课程设计任务书

 课题名称 基于IGBT的PWM变流器控制 

     实验设计  

                 学    院   

 专    业  电气工程及其自动化

  班    级             

 学    号       

  姓    名           

指导教师（签名）                年 月 日

教研室主任（签名）                年 月 日

一、课程设计目的……………………………………………   1

二、课程设计要求……………………………………………   1

三、课程设计内容……………………………………………   1

3.1、绝缘栅双极晶体管…………………………………………    1

3.1.1  IGBT的工作原理…………………………………………    2

3.1.2  IGBT 的工作特性…………………………………………   3

3.1.3   IGBT的主要参数…………………………………………   5

3.2  基于IGBT的PWM控制技术…………………………………  5

3.2.1  PWM控制的基本原理………………………………………  6

3.2.2 PWM控制技术的主要应用……………………………………  9

3.3  PWM变流器具体应用——PWM整流电路……………………  10

3.3.1  PWM整流电路的基本原理…………………………………  10

3.3.1.1 单相PWM整流电路………………………………………  10

3.3.1.2 三相PWM整流电路………………………………………  13

3.3.2  PWM整流电路的控制方法…………………………………  13

3.3.2.1  简接电流控制……………………………………………  13

3.3.2.2直接电流控制………………………………………………  14

四、课程设计总结……………………………………………   15

五、参考文献    ……………………………………………   16

一、课程设计的目的

1、通过课题设计，可提高自我的综合运用知识的能力，能巩固课程知识，加深对理论知识的理解，巩固和扩展知识领域、训练自身综合运用所学的理论知识，培养了严谨的科学态度和提高工作的能力，并提升发现问题和解决问题的能力，从而能初步解决一些实际问题。

2、通过设计，能初步掌握电力电子系统设计方法，培养学生查阅资料，文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。获取新知识、新信息的能力。

二、课程设计的要求

1了解IGBT电力电子器件的工作原理；

2 了解PWM控制技术；    

3 了解PWM变流器的电路结构；

4 设计PWM整流器的主电路及结构框图；

5 了解PWM变流器的一些具体应用；

三、课程设计内容

引言

PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论，这次的课程设计设计主要目的是通过设计一个PWM整流电路来加深对PWM控制技术的了解。整流电路用IGBT实现，用PWM技术进行控制。本文首先通过介绍IGBT的基本原理与用途，然后介绍PWM控制技术的原理。最后提出单相和三相的PWM整流电路的设计与实现。

3.1、绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是20世纪80年代出现的新型复合器件。它将MOSEFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高，工作速度快，热稳定性好和驱动电路简单的特点，又有通态电压低，耐压高和承受电流大等优点，因此发展很快，在电动机控制、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。IGBT未来的发展趋势是高电压、低损耗，并趋向于将控制和数控逻辑集成于一体，将散热器也引入了功率模块。

3.1.1  IGBT的工作原理

  IGBT的结构剖面图如下图1—1所示

图1—1

GBT是在功率MOSFET的基础上曾加了一个p+层发射极，形成PN结J1，并由此引出集电极C、栅极G和发射极E。

由结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图1—2（a）所示。图中电阻Rdr是厚基区GTR基区内的扩展电阻。由此可见，IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件。图1—2（a）所示为N沟道IGBT，其等效的MOSFET为N沟道型，GTR为PNP型。N沟道IGBT的图形符号如下图1—2（b）所示。P沟道IGBT图形符号中的箭头方向恰好相反。

（a）间化等效电路                     ( b）图形符号

图1—2     N沟道IGBT的等效电路及图形符号

IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。在栅极上施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P+区注入到N—区的空穴（少子）对N—区进行电导调制，减小N—区的电阻Rdr，使高内压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

3.1.2  IGBT 的工作特性

IGBT的特性包括了静态和动态两类。

静态特性

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流，其最佳值一般取为15V左右。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示：

　　Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。

通态电流Ids 可用下式表示：

　　Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

（a）转移特性                  （b）输出特性

图1—3  IGBT的转移特性和输出特性

动态特性

IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2组成。  

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

应该注意，关断过程中栅射极UGE的变化情况与负载的性质有关。在电感负载的情况下，UGE会陡然上升而产生过冲现象，IGBT将承受较高的du/dt冲击，必要时应采取错设加以抑制。

图1—4   IGBT的动态特性

3.1.3   IGBT的主要参数

(1)  最大集射极间电压UCES

UCES是由内部PNP晶体管的击穿电压确定。

(2)  最大集电极电流

最大电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。

(3)  最大集电极功耗PCM

PCM是指正常工作温度下允许的最大功耗 。

3.2  基于IGBT的PWM控制技术

PWM 控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。

3.2.1  PWM控制的基本原理

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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出相应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。如下图2—1 a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2—1a为矩形脉冲，图2—1b为三角形脉冲，2—1c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图2—1d时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

1.2  面积等效原理

分别将如图2-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

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2-3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。

    图2—2  冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

 图2—3  用PWM波代替正弦半波

对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：

  图2—4

根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

   图2—5

PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。输入的电源是交流或不是恒定的直流所得到的PWM波就是不等幅的。不管是等幅的PWM波还是不等幅的PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此本质是相同的。

图2—6 等幅PWM波

 图2—7 不等幅PWM波

上面所列举的都是PWM电压波。除此之外，也还有PWM电流波。例如，电流型逆变电路的直流侧是电流源，如对其进行PWM控制，所得到的PWM波就是PWM电流波。直流斩波电路得到的PWM波就是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波形。

3.2.2 PWM控制技术的主要应用

PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

PWM控制技术主要用于以下几种电路：

1、用于直流斩波电路

直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。

2、用于交流—交流变流电路

斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表。

3、用于逆变电路

PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。

正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。

4、PWM控制技术用于整流电路

PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。

以上就是PWM控制技术的主要应用，以下以PWM整流电路的设计来深入了解PWM控制技术。

3.3  PWM变流器具体应用——PWM整流电路

相控整流电路虽然控制简单、成本较低、技术成熟，但其缺点也很明显，主要包括：交流侧输入电流谐波含量很大，对公用的电网产生谐波污染；晶闸管换流引起公用电网电压波形畸变；在控制角较大的深控状态，功率因数因cosa减小而急剧降低；闭环控制时动态响应相对较慢。

PWM控制技术的应用与发展为改进整流电路的性能提供了变个性的思路和手段，结合了PWM控制技术的新型整流电路称为PWM整流电路。PWM整流电路具有以下的优良性能：

（1）交流侧输入电流为正弦波。

（2）功率因数可以控制为任意值。

（3）电能双向传输，既可以实现整流，也可以实现逆变。

（4） 闭环控制时具有较快的动态响应。

PWM整流电路根据输出滤波器的不同可以分为电压源型和电流源型。电压源型PWM整流器电路采用电容进行滤波，直流输出电压稳定：电流源型PWM整流电路采用电感作为滤波元件，直流输出电流稳定。

由于PWM整流电路性能优良，因此取得了广泛的应用，如静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动等。

3.3.1  PWM整流电路的基本原理

PWM整流电路也可以分为电压型和电流型两大类。

3.3.1.1 单相PWM整流电路

图a和b分别为单相半桥和全桥PWM整流电路。对于半桥电路来说，直流侧电容必须由两个电容并联，其中点和交流电源连接。对于全桥电路来说，直流侧电容只要一个就可以了。交流侧电感包括了外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。电阻R包括了外接电抗器中的电阻和交流电源的内阻。

                   图3—1 单相半桥电路

图3—2  单相全桥电路

下面以全桥电路为例说明PWM整流电流的工作原理。由SPWM逆变电路的工作原理可知，按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图b中的V1~V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流端输入AB产生一个SPWM波UAB，UAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，而不含有低次谐波。由于电感LS的滤波作用，高次谐波电压只会使交流电流iS产生很小的脉动，可以忽略。这样，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，iS也为与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压US一定的情况下，iS的幅值和相位仅由UAB中基波分量UABF的幅值及其与US的相位差来决定。改变UABF的幅值和相位，就可以使iS和US同相位、反相位iS比US超前90°，或使iS与US的相位差为所需要的角度。图的相量图说明了这几种情况，图中US、UL、UR和IS分别为交流电源电压US ，电感LS上的电压 UL、电阻RS上的电压UR以及交流电流iS 的相量，UAB 为US 的相量。图a中，UAB 滞后US 的相角为δ，US 和 I S 完全同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。这就是PWM整流电路的最基本的工作状态。图b中UAB  超前US  的相角为δ，I S 和US 的相位正好相反电路工作在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且，这两种方式都可以在单位功率因数下运行。这一特点对于需要再生制动运行的交流电动机调速系统是很重要的。图c中UAB滞后US的相角为δ，I S超前US 90°，电路在向交流电源送出无功功率，这时的电路被称为静止无功功率发生器，一般不在称之为PWM整流电路了。在图d的情况下，通过对UAB幅值和相位的

控制，可以使I S比US超前或滞后任一角度Ψ。

图3—3 PWM整流电路的运行方式相量图

对于单相全桥PWM整流电路的工作原理再做如下说明。在整流运行状态下，当US >0 时，由，V2、VD4、VD1、Ls和V3、VD1、VD4、Ls分别组成了两个升压斩波电路。以包含V2的升压斩波电路为例，当V2导通时，US 通过V2、VD4 向Ls储能，当 V2关断时，Ls中储存的能量通过VD1、VD4、向直流侧电容c充电。当US < 0 时，由 V1、VD3、VD2、Ls 和V4、VD2、VD3、Ls分别组成了两个升压斩波电路，工作原理和US >0 时类似。因为电路按升压斩波电路工作，所以如果控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对电力半导体形成威胁。另一方面，如果直流侧电压过低，例如低于US的峰值，则UAB 中就得不到图中所需要的足够高的基波电压幅值，或UAB中含有较大的低次谐波，这样就不能按照需要控制iS ，iS波形会发生畸变。

从上述分析可以看出，电压型PWM整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，如要向低调节就会使整流电路性能恶化，以至不能工作。

3.3.1.2 三相PWM整流电路

三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。

进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得 SPWM电压，按图3—3a的相量图控制，可使ia、ib、ic为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1。

和单相相同，该电路也可工作在逆变运行状态及图c或d的状态。

3.3.2  PWM整流电路的控制方法

PWM整流电路有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种间接电流控制、直接电流控制。

3.3.2.1  简接电流控制

间接电流控制也称为相位和幅值控制。这种方法就是按照图

的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。图   为间接电流控制的系统结构图，图中的PWM整流电路为图   的三相桥式电路。控制系统的闭环是整流器直流电压控制环。直流电压给定信号和实际的直流电压比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流指令信号id，id的大小和整流器交流输入电流的幅值成正比。稳态时， =，PI调节器的输出id和整流器负载电流大小相对应，也和整流器交流输入电流的幅值小相对应。当负载电流增大时，直流侧电容C放电而使其电压下降，PI调节器的输入端出现正偏差，使其输出id增大，id的增大会使整流器的交流输入电流增大，也使直流侧电压回升。达到稳态时，仍和相等，PI调节器输入仍恢复到零，而id则稳定在新的较大的值，与较大的负载电流和交大的交流输入电流相对应。当负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。若整流器要从整流运行变为逆变运行时，首先是负载低啊六反向而向直流侧电容C充电，使抬高，PI调节器出现负偏差，其输出id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。达到稳定时，和仍然相等，PI调节器输入恢复到零，其输出id为负值，并与逆变电流的大小相对应。

控制系统中其余部分的工作原理

图中上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc。图中下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前π/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLc。各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。

存在以下的问题

（1）在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果。

（2）是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。

（3）间接电流控制的系统应用较少。

3.3.2.2直接电流控制

在这种控制方法中，通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使起跟踪指令电流值，因此这种方法称为直接电流控制。直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，图3—6给出的是一种最常见的采用电流滞环比较方法的控制系统结构图。

上图所示是一个双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。外环的结构、工作原理和图3—5间接电流控制系统相同。外环PI调节器的输出为id，id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号，和。可以看出，， 和分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比，这是整流器运行时所需的交流电流指令信号。该指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。其跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内。

采用滞环电流比较的直接电流控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好。

四、课程设计总结

通过这次的学习和研究，我对整流电路、触发电路等知识有了更深刻的理解。以前对于这部分知识只是局限于教科书上的内容，知识介绍十分有限。通过这次的课程设计可以把很多的感性的知识变成了理性的了解、掌握。在设计过程中，通过去图书馆查阅大量的书籍，在网络上收索大量的参考材料，及经过自己过认真分析、理解、整理这些材料。使我懂得了很多书本上没有的知识，对电源变压器、整流电路、稳压电路和触发电路等有关的电子电子知识有了更过的了解。通过本次的课程设计使我不仅了解了一些电子器件的结构和原理，而且通过亲自动手设计相关电路，锻炼了自己将书本上的知识运用到实际生活的能力和运用电脑基础知识的能力。为以后的毕业设计及到工作岗位上工作打下了坚实的基础。整流电路的应用相当普及，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池，太阳能电池等都是直流电源，而电力系统所提供的是交流电源，所以就需要整流电路。

交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源、各种充电器等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是整流电路。本文结合PWM控制技术的原理和一系列的技术要求，通过PWM整流电路说明了PWM控制技术，较详细地总结了PWM整流电路的控制方法和原理，并简单说明了其优缺点。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

五、参考文献

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[2] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社，2005

[3] 粟书贤《电力电子技术实验》[M].北京：机械工业出版社，2009

[4] 蒋渭忠.电力电子技术应用教程[M].北京：电子工业出版社，2009

[5] 张润和.电力电子技术及应用[M].北京：北京大学出版社，2008

[6] 李宏、王崇武.现代电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009下载本文