AC voltage. While the system has over-current protection, high current output can be cut case of AC input, improve system security and stability. 1、方案论证与选择 1.1、系统整体方案设计整个系统以STM32F103VET6芯片为主控芯片，输出两路互补的SPWM信号，通过驱动电路驱动全桥逆变器，得到电压有效值和频率可控的交流电压。输出端通过采样电路对电压极电流进行采样,构成闭环控制。然后通过PID算法调节SPWM信号控制输出电压值大小，实现稳压。考虑到STM32芯片的性能，SPWM输出采用开环控制。输入部分由触摸屏实现，手动输入设定值。显示部分采用彩屏输出交流电的有效电压值、电流值、频率及效率。过流保护通过接入继电器实现，当电流大于2A的时候控制继电器切断交流电输入。 1.2、方案选择 1.2.1功率开关管选择本设计要求能够输出电压有效值为20V，最大电流2A的交流电，采用MOSFET无疑是开关器件的最佳选择。IRF520的最大漏源极电压为100v，导通电流为———，符合设计要求。 1.2.2 MOS管驱动电路设计

三相正弦波变频电源的设计

重庆文理学院成人高等教育毕业论文论文题目：三相正弦波变频电源的设计论文作者：余廷江指导教师：柯能伟专业班级：07电本学号：3114450078 提交论文日期：2009年09月15日论文答辩日期：2009年10月26日中国重庆 2009 年9 月

学院毕业设计目录目录摘要...................................................................................................... III Abstract ............................................................................................... IV 1 引言 (1) 1.1 选题的提出 (1) 1．2变频技术的介绍 (1) 1.3研究意义 (1) 1.4设计的对象 (3) 2 系统总体设计方案 (3) 3 系统主要功能的实现 (4) 3.1系统主要功能的实现 (4) 3.2 PWM 信号的产生方式 (5) 3.3 SPWM 调制方式的选择 (6) 3.4FPGA控制模块 (7) 4 理论分析与参数计算 (7) 4.1 SPWM 逆变电源的谐波分析 (7) 4.2 载波频率的选择 (7) 4.3 FPGA 内单相平均功率计算算法 (8) 5. 应用程序设计部分 (9) 5.1 VHDL硬件描述语言简介 (9) 5.2 正弦波顶层设计程序 (9) 6结论 (10) 6.1取得的成绩 (10) 6.2存在的不足和今后的努力方向 (10) 参考文献 (1)

220V50HZ输入120V,208V,60HZ输出单相变频电源

220V50HZ输入120V，208V，60HZ输出单相变频电源指导老师：欧阳华斯电源答辩人：变频电源工作原理图 220V50HZ输入120V，208V，60HZ输出单相变频电源单进单出变频电源技术参数（OYHS-9800）系列型号（OYHS）

OYHS-98 005OYHS-9 801 OYHS-9 802 OYHS-9 803 OYHS-9 805 OYHS-9 810 OYHS-9 815 OYHS-9 820 OYHS-98 30 输出容量（KVA） 0.5KVA1KVA2KVA3KVA5KVA10KVA15KVA20KVA30KVA 电路方式IGBT/SPWM脉宽调制方式交流输入相数单相波形SINEWAWE 电压220V±15% 频率波动范围50HZ or60HZ±10% 功率因数﹥0.9 交流输出相数单相波形SINE WAVE 电压120V，208V，0-300V连续可调频率60HZ，50HZ，40-499.9HZ连续可调频率稳定率≤0.01% 低档最大电流（0-150V）（A） 4.2A8.4A16.8A25A41.6A83.3A125A166.7A250A 高档最大电流（150-300V）（A） 2.1A 4.2A8.4A12.5A20.8A41.7A62.5A8 3.3A125A 整机性能电源稳压率﹤1% 负载稳压率﹤1% 波形失真度﹤2% 效率﹥90% 反应时间≤2ms

波峰因子3：1 保护装置具有过压，过流，超载，输入欠压，过高温，短路等多重保护显示显示介面数位式LED显示电压4位数，数位电压表，解析度0.1V 电流4位数，数位电流表，解析度0.1A 功率4位数，数位瓦特表频率4位数，数位频率表环境及其它冷却装置高速变频风扇冷却，强制冷风工作温度-10℃to50℃ 相对湿度0～90%（非凝结状态）海拔高度≤1500m 重量（KG） 2123456070150180230350 尺寸(H*D*W）mm 180*500*430600*530* 350790*650*350850*650* 500 1100*750 *550 注：1以上尺寸不含脚输高度 2可根据顾客要求规格特别定制 3本公司产品规格不断研发改进,规格若有变更,恕不另行通知

三相正弦波变频电源课程设计

三相正弦波变频电源设计 1设计任务分析设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出频率范围为20-100Hz，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为3A，负载为三相对称阻性负载（Y型接法）。三相正弦波变频电源原理方框图如图1-1所示。图1-1 三相正弦波变频电源原理框图 2 三相正弦波变频电源系统设计方案选择 2.1 整流滤波电路方案选择方案一：三相半波整流电路。该整流电路在控制角小于30°时，输出电压和输出电流波形是连续的，每个晶闸管按相序依次被触发导通，同时关断前面已经导通的晶闸管，每个晶闸管导通120°；当控制角大于30°时，输出电压，电流的波形是断续的。方案二：三相桥式整流电路。该整流电路是由一组共阴极电路和一组共阳极电路串联组成的。三相桥式的整流电压为三相半波的两倍。三相桥式整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管中一个是共阴极组的，一个是共阳极组的。他们同时导通，形成导电回路。比较以上两种方案，方案二整流输出电压高，纹波电压较小且不存在断续现象，同时因电源变压器在正，负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的

利用，效率高，因此选用方案二。滤波电路用于滤波整流输出电压中的纹波，采用负载电阻两端并联电容器C的方式。 2.2 逆变电路方案选择根据题目要求，选用三相桥式逆变电路方案一：采用电流型三相桥式逆变电路。在电流型逆变电路中，直流输入是交流整流后，由大电感滤波后形成的电流源。此电流源的交流内阻抗近似于无穷大，他吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。方案二：采用电压型三相桥式逆变电路。在电压型逆变电路中，直流电源是交流整流后，由大电容滤波后形成的电压源。此电压源的交流内阻抗近似于零，他吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。比较以上两种方案，电流型逆变器适合单机传动，加，减速频繁运行或需要经常反向的场合。电压型逆变器适合于向多机供电，不可逆传动或稳速系统以及对快速性要求不高的场合。根据题目要求，选择方案二。 2.3 SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案选择在给设计中，变频的核心技术是SPWM波的生成。方案一：采用SPWM集成电路。因SPWM集成电路可输出三相彼此相位严格互差120°的调制脉冲，随意可作为三相变频电源的控制电路。这样的设计避免了应用分立元件构成SPWM波形发生器离散性，调试困难，稳定性较差。方案二：采用AD9851DDS集成芯片。AD9851芯片由告诉DDS电路，数据输入寄存器，频率相位数据寄存器，告诉D/A转换器和比较器组成。由该芯片生成正弦波和锯齿波，利用比较器进行比较，可生成SPWM波。方案三：利用FPGA通过编程直接生成SPWM波。利用其中分频器来改变脉冲信号的占空比和频率，主要是可通过外部按钮发出计数脉冲来改变分频预置数，实现外部动作来控制FPGA的输出信号。

单相正弦波变频电源自动化毕业设计(论文)

单相正弦波变频电源摘要：本设计是通过模拟和数字的方法来产生SPWM信号。采用89C51单片机产生正弦波基波，采用NE555芯片产生高度线性等腰三角波载波。基波和载波通过高速电压比较器LM311比较产生与之对应的SPWM驱动信号。SPWM驱动信号经整形电路、死区电路、驱动功放隔离电路完成对全桥场效应管的开通和关断,从而完成将直流电压逆变成所需频率的正弦交流电。而调压电路采用前级DC-DC独立调压来实现，实现直流稳压。改变单片机正弦波输出频率来实现逆变输出SPWM 交流调频的功能。采用芯片AD637对输出电压、电流进行真有效值变换，经A/DTLC549变换后送单片机处理，实时对逆变输出进行监控，保证输出电压的稳定性。输出电压波形为正弦波，输出频率可变，能够测量和显示电源输出电压、电流、具有过流保护、过压保护电路、空载报警电路等。同时基于UC3845多路隔离反击式开关电源为系统供电。在研究和设计的基础上制作了样机，完成了大部分的调试工作，达到了预期的目的。关键词：升压；场效应管；检测电路；逆变

Abstract:The SPWM signal is produced by the way of analog and digita in the design.The fundamental wave is produced by 89C51 chip,and the sine t riangle carrier wave is produced by NE555 chip.SPWM drive signal is generated by the high-speed voltage comparator LM311. The turn-on and turn-off of mosfet are controlled by SPWM drive signal from the shaping circuit, the dead zone circuit, the power am plifier circuit to bring out the required frequency of the sinusoidal alternating current in DC/AC convertion.The voltage regulating circuit uses DC-DC independent voltage regulating to realize, Change the frequence of the sine wave that is the output of the MCU will realize the function of inverse output SPWM AC frequency modulation .Use AD637 to complete voltage and current true effective value transform and then send the result to A/DTLC549. Through AD exchange the output will be send to the MCU to be processed,according to the result to monitor the inverse output and to ensure the stability of the output voltage. The waveform of the output voltage is sine-wave,its frequence can be changed.The voltage and current of the Power source can be e over-current and over-voltage protection circuit, an o-load alarm circuit and smeasured and the result can be displayed on the LCD.The power source include tho on. At the same time use multi-channel isolate Counter type switch power as system power supply. On the basis of research and design,a prototype of principle is produced.the most of debugging of the whole system is completed. Keyword:boost；mosfet；detection circuit；inverter

110V60HZ输入110V50HZ输出单相变频电源

110V60HZ输入110V50HZ输出单相相变频电源指导老师：欧阳华斯电源答辩人：变频电源工作原理图 110V60HZ输入110V50HZ输出单相相变频电源单进单出变频电源技术参数（OYHS-9800）系列型号（OYHS）

OYHS-98 005OYHS-9 801 OYHS-9 802 OYHS-9 803 OYHS-9 805 OYHS-9 810 OYHS-9 815 OYHS-9 820 OYHS-98 30 输出容量（KVA） 0.5KVA1KVA2KVA3KVA5KVA10KVA15KVA20KVA30KVA 电路方式IGBT/SPWM脉宽调制方式交流输入相数单相波形SINEWAWE 电压110V±15% 频率波动范围50HZ or60HZ±10% 功率因数﹥0.9 交流输出相数单相波形SINE WAVE 电压110V，0-300V连续可调频率60HZ，50HZ，40-499.9HZ连续可调频率稳定率≤0.01% 低档最大电流（0-150V）（A） 4.2A8.4A16.8A25A41.6A83.3A125A166.7A250A 高档最大电流（150-300V）（A） 2.1A 4.2A8.4A12.5A20.8A41.7A62.5A8 3.3A125A 整机性能电源稳压率﹤1% 负载稳压率﹤1% 波形失真度﹤2% 效率﹥90% 反应时间≤2ms

课程设计----基于MATLAN的三相正弦波变频电源的仿真设计

毕业设计(论文) 题目三相正弦波变频电源仿真设计专业电气工程及其自动化二〇〇九年六月二十日

目录第一章变频器概述 1.1.变频电源的原理 (3) 1.2.变频电源的特点及应用 (3) 1.3.MATLAB简介及仿真技术 (4) 1.4.MATLAB仿真技术在电力电子中的应用 (6) 1.5.本论文完成内容 (8) 第二章变频器硬件设计 2.1整流单元及供电电源 (9) 2.2逆变输出装置及其驱动电路 (10) 2.3滤波输出及过压过流缺相检测与保护 (14) 2.4变频电源的控制 (17) 第三章变频器软件设计 3.1控制模块设计 (21) 第四章变频器的MATLAB仿真 4.1MATLAB在电力电子中的应用 (25) 1电力系统工具箱 (25) 2 MATLAB在变频器中应用及仿真框图 (27) 第五章结语 (34)

摘要:本文采用MATLAB对变频电源进行系统分析。基于Simulink做了系统仿真，并做了原理性的论证。硬件部分采用IT公司的低功耗单片机MSP430F149作为主控器件，IR2130驱动3相功率管。控制方式采用传统的SPWM，用SPWM专用集成芯片SM2001产生SPWM信号以控制IR2130的通断。系统采用PI反馈控制使硬件系统具良好的稳压功能。另外本文在硬件设计中对变频电源的过流，过压，缺相等保护功能进行了阐述。

第一章变频器概述由于我国市电频率固定为50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路3部分组成。其中，整流部分用以实现AC／DC的转换；逆变部分用以实现DC／AC的转换；而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。 1-1 变频电源的原理经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。变频电源主要有二大种类：线性放大型和PWM开关型HY系列程控变频电源，以微处理器为核心，以多脉宽调制(MPWM)方式制作,用主动元件IGBT模块设计，采用数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kV A, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。现在使用的变频电源主要采用交一直一交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源.变频电源的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成.整流部分为单相或三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.变频电源的主电路大体上可分为两类，分别为电压型和电流型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波器件是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波器件是电感。 1-2 变频电源的特点及应用 20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% -

2016年TI杯大学生电子设计竞赛题D-单相正弦波变频电源V3

2016年TI 杯大学生电子设计竞赛 D 题：单相正弦波变频电源 1．任务设计并制作一个单相正弦波变频电源，其原理框图如图1所示。变压器输入电压U 1=220V ，变频电源输出交流电压U O 为36V ，额定负载电流I O 为2A ，负载为电阻性负载。 AC-DC DC-AC U 1 变压器U O I O U 2 图1 单相正弦波变频电源原理框图 2．要求（1）输出频率范围为20Hz~100Hz ，U O =36±0.1V 的单相正弦波交流电。（15分）（2）输出频率f O =50±0.5Hz ，电流I O =2±0.1A 时，使输出电压U O =36±0.1V 。（10分）（3）负载电流I O 在0.2～2A 范围变化时，负载调整率S I ≤0.5%。（15分）（4）负载电流I O =2A ，U 1在198V ～242V 范围变化时，电压调整率S U ≤0.5%。（15分）（5）具有过流保护，动作电流I O(th)=2.5A （允许电流误差4%），保护时自动切断输入交流电源。（10分）（6） I O =2A ，U O =36V 时，输出正弦波电压的THD≤2%。（15分）（7） I O =2A ，U O =36V 时，变频电源的效率达到90%。（15分）（8）其他。（5分）（9）设计报告（20分）项目主要内容满分方案论证设计与论证，方案描述 3 理论分析与计算电路结构设计，器件选择，仿真分析 5 电路与程序设计电路图及有关设计文件 5 测试方案与测试结果测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析 5 设计报告结构及规范性摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性 2 总分 20

送给电赛做电源的同学

主攻“电源类”赛题方向的同学注意了： 1. “电源类”赛题近届都有在9届电子设计竞赛中，电源类赛题有7题：①简易数控直流电源（1994年A题）；②直流稳压电源（1997年A题）；③数控直流电流源（2005年F题）；④三相正弦波变频电源（2005年G题）；⑤开关稳压电源（2007年本科组E题）；⑥光伏并网发电模拟装置（2009年A题）；⑦电能搜集充电器（2009年E题）比较历届赛题可以看到，“电源类”赛题从DC→AC，而且设计要求是越来越高。例如：2005年G题“三相正弦波变频电源”要求：（1）输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；（2）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于1%；（3）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%；（4）变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（5）具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。 2009年A题“光伏并网发电模拟装置”要求：（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使 2011年5月17日11:32:51 上传下载附件(1.72 KB) ，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。（3）DC-AC变换器的效率，使≥80%（RS=RL=30Ω时）。

电力电子课程设计--三相变频电源的设计

电力电子课程设计学院：电气与动力工程学院专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：指导老师：目录

第一章：课程设计的目的及要求 (1) 1.1课程设计的目的 (1) 1.2课程设计的要求 (1) 1.3课程设计报告基本格式 (3) 第二章：三相变频电源介绍 (3) 第三章MATLAB软件的介绍 (4) 第四章：整流电路的设计 (5) 4.1 整流电路工作原理 (5) 4.2电容滤波的不可控整流 (6) 4.3 整流模块的计算及选型 (10) 第五章：逆变电路的设计 (13) 5.1 逆变电路的工作原理及波形 (13) 5.2 二极管和IGBT参数选择 (16) 第六章：SPWM逆变电路 (18) 第七章：驱动电路 (22) 第八章：MATLAB软件仿真 (22) 第九章：附录及参考文献 (25) 第十章：课程设计的心得体会 (26) 第一章：课程设计的目的及要求

1、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的： 1）培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。 2）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。 4）培养运用工具的能力和方法。 5）提高课程设计报告撰写水平。 2、课程设计的要求题目：三相变频电源的设计注意事项： 1）根据规定题目进行电力电子装置设计 2）通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。设计装置（或电路）的主要技术数据主要技术数据

三相变频电源

三相正弦波变频电源报告摘要：本系统基于面积等效原理和奈奎斯特定理，采用AC-DC变换的方法，实现了市电到直流电压的转换；采用SPWM逆变器实现本地DC-AC的转换，采用DDS 产生频率可变的SPWM脉冲，实现了本地交流电源的变频；采用MAX197采样、反馈，实现了对本地交流电源有效值的控制以及缺相和过流保护。关键字：变频电源；三相正弦波；逆变；正弦脉宽调制 Abstract:

三相正弦波变频电源报告一.方案的选择与论证 1.题目要求及相关指标分析本题目要求制作以三相正弦波变频电源，输出线电压有效值36V ，输出频率20-100HZ ，各相电压的有效值小于0.5V ，输出负载电流0.5A-3A 时，输出线电压有效值保持在36V ，误差小于5%。基于上述要求本设计采用AC-DC-AC 变换的方法，采用SPWM 控制逆变器实现变频。由于逆变器的开关以及感性、容性负载等对逆变器输出交流信号的延迟较严重，为了及时稳定变频电源的幅度，本设计采用多片A/D 同时采样输出交流信号。 2.方案的比较与选择 1) 正弦波脉宽调制实现方案的选择 (1) 自然采样法图1 自然采样法按照SPWM 控制的基本原理，在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM 波形的方法称为自然采样法，采用硬件实现时的方框图如图1所示。图1中三角波发生器负责产生符合要求的SPWM 载波信号（三角波），正弦波发生器产生用户需要频率的正弦波信号，电压比较器在三角波和正弦波的自然交点的时刻实现翻转，控制功率开关器件的通断。自然采样法生成的SPWM 波形很接近正弦波，若采用软件实现自然采样时需要解超越方程，需要花费大量的时间，难以实现实时控制；若采用硬件实现，为了控制逆变器功率器件的死区，需要很复杂的硬件来延时。 (2) 规则采样法如图 2 所示取三角波两个正峰值之间的时间间隔为一个采样周期c T ，在三角波的负峰值时刻D t 对正弦信号波采样而得到D 点，过D 点作一水平直线和三角波分别交于A 、B 两点，在A 点时刻和B 点时刻控制功率开关器件的通断。可见A 、B 两点间的时间间隔就是脉冲宽度，则规则采样法得到的脉冲宽度为 ()1sin 2 c r d T a t δω=+ a 为调制度，即为三角波和正弦波的峰值之比，且 01a ≤<。r ω表示正弦信号的角频率。

单相正弦波变频电源

（D题）单相正弦波变频电源摘要本设计电路使用NE5532组成一个文氏电桥振荡器，它的特点是起振容易，波形失真很小，频率也很稳定，其震荡频率由电阻电容决定，当电容选定为标准的的104时，电阻为时频率刚好为50HZ左右。用一个可调电位器作为反馈调节电位器，可以调节振荡器输出的正弦波的幅度，从振荡器出来的正弦波分成4路，2路进入由2个NE5532组成的精密整流电路变成馒头波；2路进入由两个NE5532组成的同步波发生电路变成方波。本设计的载波振荡器的核心是一块NE555时基电路.它实际上是一个高线性度的三角波发生器,三角波频率由电阻电容决定，当三角波的频率约为20K,能满足SPWM调制电路的要求.为确保三角波的线性度,由三极管为电容充放电回路组成恒流源.三角波信号经三极管的射极输出,分别送到SPWM调制器的同相端和反相端.调制电路实际上是为电压比较器,它把20K的三角波信号和100HZ的馒头波信号进行比较,在两个运放的输出端分别输出二路极性相反的SPWM信号。关键词：SPWM波文氏电桥 H桥

目录摘要...................................................... (2) 目录........................................................ .. (3) 1 设计任务与要求........................................................ .. (4) 设计任务........................................................ (4) 设计要求........................................................ (4) 2 方法比较与论证........................................................ .. (4) 方案设计........................................................ (4)

三相正弦波变频电源

摘要本系统是一个交流-直流-交流变频电源。系统以FPGA为控制核心，采用SPWM变频控制技术，实现三相正弦波变频输出。输出线电压有效值为36V，最大输出电流有效值达3A。系统还具有频率测量，电流、电压有效值测量，平均功率测量功能。基于单片机智能化和开关电源高效率的特点,研制出一种以XC164单片机作为核心控制模块的三相正弦波变频电源。本系统同时采用电压反馈电路和电流反馈电路，分别将输出电压和电流反馈至XC164单片机，然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行A/D转换，同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观PID控制，以实现稳幅。采用了实时电压跟踪SPWM技术,使单片机在变频电源系统中得到了有效的应用。实验结果表明该系统具有良好的稳压性能和很小的波形失真,并且能够进行自检测、过流、过压、过热和短路保护等功能。关键词: 三相 SPWM 逆变变频电源

Abstract The system, based on FPGA, is a AC-DC-AC variable frequency power supply. The technology of SPWM frequency converting control is applied to get the output of three-phase variable frequency sine wave. The real line voltage is 36V and the maximum current（real value）output is up to 3A. The system also includes the following functions like frequency metering, measurements of real voltage and current, and the measurement of the average power. This system adopted voltage feedback circuit and current feedback circuit, output voltage and current respectively XC164 microcontroller, then the feedback to the microcontroller use its internal adc voltage and current of feedback on A/D conversion, and SCM according to calculate the RMS voltage output voltage of the macro PID control, in order to achieve steady picture. Adopted real-time voltage tracking SPWM technology, make SCM in frequency conversion power system got effective application. The experimental results show that the system has good performance and small voltage waveform distortion, and can be carried out since detection, over-current, over-voltage, overheating and short circuit protection function. Key Word:three phase SPWM invert frequency power