【正文】 變器電力晶體管TT4的通斷。當調制信號不是正弦波時，也能得到與調制信號等效的PWM波形。希望輸出的信號為調制信號，把接受調制的三角波稱為載波。但在實際應用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個周期內的脈沖數后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準確計算出來。逆變器的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電壓。可以看出，該PWM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM波形。把幅值為的矩形波展開成傅里葉級數得: 其中基波得幅值和基波有效值分別為 SPWM控制技術及其原理 SPWM控制的基本原理如圖28(a)所示，我們將一個正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點重合，得到如圖28(b)所示得脈沖列，這就是SPWM波形。單相全橋電壓型逆變電路的原理圖如圖27所示，它共有4個橋臂，橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。在本文中，我們主要討論單相電壓型逆變電路的基本構成、工作原理和特性，圖27為其電路。在上述四種換流方式中，器件換流只適應于全控型器件，其余三種方式主要是針對晶閘管而言。設置附加的換流電路，由換流電路內的電容提供換流電壓，稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或電容換流。由負載提供換流電壓，凡是負載電流的相位超前電壓的場合，都可實現負載換流。整流電路的換流方式就是電網換流。(2)電網換流。一般來說，換流方式可分為以下幾種：(1)器件換流。全控型器件可以用適當的控制極信號使其關斷，而半控型晶閘管，必須利用外部條件或采取一定的措施才能使其關斷。在換流過程中，有的臂從導通到關斷，有的臂從關斷到導通。上面是S1S4均為理想開關時的分析，實際電路的工作過程要復雜一些。這時負載電流從直流電源負極流出，經S負載和S3流回正極，負載電感中儲存的能量向直流電源反饋，負載電流逐漸減小，到時刻降為零，之后才反向并逐漸增大。在時刻斷開SS4，同時合上SS3，則的極性立刻變?yōu)樨?。當負載為阻感時，相位滯后于，兩者波形的形狀也不同，圖25(b)給出的就是阻感負載時波形。這就是逆變電路的最基本的工作原理。當開關SS4閉合，SS3斷開時，負載電壓為正；當開關SS4斷開，SS3閉合時，為負，其波形如圖25(b)所示。，可分為調頻式（PFM）逆變和調脈寬式（PWM）逆變.，可分為諧振式逆變、定頻硬開關式逆變和定頻軟開關式逆變。，可分為電壓型逆變和電流型逆變。，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。這們學科是建立在工業(yè)電子技術、半導體器件技術、現代控制技術、現代電力電子技術、半導體變流技術、脈寬調制（PWM）技術、磁性材料等學科基礎之上的一門實用技術。與之相對應，把直流電變成交流電的過程叫做逆變，完成逆變功能的電路則稱為逆變電路，而實現逆變過程的裝置叫做逆變設備或逆變器。(3)過熱保護利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當超過允許溫度時主電路跳閘以實現過熱保護。但由于IGBT的安全工作區(qū)寬，因此，改變柵極電阻的大小，可減弱IGBT對緩沖電路的要求。這種保護方案要求保護電路在內響應。只要檢測出過流信號，就在2us內迅速撤除柵極信號。對于非正常的短路故障要實行過流保護。IGBT作為一種大功率電力電子器件常用于大電流、高電壓的場合，對其采取保護措施，以防器件損壞顯得非常重要。VDMOS的通態(tài)壓降隨結溫升高而顯著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。(6)與VDMOS和GTR相比，IGBT的耐壓可以做得更高，最大允許電壓UCEM可達到4500伏以上。在使用中一般通過選擇適當的UCE和柵極驅動電阻控制，避免IGBT因過高而產生擎住效應。IGBT在開通時為正向偏置，其安全工作區(qū)稱為正偏安全工作區(qū)FBSOA，如圖24(a)所示，IGBT的導通時間越長，發(fā)熱越嚴重，安全工作區(qū)越小。另外器件在關斷時電壓上升率太大也會產生擎住效應。為此，器件出廠時必須規(guī)定集電極電流的最大值，以及與此相應的柵極－發(fā)射極最大電壓。在IGBT管中由來控制的大小，當大到一定的程度時，IGBT中寄生的NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)，柵極G失去對集電極電流Ic的控制作用，這叫擎住效應。在小電流段的1/2額定電流以下通態(tài)壓降有負溫度系數，因此IGBT在并聯使用是具有電流自動調節(jié)能力。(2)IGBT的通態(tài)壓降低。 IGBT的開關時間與集電極電流、柵極電阻以及結溫等參數有關。又可分為關斷延遲時間和電流下降時間兩部分。 圖23 IGBT的開關特性IGBT的關斷過程是從正向導通狀態(tài)轉換到正向阻斷狀態(tài)的過程。開通時間定義為從驅動電壓 的脈沖前沿上升到最大值的10%所對應的時間起至集電極電流上升到最大值的90％。(1)IGBT的開關特性好，開關速度快，其開關時間是同容量GTR的1/10。當(開啟電壓，一般為3－6伏)時，IGBT開通，其輸出電流與驅動電壓基本呈線性關系。值得注意的是，IGBT的反向電壓承受能力很差，從曲線中可知，其反向阻斷電壓只有幾十伏，因此限制了它在需要承受高反壓場所的使用。 IGBT的特性與參數特點IGBT的伏安特性如圖22(a)所示，它反映在一定的柵極－發(fā)射極電壓與的關系。導通壓降：電導調制效應使電阻減小，使通態(tài)壓降減小。IGBT的驅動原理與功率MOSFE基本相同，為場控器件，通斷由柵射極電壓決定。為了抑制寄生晶體管的工作，IGBT采用盡量縮小晶體管的電流放大系數作為解決閉鎖的措施。通過輸出信號已不能進行控制。若寄生晶體管工作，又變成晶閘管。該電子為晶體管的少數載流子，從集電極襯底層開始注入空穴，進行電導率調制（雙極工作），所以可以降低集電極－發(fā)射極間飽和電壓。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，是一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)晶體管，為晶體管基區(qū)內的調制電阻。圖21(a)為N溝道VDMOSFET與GTR組合的N溝道IGBT（NIGBT）。在電機控制、中頻電源、各種開關電源以及其他高速低損耗的中小功率領域，IGBT有取代GTR和VDMOS的趨勢。IGBT于1982年開始研制，1986年投產，是發(fā)展很快而且很有前途的一種混合型器件。2％。本課題所設計逆變電源的參數要求：(1)輸入電壓：市電三相電源380VAC177?？梢哉f，利用MATLAB語言對所設計的電力電子設備進行仿真，不僅提高了產品的可靠性，而且也縮短了產品的開發(fā)周期，對電力電子產品的開發(fā)具有很大的幫助作用。PSPICE可提供時域仿真，又可提供頻域仿真，能對電路的動態(tài)工作過程進行細致的仿真分析，可它缺乏控制系統(tǒng)的設計工具和分析手段，難于進行機電控制系統(tǒng)的仿真。(4)減小初投資，一套仿真設備就是規(guī)模很大的實驗室，可以做許多電路與系統(tǒng)產品的研究。(3)設計任務確定后立即做仿真，進行充分可行性論證后再訂購貴重、特殊器件，既節(jié)省資金又縮短開發(fā)過程，提高產品的質量。(2)提高分析速度、分析精度和分析廣度。為了大幅度地提高效率，在研制新型電源系統(tǒng)的過程中，往往采用如下程序：首先提出一個新的設想，然后對其進行仿真以驗證該設想的可行性，并驗證其性能參數，在達到了預期的效果后，再進行硬件實現，這種方法已逐漸成為科研工作的一種主要模式。另外，現代越來越復雜的電子設備對電源提出了各種各樣的負載要求，一個特定用途的電源，應當具有特定的負載性能要求和外特性，同時還應當具備安全可靠、高效、高功率因數、低噪音的特點，另外，無電磁干擾、無電網污染、省電節(jié)能也是我們應當認真考慮的設計要求。、控制性能好、電氣性能指標好由于逆變電路的工作頻率高，調節(jié)周期短，使得電源設備的動態(tài)響應或者說動態(tài)特性好，表現為：對電網波動的適應能力強、負載效應好、啟動沖擊電流小、超調量小、恢復時間快、輸出穩(wěn)定、紋波小。3)傳統(tǒng)的、這是因為其電流諧波成分和相移角都比較大。變壓器本身的損耗主要包括原、副邊銅耗和鐵芯損耗，鐵芯橫面積和線圈匝數的大幅度減小也就大大降低了銅耗和鐵耗。而電動機的起動、制動消耗的能量往往很大，如使用變頻電源來調節(jié)電動機做功的量，則可節(jié)約很大一部分能量。，節(jié)省材料在很多用電設備中，變壓器和電抗器在很大程度上決定了其體積和重量，如果我們將變壓器繞組中所加電壓的頻率大幅度提高，則變壓器繞組匝數與有效面積之積就會明顯減小，變壓器的體積和重量明顯地減小了。采用逆變技術，可使所設計的電源具有許多方面的優(yōu)越性：，我們可以控制逆變電路的工作頻率和輸出時間的比例，從而使輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設備工作的要求來靈活地變化。電源是電力電子技術的主要應用領域之一，隨著新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術、新的控制技術的出現與應用，逆變電源技術得到越來越廣泛的應用。第一章 緒論電力電子技術就是利用半導體功率開關器件、電力電子技術和控制技術，對電氣設備的電功率進行變換和控制的一門技術。上個世紀80年代以來，由于半導體器件，電子技術等的不斷推陳出新，電力電子技術有了突飛猛進的發(fā)展，其對工業(yè)發(fā)展所產生的巨大作用，被各國的專家學者稱為人類社會繼計算機之后的第二次的電子革命，它在世界各國工業(yè)文明的發(fā)展中所起的關鍵作用可能僅次于計算機。電源技術的發(fā)展，大體經歷了幾個階段：由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅（晶閘管）整流式，直到發(fā)展到逆變式(開關式)。，這樣就不會因為交流電網停電或劇烈變化而影響工作。4．采用逆變技術的電源還具有高效節(jié)能的優(yōu)越性，表現在如下幾個方面：1)在許多應用交流電動機的場合，在其負載變化時，傳統(tǒng)的方法是調節(jié)電動機的通電時間所占比例，這樣電動機就會頻繁地制動、起動。2)采用逆變技術的電源，其變壓器的體積和重量大大減小了，也即減小了鐵心橫面積和線圈匝數。因此，采用逆變技術大大提高變壓器的工作頻率，使得變壓器的損耗變得比工頻工作時小得多，從而達到節(jié)能的目的。在逆變電源中，如果用功率因數校正技術，能使輸入電流的諧波成分變得很小，從而使功率因數約為1，節(jié)能的效果非常明顯。、控制速度快，對保護信號反應快，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。電源技術發(fā)展到今天，已融匯了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、計算機、電磁兼容、熱工等諸多技術領域的精華，已從多學科交叉的邊緣學科成長為獨樹一幟的功率電子學。目前，計算機仿真技術在現代工業(yè)產品的設計和開發(fā)中發(fā)揮了越來越重要的作用，其主要作用有：(1)取代人工解析分析，減輕設計勞動強度和重復性勞動。比真實電路實驗可擴大研究范圍，測得更多的數據，如元器件中的數值和波形，研究系統(tǒng)性能受其變化的影響。用PC機仿真系統(tǒng)代替實驗可大大減小元器件損壞引起的損失，更重要的是某些無法進行實地實驗、艱苦和危險場合（如太空），只有通過仿真，才能進行全面的考察，故障的模擬，實基于單片機控制新型高效率正弦波逆變電路的設計與仿真際存在的非線性因素允許到什么程度。常用的仿真軟件有PSPICE程序(Personal Simulation Program WithIntegrated Circuit Emphasis)和MATLAB語言，PSPICE程序是Microsim公司出版的，是電子CAD中的電子模擬軟件，其目的是在所設計的電路硬件實現之前，先對電路進行模擬運行，從而對硬件電路進行可行性論證分析。MATLAB語言是一種功能強大的控制系統(tǒng)計算機輔助設計和仿真語言，易于實現很多控制系統(tǒng)的仿真，可以避免大量的時間用于編制仿真程序，隨著MATLAB軟件推出電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower，可同時涉及控制和電路的混合系統(tǒng)的仿真，為電源的運行性能分析提供了強有力的工具。本課題的主要任務是了解并掌握電力電子器件IGBT的原理和使用，并用電源的逆變技術設計出一臺基于單片機控制的新型高效率正弦波逆變電路，先用MATLAB語言的電力仿真工具箱SimPower對所設計的系統(tǒng)進行仿真，分析其可行性，在此基礎上，對所設計的電源系統(tǒng)進行調試，故本課題的名字為：基于單片機控制新型高效率正弦波逆變電路的設計與仿真。10％；(2)輸出電壓：輸出為單相220VAC(有效值)、頻率為50Hz的穩(wěn)壓電源；(3)輸出功率：3KW，允許過載10％；(4)整機效率：設計目標為90％；(5)穩(wěn)壓精度：小于177。第二章 基本原理 IGBT管的基本原理與特性絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）簡稱IGBT，因為它的等效結構具有晶體管模式，所以稱為絕緣柵雙極型晶體管。IGBT綜合了MOS和GTR的優(yōu)點，其導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOS的1/10，開關時間是同容量GTR的1/10。 IGBT的工作原理就IGBT的結構而言，是在N溝道MOSFET的漏極N層上又附加上一層P層的的四層結構。IGBT比VDMOSFET多一層注入區(qū)，形成了一個大面積的結，使IGBT導通時由注入區(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力。 N溝道IGBT通過在柵極－發(fā)射極間加閾值電壓以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的層上形成反型層（溝道），開始從發(fā)射極電極下的層注入電子。工作時的等效電路如圖21(b)所示，在發(fā)射極電極側形成寄生晶體管。電流繼續(xù)流動，直到輸出側停止供給電流。這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。具體來說，（直流）的3倍以上。導通： 大于開啟電壓時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。關斷：柵、射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。越高，越大。圖22(b)是IGB