单相变频电源设计.docx

毕业设计

摘 要：随着电力电子技术的飞速发展，变压变频电源已被广泛应用在各种领域中，与此同时，系统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，已成为电力电子领域的研究热点。
在阐述单相全桥式变频电源原理的基础上，讨论了变频电源主电路主要器件参数的设计。为了提高输出波形质量，采用了基于脉宽调制器SG3525芯片的闭环控制电路，详细介绍了SG3525的应用特点，并分析了脉宽调制器SG3525产生脉宽调制波的形成过程，以及由SG3525控制的单相变频的实现原理。经分析结果表明，这种控制方式可实现逆变电源变压、变频，控制系统简单可靠，使用灵活，适用性强，具有良好的应用前景。

关键词：正弦波脉宽调制(SPWM)；变频电源；闭环控制；逆变

Design of the single-phase frequency- variable power supply
Abstract: With the power of the rapid development of electronic technology, variable voltage and variable frequency power supply has been widely applied in variable fields, at the same time the quality of the output voltage waveform in the variable frequency power also made increasing demands. The inverter output waveform quality requirements include two aspects: First, steady-state high precision and the other is a good dynamic performance. Therefore, the research and development is simple and has an excellent dynamic and static performance of the inverter control strategy, which has become a power electronics research in the field of one of the hot spots.
This paper introduces the design of the main elements in the main circuit of the single-phase frequency-variable power supply, adopts the closed- loop control method which is based on pulse width modulation IC SG3525 to improve the quality of the output waveforms. This paper describes the characteristics of SG3525, analyses the formation process of making use of sine pulse width modulating signals produced by the SG3525 and the control theory of the single-phase inverter on SG3525. The experimental result shows that this control method to achieve variable voltage and variable frequency output of the power and the power supply has a good application prospect with the advantages of reliability, feasibility and adaptability.

Keywords: sinusoidal pulse width modulation (SPWM); frequency-variable power supplier; the closed- loop control; inverter

目 录
1绪 论 5
1.1 课题的研究背景 5
1.1.1电力电子技术的发展 5
1.1.2 变频电源的发展 6
1.1.3 变频技术的发展动向 6
1.2 课题研究的意义 7
2 系统方案论证与设计 8
2.1 系统方案论证 8
2.1.1 结构方式 8
2.1.2 构成变频电源方式 10
2.1.3电压源型变频器和电流源型变频器 11
2.2 系统结构组成 11
3 变频主电路的设计 12
3.1 电路构成 12
3.2 变频电源的工作原理 12
3.2.1 交—直部分 13
3.2.2 直—交部分 16
3.3 输出滤波电路设计 18
4 功率器件的驱动和保护电路设计 19
4.1 M57962L驱动电路的简介 19
4.1.1 引脚排列及主要性能参数 20
4.1.2 M57962L模块具有以下特点： 21
4.1.3 M57962L工作原理 21
4.2 IGBT保护电路 21
4.2.1 过流保护 21
4.2.2 过压保护 22
5 逆变器控制系统的设计 23
5.1 SPWM控制技术 23
5.1.1 PWM调制法基本原理 23
5.1.2 SPWM波形生成方法的分析 23
5.1.3 SPWM的约束条件 26
5.1.4 SPWM调制方法 26
5.2 SPWM控制电路设计 27
5.2.1 SG3525的电路组成及各部分功能 27
5.2.2 SG3525应用电路 29
5．3 单片机接口电路设计 30
5.3.1 A/D转换接口电路设计 30
5.3.2 D/A转换接口电路设计 33
6 结束语 37
致 谢 38
参考文献 39
附 录 40
1 绪 论
1.1 课题的研究背景
1.1.1电力电子技术的发展
1957年，美国研制出世界上第一只普通的(400Hz以下)反向阻断型可控硅，后称晶闸管。它是一种半控型器件，用它组成的电路简称半控型电路，其基本特点是容量大，但电路结构复杂，开关频率低，功率密度和整机效率不高。经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管以及80年代迅速发展起来的可关断晶闸管。70年代，晶体管进入工业应用领域，由于晶体管具有自关断能力且开关速度可达20KHz，是一种全控器件。在PWM技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，但因晶体管是一种电流控制型器件，开通增益有限，这对驱动电路的设计和能耗而言都是一个负担，另外还存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题。比较而言，功率场效应晶体管MOSFET是一种电压控制型自关断器件，具有驱动功率低、安全工作区宽(几乎不存在二次击穿问题)、漏极电流为负温度特性(易并联)、输入阻抗高等优点，同时又是一种高频器件，能够在高频硬开关环境中工作。工作频率达到几十千赫至数百千赫，低压管甚至可达兆赫。功率场效应晶体管优点突出，但其导通电阻与耐压大小成正比，这就限制了它在高频、大功率领域的应用。基于晶体管和功率场效应晶体管的优缺点，80年代电力电子器件最引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，即具有MOSFET的输入特性、开关频率和晶体管的输出特性、开关容量，从而产生出较为理想的高频、高压和天电流器件。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT ( Insulate Gate Bipolar Transistor )。实际上它是一种用MOS门控制的晶体管。鉴于IGBT优良的器件特性和不断提高的制造工艺，IGBT逐渐占领了电力电子器件市场。
除了器件本身性能的不断提高，器件模块化和集成技术也相继发展起来。就内部结构而言，MOSFET和IGBT都是功率集成器件，模块化技术的应用大大提高了电路功率密度和可靠性。随着集成技术的发展，功率模块逐渐向智能化方向发展，即模块内部除了主电路器件之外，还包括相应的各种接口电路、保护电路(过流、过压、过热保护等)和驱动电路，故也称智能功率模块或功率集成电路。这是电力电子技术的一大进步，说明集成电路已从信息电子技已术领域扩展到功率电子技术领域。尽管目前的IPM在功率等级上还很有限，但在各个应用领域中显示出显著的优点。
1.1.2 变频电源的发展
随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。
采用变频技术可以节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量，因而在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。
目前应用最为广泛的是通用变频器，通用变频器大都为电压型交—直—交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给负载。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。工程上对这种泵升能量的多种处理方法如前所述，基本上分为两类：(1)以热能或其它形式消耗；(2)通过能量回馈电路的技术处理使之回馈到交流电网或其它储能装置中。显然，前一类方法比较简单，但如前所述，这类方法不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用，这对整个系统的可靠性不利；后一类能量回馈制动技术虽然结构较为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起、制动或长期带势能性负载下放的系统，在有效制动的同时会产生显著的节电效果，将相应的能量回送到电网中。
目前有些变频器己经有了能量回馈制动单元，但这些制动单元一般采用单片机控制，如51系列单片机。这些单片机的性能不能满足实时信号处理的需要，因此这些制动单元的功能较少，而且其大部分功能由硬件电路实现，造成硬件电路复杂、维护工作量大、输出电能质量不够高等缺点。DSP芯片(数字信号处理器)和ARM(嵌入式技术)的出现将完善和解决这些工程问题提到议事日程之上，为应用于能量回馈电路的新技术发展提供了广阔的前景。
1.1.3 变频技术的发展动向
变频电源进入实用期已超过了1/4个世纪，在此期间，作为变频技术基础的电力电子技术和微电子技术都经历了飞跃性的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地为实现变频电源的进一步小型化而做着新的努力。从技术方面来看，随着变频电源市场的进一步扩大，今后变频技术将会随着有关的技术发展，在下面几个方面也会有进一步的提高：a)大容量和小体积化； b)高性能和多功能化； c)易操作性的提高； d)寿命和可靠性增加； e)无公害化。
大容量和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，采用电压驱动的电力半导体器件IGBT发展很快，并在迅速进入传统上使用BJT和功率MOSFET的各种领域。此外，以IGBT为开关器件的IPM和单片功率IC芯片将功率开关器件和驱动电路，保护电路等集成在同一封装内，具有高性能和可靠性好的优点，所以随着它们在大电流化和高耐压化方面的发展，必将在中小功率的变频电源中得到更加广泛的应用。
随着变频电源市场的不断扩大，如何进一步提高变频电源的易操作性，使普通的技术人员甚至非技术人员也能很快地掌握变频电源的使用技术已经成为厂家必须考虑的问题。因为只有容易操作的产品才能够不断获得新的用户，并进一步扩大市场，所以今后的新型变频电源将更加容易操作。
随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频电源中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，这些都将使变频电源本身的寿命和可靠性进一步增加。
在变频电源推广应用的初期，噪声问题曾经是一个比较大的问题。随着 IGBT 的低噪声变频电源的出现，这个问题已经基本上得到了解决。但是，随着噪声问题的解决，人们的目光又转向了变频电源对周围环境的其他影响并在不断探索新的解决办法。例如，对于采用了二极管整流电路和电压形 PWM 逆变电路的变频电源来说，变频电源本身造成的高次谐波将给电源电压和电流带来畸变，并影响接于同一电源的其他设备。但是,通过在变频电源中采用 PWM 整流电路，就可以基本上解决这个问题。虽然因为价格和控制技术等方面的原因目前采用 PWM 整流电路的变频电源尚未得到推广，但是，随着变频技术的发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频电源对环境的影响，直至推出真正的无公害变频电源。
1.2 课题研究的意义
近年来，变频电源已成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性和可靠性指标。变频电源自问世以来引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。传统的体积大，笨重，效率低的变频电源已不能满足要求，现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁最佳的性能指标等显著优点受到青睐，并广泛应用于电气传动、计算机、电子设备。仪器仪表、通信设备和家用电器中。然由于用电对象具有多样性、新颖性和复杂性，且要具备适应各种不同负载的能力，各种用电设备对电源提出了越来越高的要求，因此要针对一些中小功率的电气设备设计出适宜的可调节其频率和电压的电源显得越发重要。
变频电源主要由整流滤波电路、开关稳压电路、逆变电路、电流电压检测电路及控制器电路等部分组成。其中逆变器部分很重要，有了逆变器，就可利用直流电（蓄电池、开关电源、燃料电池等）转换成交流电为电器提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。 小型逆变器还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。逆变器有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。
变频逆变电源应用广泛，应用该电源可以实现从三相交流电到单相交流电的转换，为设备提供电源，其变频功能还可以改变单相交流电的输出变频频率，可以很方便的用于一些中小功率的单相电机进行变频调速等。
许多电子设备、电器设备需要为其提供频率、电压均要变化的电源，如：变频调速系统、大功率信号源等，这类电源均称为变频变压交流电源。在实际运行中，这些电源需要随机改变电源电压、频率，或者电源电压和频率之间按照一定规律进行变化，以使负载或者对象按照一定的规律运转。因此，研究变频电源设计与实现具有实际的意义。
2 系统方案论证与设计
2.1 系统方案论证
2.1.1 结构方式
从结构上看，静止式变压变频装置有直接和间接两种结构方式。
a）直接变压变频装置的结构如图所示。

图 2-1 直接（交—交）变压变频装置
这种装置只有一个环节，就可以把恒频恒压(CVCF)的交流电源变换成VVVF电源，因此，称之为直接（或交—交）变压变频装置。
常用的交—交变压变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期互相切换，在负载上就获得交变的输出电压。的幅值决定于各组整流装置的控制角，的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要得到正弦波，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。交—交变压变频装置虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用的器件数量更多，总设备相当庞大。这种装置受输出谐波电流和脉动转矩的限制，最高输出频率不超过电网频率的1/3～1/2。鉴于这类装置的器件数量多而输出频率低，一般只用于低转速、大容量的调速系统。
b）间接变压变频装置则是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置，或交—直—交变压变频装置。交—直—交变频器基本上由整流器、滤波器和逆变器3大部分组成。

图2-2 间接（交—直—交）变压变频装置
先用可控硅整流器将交流电压整成电压可调的直流电压。中间经过大电容或大电感进行滤波，统称为直流环节。然后采用开关器件令它们轮流切换导通，则在负载上得到频率可调的交流电压Vo。Vo的幅值由由整流器输出电压决定，Vo的频率由逆变器开关器件切换的频率决定，并且不受电源频率的限制。为了提高电网侧的功率因数。前级整流器也可采用不可控整流来获得，然后再经斩波器或有脉宽调制功能的逆变器来实现调压。如图2-3所示。
如图a中所示的这种装置，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得比较低时，电网端功率因数较低。而输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出谐波较大。
如图b所示的装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服了图a装置的缺点，不过输出信号中仍有较大的谐波。
如图c 所示的装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用PWM逆变，
则输出谐波可以减少。这样，如图a所示的装置的两个缺点都消除了。PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决PWM的开关频率，而开关频率则受器件的开关时间限制。采用MOSFET或IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为正弦波脉宽调制(SPWM) 逆变器，成为目前最有发展前途的一种装置形式。

图 2-3 间接变压变频装置的不同结构形式
a)可控整流调压、逆变调压
b)不可控整流、斩波器调压、逆变器调频
c)不可控整流、PWM逆变器调压调频
因此，为了提高通用性，系统选用AC-DC-AC 变换电路（即交—直—交变压变频装置）。
2.1.2 构成变频电源方式
总体来讲，实现变频电源的方案主要有两种：模拟式和数字式。
模拟式是采用反馈振荡电路，利用自激振荡和选频作用，通过正反馈机制建立连续的正弦波输出。频率的调节用电位器实现。这种方法构成的电路简单，成本低，而且频率连续可调。但是波形精度低，稳定性差，谐波成分较大且不易与微机接口。
数字式是在微控制器的作用下，通过一定的方法，根据所设定的周期逐点输出正弦波的每个样值，再通过数模转换，从而形成连续平滑的波形。这种方法稳定性好，精度高，又能很方便得控制频率和幅值。

图2-4 交—直—交变换器结构图
在交—直—交变换器这种结构中，无论作为变频调速器还是逆变电源，逆变技术在整个系统占有重要的地位。传统的逆变电源技术采用的模拟电路控制，在早期的现实条件下，模拟电路控制技术满足了一定的要求，但是模拟电路存在一些固有的缺点：
(a) 因采用大量的分立元件，导致系统的成本偏高，可靠性下降。
(b) 器件热漂移问题的存在，导致系统输出性能变差。
(c) 产品升级换代困难。
在80年代初期，为了提高逆变电源的通信功能及显示功能，逆变电源的设计中采用了微处理器，但是，由于微处理器的速度有限，通常只具有给定正弦波的发生、控制逆变电源的开关及实现保护显示等功能，逆变电源的核心—逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与。
2.1.3电压源型变频器和电流源型变频器
无论是交—直—交变频还是交—交变频，从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。对于交一直一交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
交—直—交变频装置中，当中间的直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，而电流波形不规则，有许多毛刺。这类变频器称为电压源型变频器。电压型源变频器中的逆变开关器件都应反并联一个快速二极管，称为续流二极管，这是为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路。一般的交—交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。当中间的直流环节采用大电感滤波时，直流电流比较平直，从逆变器输入端来看，直流电呈高阻抗，对负载来说基本上是个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流源型变频器。

a) 电压源型 b)电流源型
图2-5 电压源型和电流源型交—直—交变频装置
2.2 系统结构组成
基于以上的分析比较，结合本课题的实际应用，设计的变频电源系统构成如图2-6所示。
(a)单片机。做为控制器的单片机是整个控制系统的大脑，它要完成对取样反馈回来的电压模拟信号转换成数字信号，决定PWM产生器SG3525输出PWM控制信号的任务，并通过显示电路显示出系统的最新运行状态。
(b)整流电路。采用二极管单相不可控整流桥，将交流电转变成直流电。
(c)滤波电路。二极管不可控单相整流电路输出的直流电含有纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。
(d)逆变电路。采用全桥PWM逆变电路，将直流电逆变成负载需频率和电压的交流电。
(e)隔离驱动电路。根据单片机提供的输出PWM控制波形的信息，产生相应的驱动信号。由于系统强电部分和弱点部分要实现电气土的隔离，所以中间需要加上光耦隔离。
(f)输出滤波电路。逆变器输出的是高频PWM脉冲，需要滤波后才能得到负载需要的正弦波形。设计时采用LC滤波器。
(g)检测电路主要是检测输出的电压值并传回单片机。

3 变频主电路的设计
3.1 电路构成
变频电源由主电路和控制电路两大部分组成。主电路包括二极管整流滤波电路、IGBT(绝缘栅双极晶体管)逆变器，以及输出滤波电路等。控制电路包括单片机系统、驱动保护电路、信号检测电路以及显示电路。
3.2 变频电源的工作原理
本文设计的变频电源是由AC—DC—AC部分组成的，即采用的是交—直—交方式，其主要工作原理如下：首先把50HZ、220V的交流电通过整流、滤波电路转换成直流电，然后再用单相桥式逆变电路把直流电转换成单相交流电，在逆变过程中逆变出的交流电的频率是可以控制的，其具体算法主要采用SPWM（正弦脉宽调制）。
3.2.1 交—直部分
近年来，在交—直—交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，由于大多数逆变器（特别是SPWM逆变器）本身可以调压，所以大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。该电路适用于小功率单相交流输入的场合，所以本系统中将采用电容滤波的单相不可控整流电路，
电容滤波的不可控桥式整流电路及输入特性波形图如图3-1所示。

a)电路 b)波形
图3-1 　电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形
3.2.1.1 工作原理及波形分析
假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。
该电路的基本工作过程是，在u2正半周过零点至ωt = 0期间，因<，故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时按指数规律下降。至ωt = 0之后，将要超过，使得VD1和VD4开通，
图3-2 电容滤波的单相不可控整流电路输出电压与输出电流关系 (3-12)
在一个电源周期中，有两个波头，分别轮流流过VD1、VD4和VD2、VD3 。反过来说，流过某个二极管的电流只是两个波头中的一个，故其平均值为
(3-13)
3.2.1.3 主要参数设计
a)二极管参数设计
通常，整流二极管的选取取决于它的电压应力与电流应力。依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级，并预留1.5～2倍的电压和2～3倍的电流裕量。
按最大输入电压计算整流桥二极管耐压值，所以V。
以下由电路的运行情况来选择二极管电压定额和电流定额，整流二极管上承受的最大反向峰值电压为：V，因此可以选择耐压为400V以上的二极管。
在单相桥式整流电路中，每个整流二极管只导通半个周期。所以流过整流二极管的电流有效值为0.5A,由于二极管电流定额是根据正弦半波电流平均值来定的，且考虑2倍裕量，则整流二极管的电流定额可选为A。
b)输入滤波电容的参数计算
在许多文献中，对于滤波电容C的选取，使用经验公式，并认为滤波电容C越大越好。从为使电压的波形变得更为平滑、脉动更小来讲，滤波电容C越大越好。但是如果不能合理地选择滤波电容C的值，滤波电容C过大会存在以下问题：a)体积大、投资大、性能价格比低；b)在接通电路的瞬间，电路中的冲击电流大，易使元器件损坏；c)电路的过渡过程变长，闲置了整个系统的快速性。为解决以上问题，则应根据负载电阻和输出电流的大小来合理地选择滤波电容C的值。
当RC的值选择适当，且整流内阻较小时，整流输出电压约为1.1～1.2输入电压。滤波电容的选择与负载的大小有关，确切地说是由放电回路的时间常数来确定的。一般取RC（3～5）T/2 （T为电源交流电压的周期），由此确定滤波电容的容量为200。滤波电容一般采用电解电容，使用时注意极性不能接反，电容器的耐压应大于它实际工作中所承受的最大电压，通常取（1.5～2）U1 ，所以该系统的滤波电容耐压值取为400V。
3.2.2 直—交部分
3.2.2.1 功率器件的选择
目前，普遍使用的电力开关功率管主要有电流控制型和电压控制型器件。BJT、SCR、GTO为电流控制型，由于它们是两种载流子导电，所以导通压降低，导通损耗小，输入阻抗较低，但他们开关频率不高，控制电流及功率较大，控制电路复杂，主要用在功率较大的场合。电压控制型器件应用较多的有MOSFET、IGBT等，其特点是：开关频率较高，输入阻抗高，控制功率小，驱动电路简单，且工作温度跨度大，抗辐射能力强，但是导通压降比电流控制型高，导通损耗较大。在电压控制型器件中，IGBT具有优良的性能，它集MOSFET和IGBT的优点于一身：既有输入阻抗高、速度快、热稳定好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点，在此特选用IGBT作为功率管子。
IGBT通过周期性的导通和关断对电源的输出进行控制，从而得到所期望的电源的外特性和动特性。它是电源的核心器件，其稳定性和安全性对电源的可靠运行至关重要。
在实际选用IGBT时，要考虑额定电流和额定电压，电流要根据实际电路中最大额定电流等因素。额定电压要考虑电网电压峰值、允许电压波动范围、开关电流引起的电压尖峰等，一般电压取2倍裕量，即（VM ，IGBT上的最高电压）。除了满足上述的性能指标外，还有两个关键的因素，第一个因素是在关断时，包括任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处在开关安全工作区内（即小于两倍的额定电流IC ）；第二个因素是IGBT的额定结温必须始终保在（125℃或者150℃）以下。
a)IGBT的额定电压VDSR的选择
计算时要考虑到电网电压波动，取波动系数Kb 为1.1，安全系数为1.1，则直流输入的最大电压为：
376.4V
在IGBT工作过程中关断阶段承受的电压最大，设计时要以关断峰值电压为依据，关断时的峰值电压为：
641.15V
其中，1.15为过压系数；150为电感引起的尖峰电压。而IGBT的额定电压实际选取中要比Up 大一些。
b)IGBT的额定电流
电源的额定输出电流Ion为1A，由此可知流过每个IGBT的平均电流为I=1A。
IGBT的额定电流是25℃条件下的额定值：
=A。
其中，为峰值系数；1.5为过载容量系数；1.4为的减小系数。额定电流根据管子电流等级按10A选取。
3.2.2.2 PWM控制逆变电路的工作原理
PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。
单相全桥式正弦波逆变电路部分如图3-3所示，其中为单相整流滤波后输出的直流电压，A、B两端电压UAB为逆变后未经滤波的电压，C、D两端电压UC为LC滤波后的输出电压， 、分别为滤波电感、滤波电容。由于滤波电感的导线电阻很小，此处可以不予考虑。
设负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。
图3-3 单相全桥正弦逆变电路
具体的控制规律如下：在输出电压的正半周，让V1 保持通态，V2 保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的，V3和V4导通时，负载电压等于直流电压；V4 关断时，负载电流通过V1 和VD3续流，=0。在负载电流为负的区间，仍为V1 和V4 导通时，因为负，故实际上从VD1和VD4流过，仍有=；V4 关断，V3 开通后，从V3 和VD1 续流，=0。这样，总可以得到和零两种电平。同样，在的负半周，让V2 保持通态，V1 保持断态，V3和V4交替通断，负载电压可以得到-和零两种电平。控制V3和V4 通断的方法如图3-4所示。调制信号为正弦波，载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。在和的交点时刻控制IGBT的通断。在的正半周，V1 保持通态，V2 保持断态，当>时使V4 导通，V3 关断，= ；当<时使使V4关断，V3 导通，=0。在的负半周，V1 保持断态，V2 保持通态，当<时使V3 导通，V4 关断，=- ；

图3-4 单极性PWM控制方式波形
当>时，使V3 关断，V4 导通，=0。这样，就得到了SPWM波形。图中的虚线表示中的基波分量。像这种在的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种机型范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。
3.3 输出滤波电路设计
经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在本系统的电路中采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在桥式整流电路后。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。采用
电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压。因此在本课题的变频电源电路中，整流电路接滤波电容，以减小整流电压的脉动程度，来满足电路的需要。

图3-5 输出滤波电路图
a)输出滤波电感参数计算
电感的选取应保证直到输出最小规定电流（通常为额定电流的1/10）时，电感电流也要保持连续，其临界情况是在一个开关周期的最后时间电感电流刚好下降到零，此时的直流电流应等于该种情况电感电流峰值时的一半。
b)输出滤波电容参数计算
假设纹波系数要，由于该电源额定输出电压为220V，则输出电压的纹波幅值out<0.44V，考虑到功率开关管开/关造成的电压尖峰，可令输出电压的交流纹波为100mV，而I0 =1A，最小的输出电容可用下式计算：

I0 ：输出电流；：允许的输出电压纹波峰峰值；：工作频率。这样算出的电容是最小值，考虑到实际要求，选择适合的输出滤波电容。
4 功率器件的驱动和保护电路设计
对IGBT驱动电路的主要要求如下：
a)栅极驱动电压 IGBT开通时，正向栅极电压的值足够使IGBT产生饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压应该在12V～20V之间。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。为保证IGBT在集电极—发射极电压上出现噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，一般反向偏压取-5V～15V。
b)串联栅极电阻RG 选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。
IGBT是电压驱动的功率模块，栅极驱动不但要有足够的电荷量，还要有足够高的电压，此外，还要考虑控制信号与主回路强电之间的隔离。若是按照传统的逆变电路的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源要彼此隔离，这无疑增加了硬件电路的设计困难，降低了逆变电路的可靠性。为解决这个问题，目前市场上已推出了一些专用集成驱动电路模块，使得电路设计简单、可靠。
4.1 M57962L驱动电路的简介
在本系统的逆变装置中，使用了日本三菱公司的驱动模块M57962L，它由光电耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及关断电路等组成。M57962模块的内部结构图如图4-1所示。

图4-1 M57962L内部结构方框图
4.1.1 引脚排列及主要性能参数
M57962L驱动器的印刷电路及外壳用坏氧树脂封装，共有14根引脚，其中2、3、4、7、9、10、11、12脚为空脚，其外型与引脚排列如图4-2所示。M57962L的主要参数列于附表4-1中。

图4-2 引脚排列框图
各引脚的功能如下：
1脚 (DEF)：检测输入； 4脚 (VCC)：正电源； 5脚 (OUT)：输出脚； 6脚 (VEE)：负电源；8脚 (FOUT)：过载/短路指示输出；13脚 (IN)：输入脚；14脚 (VIN)：输入级电源
2、3、7、9、10、11、12均为空脚（但前面5个引脚不允许随意连接任何电极。）
表4-1
符 号
参 数
条 件
范 围
单 位
VCC
VEE
电源电压
DC
18
-15
V
V
VI
输入电压
13-14脚输入
-1~+7
V
VO
输出电压
5脚输出
VCC
V
IOHP
输出电流

脉宽=2
频率=20H
-5
A
IOLP
5
A
Viso
隔离电压
正弦电压60HZ，1分钟
2500
Vrms
Topr
工作温度

-2~+60
OC
Tstg
存贮温度

-2~+100
OC
IOH
输出电