前言
电力电子技术是跨越电力技术、电子技术和控制理论三个领域的一门新兴交叉学科，它主要研究应用于电力领域的各种电力半导体器件及其装置，以实现对电能的变换和控制。它可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。电力电子技术广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等。该课程已成为电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。三相桥式 SPWM 逆变电路是电力电子技术中应用最广泛的电路之一，因而也是电力电子技术课程中非常重要的一部分内容。掌握和深刻理解该电路原理有助于正确设计和使用实际的三相 SPWM 逆变电路。由于此电路较为复杂，理解较为困难，所以借助仿真手段，容易得到其复杂的动态变化的波形。为此，本文建立三相SPWM 逆变电路仿真模型，仿真分析其典型电流、电压波形，分析其工作过程。
摘要
本文设计了一个三相桥式PWM控制的逆变电路。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,如果脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM波形。该设计包括主电路、驱动电路、SPWM信号产生电路等方面的设计。该逆变器主电路采用的开关器件是IGBT；控制电路采用三个“sine wave”环节生成三相正弦调制信号，再与”triangular wave”环节产生的三角波比较产生三路驱动信号。反相后接入主电路。
目录
前言
摘要
1、课题背景.................................................................1
2、三相桥式 SPWM 逆变器设计内容及要求.............2
3、SPWM 逆变器工作原理.........................................3
4、MATlAB 仿真设计..................................................4
5、结果分析................................................................6
6、个人总结................................................................8
一、课题背景
正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中 ,其中有:针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ;针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;；针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS ( Emergence Power Supply) ;针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply) ;还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等. 随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新 ,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor) 为代表的自关断可控型功率半导体器件出现 ,大大简化了正弦逆变电源的换相问题 ,为各种 PWM 型逆变控制技术的实 现提供了新的实现方法 ,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制. 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、场效应管（MOSFET)、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展。随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时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、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。本文针对双极性PWM调制的三相桥式逆变电路进行MATLAB仿真，电路采用大功率的IGBT器件。
二、三相桥式 SPWM 逆变器的设计内容及要求
对三相桥式PWM逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：主电路的两个直流电压为100 V。三相阻感负载，负载中R=1Ω ,L=10mH。
理论设计：了解掌握三相桥式PWM逆变电路的工作原理，设计三相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路。包括：（1）IGBT相关参数的计算和器件的选择;（2）驱动电路的设计;（3）画出主电路原理图和控制原理图。
仿真试验：利用MATLAB仿真软件对三相桥式PWM逆变电路的主电路及控制电路进行仿真建模，并进行仿真试验。
三、SPWM 逆变器的工作原理
由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作 N 等分。 然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。 从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。 但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波) 作为调制波 (ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 SPWM中用三角波作为载波，因为三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是 SPWM 所需要的结果.
图1三相桥式PWM逆变电路原理图
四、MATlAB 仿真设计
三相桥式PWM逆变电路仿真模型如图2所示，主电路中两个直流电源电压均为100V。经由六只IGBT构成的桥式逆变电路与三厢电阻电感负载连接（电阻R=1,电感L=10mh)。控制电路采用三个“sine wave”环节生成三相正弦调制信号，频率为50Hz，调制信号与”triangular wave”环节产生的三角波(频率为1000Hz）比较产生三路驱动信号分别连接到IGBT/diode、IGBT/diode1和IGBT/diode2,同时三路驱动经反相后连接到IGBT/diode5、IGBT/diode4和IGBT/diode3。当正弦调制信号幅值为0.7（即调制度为0.7）时，电路的仿真波形图如图3。U、V、W三相的PWM控制公用一个三角波载波，三相的调制信号依次相差120°。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说。当U相调制信号大于三角波时，给上桥臂IGBT/diode以导通信号，给下桥臂V2以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压uUN’=Ud/2。当U相调制信号小于三角波时，给IGBT/diode5以导通信号，给IGBT/diode以关断信号，则uUN’=-Ud/2。IGBT/diode与IGBT/diode5的驱动信号始终是互补的。当给IGBT/diode(IGBT/diode5)加导通信号时，可能是IGBT/diode(IGBT/diode5)导通，也可能是二极管续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定，这和单项桥式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相及W相的控制方式都与U相相同。
图2三相桥式PWM逆变电路仿真模型
五、结果分析
仿真结果如图3所示，可以看到三个互差120°的正弦波与高频三角波进行比较再对结果进行反相的控制波，控制IGBT的导通与关断，进而产生下面的波形，电压UN’、 VN’、 WN’的PWM波形都只有正负Ud/2两种电平，线电压UV的波形可以由电压UN’-VN’得出。可以看出当桥臂1和4导通时，电压UV=Ud,当桥臂1和3导通或2和4导通时，电压UV=0。因此逆变器输出线电压PWM波由正负Ud和0三种电平构成。负载相电压的PWM波则由正负2/3Ud、正负1/3Ud和0五种电平组成。由图中的波形可以看出，通过对脉冲宽度的调制等效成正弦波。在电压型逆变PWM控制中，同一相连接的两个桥臂的驱动信号是互补的。但是实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成的短路，在上下两桥臂通断切换时要留一小段上下桥臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由功率开关器件决定。这个死区时间将会给输出PWM波形带来一定的影响，使0其稍微偏离正弦波。图3中PWM波形里面正的脉冲代表正弦波的正半周负的脉冲即代表正弦波的负半周期从而组成正弦波的一个周期，不同的脉冲宽度模拟成正弦波不同的幅值。
经过对波形的分析我们可以看出：1)SPWM控制逆变器可以很好的把直流电逆变成我们所需要的交流电；2) 负载或者电源的变化会影响逆变的输出电压。
图3三相桥式PWM逆变电路仿真模型
将正弦波频率增加一倍，发现上下PWM波形依照正选的脉冲宽度的调制的波形周期也缩小了一倍，如图4.
图4正弦波频率增加一倍后三相桥式PWM逆变电路仿真模型
图5将直流电源电压增加一倍后的三相桥式PWM逆变电路仿真模型
六、个人总结
通过对课题的研究，使我进一步深化了对电力电子技术的认识，首先对电力电子器件的使用有了一定的了解，例如：晶闸管，GTO、GTR、MOSFET、IGBT等，对电力电子器件的发展与未来趋势有了一定的认识，其次我对PWM技术的原理与电路的构造、搭建进行了深入的学习，这也使我对PWM技术有了一些比较基础的认识，最后，通过这次用MATLAB对三相桥式PWM逆变电路的仿真，使我对MATLAB仿真产生了浓厚的兴趣，通过学习，我认识了一些SIMLINK库里面的元器件，以及电路搭建的方法。回顾此次电力电子技术课程设计，感慨颇多，先是选题，然后查阅各种资料，重新温习课本，再在网上寻找相关论文参考，在脑海里有一个清晰的构架，然后利用MATLAB仿真，中间也遇到了很多的小问题，先是破解版的无法运行，后来发现元器件库里面都是英文的，然后花时间去网上查每个器件的英文名称，后来搭建电路运行出现错误，然后查阅资料发现缺少了powergui，添加了以后又发现有错误，The block diagram 'three phase inverter pwm' uses bus signals. However, the 'Mux blocks used to create bus signals' diagnostic is not configured to 'error'. To prevent modeling errors:，然后运行Upgrade Advisor进行检查然后又对其重新进行配置电路才成功的运行出波形，为了把电路搭建的整齐，经过几次调整，最终搭建成功，虽说是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多只有在实践中才能学习到的知识。在设计的过程中遇到很多问题，甚至可以说是困难重重，毕竟第一次做，难免会遇到各种各样的问题，比如有时候被一些微不足道的小问题，细节上的问题困住了，最后解决这些小问题就花费了不少的时间。最后在网上找相关的资料去查阅，再经过自己的摸索最终解决。我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。在经历了实践后才发现认真仔细的研究课本中的基础，吃透了最基础的东西才能对更深层次的东西有一定的认识，之前不在意的原理，后来都要自己再去自学，再补回来。“有志者，事竟成”，在一次又一次的失败中坚持下来，我也学到了很多东西。概而言之，万事开头难，刚选定课题后，思绪全无，感觉无从下手，最后还是重新温习课本，然后查阅课外书籍，才有了思绪，所谓书到用时方恨少。经过了对原理的深入研究，对网上查到的论文进行认真的阅读，思路积累的差不多的时候，境况有了质的改变，有了一定的思路，有了下一步的计划，知道从何下手、怎么去做。在设计中遇到很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。同时发现还有很多工具及理论以后亟待学习。实践培养了我们严谨科学的思维方式，这种思维方式又是沟通理论与实践的桥梁，加强和巩固了所学的知识，加深对理论知识的理解；培养了查阅、学习文献的能力，特别是利用互联网寻找我们需要的学术论文与资料，如何充分利用学校的电子图书馆，查阅中国知网上面的文献和论文；总得来说这次结课设计使我做到了一下几点的提高：提高了对电力电子技术知识的掌握水平；提高了综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；提高了综合运用知识的能力和设计能力；提高了运用仿真软件能力；也提高了论文写作水平。
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