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1、上海交通大学硕士学位论文3环保用高中频变频电源研制环保用高中频变频电源研制摘 要电源，如今已是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中一步一步发展起来的，而高频变化是电源技术发展的主流。本文主要介绍的是中频 10k20kHz 变频和高频 100k300kHz 变频的电路设计与器件选择，分析在不同的工作频率范围内，功率器件的合理选择，芯片和模块的具体应用。对于逆变前端的整流电路，也作了具体介绍，并且在两次实验中采用了不同的方式。中频逆变电路前端的整流电路采用的是不可控单相整流方式；高频逆变电路前端的整流采用的是三相全控整流方式。

2、根据电路的工作频率范围，10k20kHz 的变频电路中，逆变主回路采用的功率器件是 IGBT，由此选择的是 IPM-IGBT 智能功率模块，它集成了保护与驱动电路一体。控制电路中，PWM 的信号输出采用的是SG3524 芯片。整个电路的特点是模块化与简便化。100k300kHz 的变频电路中，考虑到工作频率相当高，因此采用的功率器件是 IR 公司的 MOSFET，并且选择相配套的 IR 公司的高电压集成芯片作为 MOSFET 的驱动。控制电路中，PWM 信号的输出采用ATmega16 单片机芯片，并且和 MOSFET 驱动芯片共同组建保护电路。设计电路的特点是电路简单而合理，器件选择一体化。上

3、海交通大学硕士学位论文4本文的结尾，介绍了高中频变频电路在环保上的应用，体现出本课题研究具有很大的现实意义。关键词：整流，逆变，功率器件，环保上海交通大学硕士学位论文5RESEARCH OF HIGH AND MIDDLE FREQUENCY VARIABLE-FREQUENCY POWER SUPPLY APPLIED IN ENVIRONMENTPROTECTIONABSTRACTToday power supply is an important industry and basic sciencetechnology to other subjects.From daily life

4、to front edge science,nothingcan develop without the support and participation of power supply.And thefrequency to be higher is the main developing direction.In the paper,the converter circuit design and part choosing are mainlydiscussed.The middle frequency variable range is from 10k to 20kHz,and t

5、hehigher from 100k to 300kHz.The paper also introduced the rectifier circuit.And in two experiments,different methods were used.Single phase uncontrollable rectifier was used inmiddle frequency circuit,while three phase fully controllable rectifier wasused in high frequency circuit.According to diff

6、erent frequency variable range,in the 10k to 20kHzconverter circuit,IPM-IGBT and SG3524 were applied.IPM-IGBT meansintelligent power module,which integrated the protection function.SG3524was used to generate the PWM signal.The character of the circuit ismodularized and simplified.Besides,in the 100k

7、 to 300kHz converter circuit,main parts chosen were made by IR,including the MOSFET and its half上海交通大学硕士学位论文6bridge driver.And the control circuit was composed by ATmega16.Thecharacter of the circuit is integrated and reasonable.In the end,the paper presented the environmental protection application

8、of the high&middle frequency variable circuit,which indicated the realmeaning of this research.KEY WORDS:KEY WORDS:rectifier,converter,power device,environmental protection上海交通大学硕士学位论文1上海交通大学学位论文原创性声明上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

9、对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：沈辉日期：2006年 1月 15日上海交通大学硕士学位论文2上海交通大学学位论文版权使用授权书上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上

10、方框内打“”）学位论文作者签名：沈辉 指导教师签名：孙伟日期：2006年 1月 15日 日期：2006年 1月 15日上海交通大学硕士学位论文1第一章 前言第一章 前言1.1 电源技术研究的重要性电源技术研究的重要性人类的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是向负载提供优质电能的供电设备,是工业的基础。电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。

11、他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。当代许多高新技术均与电源相关，电源技术能够实现对参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。电源，如今已是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境

12、中一步一步发展起来的。1.2 高频开关电源技术的发展方向高频开关电源技术的发展方向1947 年底晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器（SCR，现称晶闸管）在晶体管逐趋成熟的基础上问世，从而揭开了电源技术长足发展的序幕。半个世纪以来，电源技术的发展不断创新。上海交通大学硕士学位论文2在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配

13、和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。1.2.1 高频化高频化理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、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 50Hz 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 5l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约 90%或更

14、高,还可节电 30%或更多。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,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。1.2.2 模块化模块化模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,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装到功率模块中去,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。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电

15、容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,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,使元器件上海交通大学硕士学位论文3之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电

16、应力降至最低,提高系统的可靠性。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单元并联工作,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流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量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,而且为修复提供充分的时间。1.2.3 数字化数字化在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是

17、,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,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、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、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。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。1.2.4 绿色化绿色化电源系统的绿色化有两层含义: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

18、的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如 IEC555、IEC917、IECl000 等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚上海交通大学硕士学位论文4至出现缺角和畸变。20 世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为 2l 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,

19、现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源

20、技术为核心的通信用开关电源,仅国内有 20 多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。1.3 课题的研究内容与意义课题的研究内容与意义传统的高压充电装置采用 AC 升压，高压整流的方案。其优点是原理比较简单，缺点是体积较大，控制不方便。变频电源方案采用 AC-DC-AC 的原理，即交流电源经过整流后得到直流，直流电源经过 LC 稳压后，经过变频单元逆变后，得到高频的脉冲，高

21、频交流电源经过变压器升压，整流后即得到高压直流电源。中高频电源与工频电源相比，同等容量下具有体积小的优点。各类高电压设备用高压电源如改为中高频电源，具有体积小、直流稳定等优点。随着冲击电压发生器、冲击电流发生器和直流装置的小型化，组合波发生器等上海交通大学硕士学位论文5EMC 试验装置均需要体积较小、灵活可靠的高压直流充电电源模块。开发相应的高压电源模块对于形成冲击产品形成系列、增强产品配套能力具有重要意义。高频变压器相比工频变压器具有更小的体积，在小型化的高压试验设备中具有更大的优势。除此以外，高频变频电源在环保方面也有很多应用，比如工业上的静电除尘，污水处理等等，因此这个课题是非常具有现实

22、意义的。上海交通大学硕士学位论文6第二章 整流电路设计第二章 整流电路设计单相整流电路适合小功率场合的应用，中等以上功率的整流装置一般都采用三相制的多相整流电路。这样不仅使三相制的电网处于平衡状态，而且在直流输出端得到多脉动的电压。输出电压脉波数增多，会大大改善整流电压的脉动程度，以至于就能获得较为平直的输出电压波形，改善装置的运行特性。2.1 整流电路概述整流电路概述整流电路是一种将交流电压变换成直流电压的电路。整流电路按照组成的器件来分有三类：不可控、全控和半控。不可控整流电路完全由不可控元件二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的；在全控整流电路中，所有

23、的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO 等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变；半控整流由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电压极性不能改变，但平均值可以调节。可控整流电路已经发展了多种形式，而且各具特色。如按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按电网相数可分为单相电路、三相电路和多相电路；按控制方式可分为相控式电路和斩控式电路；按组成器件又可以分为全控型电路和半控型电路等等。可控整流电路是一种应用广泛的电能变换电路，它主要依据晶闸管的两种特性：（1）单相导电性：是

24、电路输出不再具有交变的性质；（2）可控性：是电路输出功率可以依从给定的信号变化。可控整流电路的一般结构如图 2-1 所示，通常由交流电源（工频电网或者整流上海交通大学硕士学位论文7变压器）、整流主电路、滤波器、负载和触发控制电路所构成。图 2-1 可控整流的一般结构Figure 2-1 Normal Structure of Controllable Rectifier Circuit整流电路从工频电网吸收电能，并把他转换成直流电能输送到负载端。为了使电能的传送保持连续，在电路中加入滤波器。一个整流电路在实际应用时，必须满足下列基本的技术要求：（1）直流侧电压可调范围要大，输出直流电压脉动要小

25、；（2）晶闸管元件导电时间尽可能长，元件正反方向电压较低；（3）变压器利用率较高，尽量防止直流磁化；（4）交流侧功率因数高，谐波电流要小。在研究一个实际的整流电路时，常常将系统中某些次要的或者非本质的因素忽略（或暂时忽略），即所谓在理想条件下来研究它，以便获得主要的结论，然后再将暂时被忽略的因素考虑进去，加以充实、完善和修正，使结论更加接近一个实际的系统。整流电路的理想条件有两个：（1）理想器件：晶闸管具有理想特性，即正向阻抗为零，反向阻抗为无穷大；整流变压器绕组无漏感，无内阻，无铁耗，铁芯的磁导系数无穷大；（2）理想电源：交流电网有无限大的容量，电源为恒频恒压和对称的三相电源，因而整流电路接

26、入点的网压无畸变的正弦波。上海交通大学硕士学位论文82.2 可控整流的基本概念可控整流的基本概念控制角：从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通这一角度称为控制角。控制角又称触发延迟角和触发滞后角。导通角：晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角。移相：改变控制角 的大小，即改变触发脉冲电压gU出现的相位。移相控制：由于通过移相可以控制输出电压的控制方式，所以把通过改变控制角 调节输出电压的控制方式，称为移相控制。显然，在相控整流电路中，是把给定信号的变化最终转化成了门极脉冲的相位移动。移相范围：控制教 的允许调节范围。当 从 0 度到最大角度 max 变化时，相应地，整流输出电压完成最大到最小的

27、变化。移相范围和电路结构及负载特性有关。同步：要使整流输出电压稳定，要求触发脉冲信号和晶闸管阳极电压（即电源电压）在频率和相位上要协调配合，这种相互协调配合的关系，称为同步。自然换相点：当电路中的可控元件全部由不可控元件代替时，各元件的导电转换点，称为自然换相点。2.3 三相全控整流电路的工作原理与基本电量计算三相全控整流电路的工作原理与基本电量计算三相桥式全控整流电路，是由两个三相半波整流电路发展而来的。一组三相半波整流电路为共阴极接线，另一组是共阳极。由于共阴极组正半周导通，流经变压器副边绕组的是正向电流，而共阳极组在负半周导通，流经变压器副边绕组的是反向电流，因此在一周期中变压器绕组中没

28、有直流磁势，而且每相绕组在正负半周都有电流流过，延长了变压器的导电时间，提高了变压器绕组的利用率。上海交通大学硕士学位论文9图 2-2 三相全控桥式整流电路Figure 2-2 Three-phase Completely Controllable Bridge Rectifier Circuit2.3.1 工作原理与波形工作原理与波形图 22 为整流变压器采用 D，y 接线的三相全控桥式整流电路，现在分析当控制角 为 0度、大电感负载时的电路工作原理与波形。图 2-3 晶闸管触发顺序与输出电压波形Figure 2-3 Thyristor Trigger Sequence and Output

29、 Voltage Waveform上海交通大学硕士学位论文10在共阴极组的自然环流点，t1、t3、t5 时刻，分别触发 T1、T3、T5 晶闸管，而在共阳极组的自然换流点 t2、t4、t6 时刻，分别触发 T2、T4、T6 晶闸管，两组自然换流点对应相差 60 度，电路各自在本组内换流，即 T1T3T5T1，T2T4T6T2，每个管子轮流导通 120 度，为了使电流通过负载、并有输出电压，必须在共阴极组和共阳极组中各有一个晶闸管同时导通。在 t1t2 期间，a 相电压较正，b 相电压较负，在触发脉冲作用下，T1、T6管同时导通，电流从 a 相经过 T1负载T6 流回 b 相，负载上得到 a、b

30、 相线电压。t2 开始，a 相电压仍保持电位最高，但 c 相电压开始比 b 相更负，此时脉冲Ug2 触发 T2 导通，迫使 T6 承受反压而关断，负载电流从 T6 换到 T2，在 t2t3期间，电流路径为 a 相T1负载T2c 相，负载上得到 a、c 相线电压。在 t3时刻，由于 b 相电压比 a 相电压高，故触发 T3 管导通后，能迫使 T1 关断，电流从T1 中换到 T3，依此类推，t3t4 期间是 b、c 相供电，T2、T3 管导通；t4t5期间是 b、a 相供电，T3、T4 管导通；t5t6 期间是 c、a 相供电，T4、T5 管导通；t6t7 期间是 c、b 相供电，T5、T6 管导

31、通；t7t8 期间重复 a、b 相供电，T6、T1 管导通。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是 6、1，1、2，2、3，3、4，4、5，5、6，6、1。这时，共阴极组输出电压波形是三相相电压正半周的包络线，共阳极组输出负半周的包络线。三相桥式全控整流的输出电压dU 为两组输出电压之和，是相电压波形正负包络线之间的面积，所以dU 波形为三相线电压正半周的包络线。dU 每周期脉动六次，最低次谐波频率为电源频率的 6倍，即 300Hz。当控制角0o=时，平均直流电压22.34dUU=，为直流输出电压的最大值。当控制角0o时，输出电压波形发生变化，当60o时，dU 波形均为正值；当609

32、0oo时，dU 波形断续，由于dU 接近于零，负载电流太小，晶闸管无法导通。因此当120o=时，出现不规则的杂乱波形。上海交通大学硕士学位论文11通过上述分析，可以归纳为一下几点：（1）三相桥式全控整流电路，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证T1、T3和T5依次导通，对于共阳极触发脉冲的要求是保证T2、T4和T6依次导通，晶闸管在本组内每隔120度换流一次。由于共阴与共阳组换流点相隔60度，所以每隔60度有一次换流，六个触发脉冲的顺序是：1234561。（2）三相全控桥控制角的起算点（自然换流点）为相邻相电压的交点（包括正向与负向），在线电压波形上，是相邻线电压的交点，故线电压的交点同样是自然换

33、流点，定距该线电压波形原点为60度。（3）三相桥式全控整流电路在任何时刻必须由共阴极组和共阳极组各一个晶闸管同时导通才能构成电流回路，因此，三相桥式可控整流电路必须使用双窄脉冲或宽脉冲触发。2.3.2 基本电量的计算基本电量的计算三相桥式整流电路，不论控制角为何值，负载上的输出电压都是两相之间的线电压的某一部分，实质上就是三相线电压的整流，其输出等值于以线电压为幅值，一周期6个脉波的六相半波整流电流。因此可以直接从线电压入手，计算直流输出电压在/3范围内的平均值即可。1 整流电压的计算（1）电阻性负载当060oo，电流连续，输出电压dU 波形也是连续的，其平均值为：5622662sin2.34

34、cos2dUUtd tU+=(2-1)式中，2U 为相电压有效值。当60120oo，电流出现断续，当180ot=时，T1、T6中的电流已下降到零，但由于T2脉冲未来到，T2不能导通，T1、T6自行关断，此时电路中所有元件均处于阻断状态，整流桥从电网断开，负载电流为零，输出电压为零。这种情况一直延续到T2触发脉冲的到来，T2开始导通，T1重新导通，整流桥重新进入工作状上海交通大学硕士学位论文12态。直流平均电压值为：20366sin1 cos()23ddUUtd tU+=+(2-2)式中，0dU是当控制角为零度时的电压平均值。当120o=时，0dU=，所以可以从公式看出，电阻性负载的最大移相范围

35、是120度。（2）电感性负载对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是120度，因此当控制角为时，整流输出的直流平均电压值为：22.34cosdUU=(2-3)dU与控制角的关系如图2-4中曲线所示：图 2-4 输出平均电压与控制角的关系Figure 2-4 Relations between Output Average Voltage and Control Angle在090oo时，其工作状态为整流；在90180oo区间及0dU 10度d10度60d120度10d10度图 2-5 脉冲宽度与负载性质和主电路形式的关系上海交通大学硕士学位论文14Figure 2-5 Relati

36、ons among Pulse Width,Load Character and Main Circuit（3）触发脉冲的前沿陡度触发脉冲前沿越陡，越有利于并联或串联晶闸管的同时触发导通。因此在有并联或者串联的晶闸管时，要求脉冲前沿陡度大于或等于10V/uS。在没有串并联时，则无严格要求。（4）触发脉冲的输出功率触发脉冲要有足够的输出功率（电压、电流），并能方便地获得多个输出脉冲，每相中多个脉冲的前沿陡度不要相差太大。2.触发脉冲与主电路电源电压必须同步在可控整流、有源逆变及交流调压的触发电路中，为了使每一周波重复在相同的相位上触发，触发脉冲必须与上述变流装置的电源同步，即触发信号与变流装置主

37、电路的电源电压保持固定的相位关系。否则负载上的电压会忽大忽小，甚至触发脉冲出现在电源电压的负半周，使主电路不能正常工作。这种触发脉冲与主电路电源电压保持固定的关系称为同步。3.触发脉冲的移相范围应满足变流装置的要求触发脉冲的移相范围和主电路形式、负载性质及变流装置的用途有关。例如三相全控桥式整流电路电阻负载时，脉冲移相范围为0 120o；大电感负载整流时为0 90o。4.触发脉冲的频率可调性整流电路的触发脉冲频率是固定的，但在变频电路和斩波电路中，触发脉冲的频率应有频率可调的性能。特别是在变频电路中，触发电路和移相触发电路不同，它的特点是触发电路的同步电压本身是一个频率可变的电压，它直接控制触

38、发电路产生脉冲，再用此脉冲去触发晶闸管，从而使变频器输出的交流电压与同步电压有相同的频率。因此要调节变频器输出电压的频率，只需要改变同步电压的频率，而触发脉冲不必移相。5.防止干扰与误触发晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起的。因此需在触发电上海交通大学硕士学位论文15路中采取屏蔽等抗干扰措施。2.5 三相全控整流电路设计三相全控整流电路设计本次试验的整流部分设计，触发电路部分选用的是移相触发器模块SX-JKZ，配以三相同步变压器模块，与三相电网输入电压保持同步，主回路是采用晶闸管与阻容吸收回路组成的三相全控全桥电路。图 2-6 三相全控整流线路图Figure 2-6 Three

39、-phase Completely Controllable Rectifier Circuit Diagram其中TB-3Z是同步变压器模块，SX-JKZ是三相触发器模块。三相触发器模块内部集三相电相位检测、移相电路、控制电路和触发电路于一体，在三相同步变压器模块支持下，不需要外部任何电路或工作电源，便可以用上海交通大学硕士学位论文1605VDC信号自动控制或电位器手动控制，达到输出多路导通角可以改变的可控硅强触发脉冲，去触发相应器件以实现移相调压的目的。其中具体参数与需要注意的问题：1、三相交流调压电路无相序要求，但三相整流电路中三相进线(R、S、T)有相序要求，且进线和可控硅(如R对应K

40、P1的阳极和KP4的阴极)、同步变压器模块及三相触发器之间必须严格一一对应，否则系统不能正常工作。2、三相触发器的触发端(如A1、G1，A6、G6)为强触发方式，可以触发1000A以内的任何单向可控硅。这里所谓的强触发方式的连线为A1、G1对应 KPl的阳极和门极，而不是通常的阴极和门极。3、应用电路中的电网线电压为380VAC、50Hz,允许在260420VAC范围内使用。4、CON对COM必须为正，如极性相反则输出端失控（全开或全闭）。当控制端CON从0-5V改变时，负载上的电压从0伏到最大值可调（对阻性负载而言）。其中CON 在0-0.8V左右时为全关闭区域，可靠关断可控硅的输出；CON

41、在0.8V4.6V左右为可调区域，即随着控制电压的增大，导通角从180到0线性减小，负载上的电压从0伏增大到最大值；CON在4.6V5V左右时为全开通区域，负载上的电压为最大值。控制端CON信号为05V。5、CON对COM的输入阻抗大于30K。+5V电压信号只提供给手控电位器用，不作它用，所选用的电位器阻值在2-10K间。6、三相整流电路中当输出端并联大电解电容滤波时，由于电容两端电压不能突变，这种高电压、大容性场合很容易造成可控硅过流而损坏，因此模块上电前须保证控制端CON电压在0V，上电后，CON须从0V逐渐增大，以保证电容冲击电流最小。7、三相交流异步电机的调速应采用变频器，只有风机类、

42、水泵类电机在要求不高的场合可采用三相调压。三相电机软起动应采用电压、电流闭环控制。上海交通大学硕士学位论文178、三相触发器模块的弱电部分性能稳定可靠，六路（或三路）触发的一致性也很好，但由于为强电触发方式，故当主电路中的任一可控硅因故障（门极损坏）而不能被触发时，这种情况很容易损坏三相触发器模块上相应的触发端。这是此模块的主要不足。9、主电路中可控硅的阳极和阴极间必须加一个阻容吸收回路进行保护，其中电阻一般选30100、3W以上，电容选0.11.0f、400VAC以上。10、三相触发器模块和同步变压器模块发热很小，因此不需要安装在散热器。上海交通大学硕士学位论文18第三章 无源逆变电路第三章

43、 无源逆变电路整流是把交流电变换成直流电供给负载，那么，能不能反过来，利用相控整流电路把电路电变成交流电呢？完全可以。我们把这种整流的逆过程称为逆变。根据逆变输出交流电能去向的不同，所有逆变电路又可以分为有源逆变和无源逆变两种。前者以电网为负载，即逆变输出的交流电能送到电网，后者则以用电器为负载，无源逆变又可以称为变频器。本次的实际试验中，都是以用电器为负载的，因此本文的只分析无源逆变。3.1 无源逆变电路概述无源逆变电路概述无源逆变电路输出的频率和电压的大小，取决于负载的实用需要，可以是定频、定压的负载，也可以是调压、调频的负载，这和有源逆变电路是不同的。这种无源逆变电路的电力电子装置通称逆

44、变器，其中能调压调频的逆变器又特称变频器。一台性能良好的逆变器必须包括三部分电路，第一部分是电力电路或称主电路，是能量变换的主体。第二部分是电力电子器件的门控电路，包括设计在门控电路中的过电流保护等部分，目前这部分电路基本上已经模块化。逆变器的第三部分是控制电路，完成对主电路的控制，实现逆变，并使逆变器具有调压、调频，或稳压、稳频等良好的动静态性能。静止变频器按电源的种类可以分为交流交流变频器和直流交流变频器两大类。前者直接将工频电能转变为所需频率的交流电能，因此也称为直接变频器，后者把直流电能转变为交流电能，因此简称逆变器。由于直接电能通常都经由整流器由工频（50Hz）电源取得，所以这种装置

45、又称为具有中间直流环节的变频器。这种直流交流逆变器与游园逆变器相比，不是把变换成的交流电再反馈到交流电网中去，而是供给无源的负载使用。上海交通大学硕士学位论文19由全控型电力电子器件构成的逆变器主电路相当简单，电路结构犹如一个逆方向工作的可控整流电路，把直流电能变为可变频调压的交流，送给单相或者三相负载，而且采用不同的全控型电力电子器件时（如采用GTR、GTO、MOSFET、IGBT等不同器件时），其主电路直接没有原则差别。差别主要在于门极（栅极）控制电路，此外保护方法也有所不同。逆变器（变频器）的主电路从其结构而言，也像整流电路那样有零式和桥式、单相和多相等之分。负载电压和负载电流的频率取决

46、于两组理想开关的切换频率。3.2 单相桥式逆变电路的工作原理单相桥式逆变电路的工作原理用全控型器件，如采用IGBT（假设IGBT的开关过程是理想的，瞬时完成的），得到图3-1所示的一个单相桥式IGBT逆变电路的原理示意图。图 3-1 电阻负载单相桥式 IGBT 逆变电路Figure 3-4 Single-Phase Bridge Invert Circuit With Resistor Load在0期间，T1和T2导通；在2期间，T3和T4导通。两组理想开关同时轮流接通时，负载R上就可以得到交流电压RU，这是一个幅值为直流电源电压dU的周期性交变电压，相应的交流电流为Ri。图3-2是IGBT逆

47、变器在电阻负载下的输出电压RU和输出电流Ri的波形。上海交通大学硕士学位论文20图 3-2 电阻负载下的电压、电流波形Figure 3-4 Voltage and Current Waveform Under Resistor Load对于感性负载，交流电流滞后电压一个相位角，当两组开关管已经切换，电压已经反向时，感性负载电流仍将滞后角时间内保持原来的流通反向。图3-1所示的电路，因设有滞后的感性负载电流的通路，若强迫开断这一感性负载电流的通路，必然会引起过电压，造成电力电子器件的击穿损坏。为此，在感性负载的电路中，在每个电力电子器件上还必须反向并联一个快速二极管，以构成滞后电流的通路，如图3

48、-3所示。图 3-3 感性负载单相桥式 IGBT 逆变电路Figure 3-4 Single-Phase Bridge Invert Circuit With Inducted Load在图3-3中t时刻，当T1和T2关断、T3和T4导通后，感性负载电流从T1、T2转移到由D3、D4及电源所构成续流回路中，使负载电流在滞后角内继续保持原方向流通。同理在T3、T4切换到T1、T2后，负载电流改经D1、D2和电源电上海交通大学硕士学位论文21路续流。负载电流iZ的波形如图3-4所示，波形由两段指数曲线组成，阴影部分为二极管中的电流，其余为IGBT中的电流。图 3-4 感性负载下的电压、电流波形Fi

49、gure 3-4 Voltage and Current Waveform With Inducted Load上海交通大学硕士学位论文22第四章 第四章 10k20kHz 变频电路设计变频电路设计本次试验中，前端输入为单相交流电220V/50Hz整流后的直流电压，主要是测试工作频率在10k20kHz的工作情况。IPM智能功率模块选用型号为PS21865。主要介绍智能功率模块IGBT-IPM在逆变器中的应用。IPM将变频器主回路的功率器件IGBT全部集成在一个器件内，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且内置过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理

50、，是比较先进的混合集成功率器件。系统结构框图如图4-1所示：图 4-1 系统结构框图Figure 4-1 System Block Diagram其主回路为交流直流交流的电压型变频电路,由调压模块、整流滤波模块、IPM 逆变模块组成。整流部分采用单相全桥不可控整流，随后利用并联电容、串联电感进行滤波。逆变部分主回路采用IPM智能功率模块。控制部分采用PWM 专用控制芯片SG3524，并且其关断端口和IPM的故障保护输出端口相连，来对整个电路起到保护作用。上海交通大学硕士学位论文234.1 IGBT 的选择的选择IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘