低电压大电流逆变器的研究与应用设计

论文摘要

自从20世纪40年代逆变器诞生以来,逆变器经历了飞速的发展。低电压大电流逆变器凭借其输出电压低,输出电流大等特点,被广泛应用在低压大功率领域。该课题主要是对并联MOSFET的低电压大电流逆变器的研究。经理论分析、软件仿真和控制实验验证对异步电机的转子磁场定向控制以及基于并联功率MOSFET的逆变器的设计。课题通过将异步电机的数学模型坐标变换到两相同步旋转坐标系上,详细分析转子磁链模型和解耦控制,并采用转子磁场定向间接控制方法经空间矢量脉宽调制对异步电机进行控制。针对低压大电流逆变器的特殊要求,采取死区补偿策略。搭建低压大电流逆变器控制系统仿真模型,分析系统在额定转速和额定负载情况下的波形和低压大功率电机驱动性能,仿真结果表明采用转子磁场定向控制系统的动态性能较好,具有带动大负载能力,验证了控制策略的正确性和有效性。基于逆变器原理,设计逆变器主回路。根据逆变器拓扑结构,满足输出要求及经济实用性条件对功率器件进行选型,分析功率MOSFET特性及工作原理,采用功率MOSFET器件并联方案。针对并联功率MOSFET电流不均衡的现象,分析并联功率MOSFET的电流分配不均衡的原因,并对MOSFET管并联均流进行系统仿真,研究其均流特性,采用栅极电阻补偿方法解决动态开关模式下的电流不均衡问题。由于主回路中功率MOSFET开通关断过程中出现电压尖峰和电流尖峰,从系统稳定运行方面考虑,设计缓冲电路来抑制功率器件开通关断时产生的电压尖峰。经过理论分析,建立缓冲电路数学模型,对缓冲电路及主回路电路进行系统仿真,并对缓冲电路各参数进行优化分析。根据多功率MOSFET并联驱动电路的要求,在分析比较常用驱动芯片特性的基础上,计算驱动电路相关参数,对驱动器件选型并设计可靠驱动电路。最后设计检测电路和以DSP和CPLD为核心的控制电路。最后对功率电路、驱动电路、控制电路进行调试,并对整个系统进行了实验及分析。试验结果表明低压大电流逆变器系统符合设计要求,系统动态性能良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 逆变器现状及发展趋势
• 1.3 转子磁场定向控制技术
• 1.4 低电压大电流逆变器的关键技术和存在问题
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 低电压大电流逆变器控制系统设计及仿真
• 2.1 异步电机动态数学模型
• 2.1.1 三相异步电机的数学模型
• 2.1.2 异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型
• 2.1.3 异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型
• 2.2 SVPWM调制技术
• 2.3 异步电机转子磁场定向控制
• 2.3.1 转子磁场定向的矢量控制方程及其解耦控制
• 2.3.2 转子磁链模型
• 2.4 低电压大电流逆变器死区效应补偿
• 2.4.1 SVPWM逆变器死区效应分析
• 2.4.2 等效死区时间计算
• 2.4.3 SVPWM逆变器死区效应补偿策略
• 2.5 低电压大电流逆变器控制系统方案设计
• 2.5.1 逆变器控制系统仿真模型建立
• 2.5.2 逆变器控制系统仿真分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 低电压大电流逆变器系统软硬件设计
• 3.1 系统整体结构
• 3.2 主电路设计
• 3.2.1 逆变器主回路设计
• 3.2.2 缓冲电路设计
• 3.2.3 MOSFET基本特性
• 3.2.4 功率MOSFET的均流特性
• 3.2.5 改善MOSFET并联均流方法
• 3.2.6 MOSFET并联均流仿真分析
• 3.3 驱动电路设计
• 3.3.1 基于HCPL-316的驱动电路
• 3.3.2 基于IR2214的驱动电路
• 3.3.3 驱动电路参数计算
• 3.4 控制电路设计
• 3.4.1 DSP及其外围电路
• 3.4.2 检测电路及输入输出电路
• 3.5 系统软件设计
• 3.5.1 控制系统介绍
• 3.5.2 软件程序流程
• 3.6 本章小结
• 第4章 样机系统实验结果及分析
• 4.1 系统硬件装置
• 4.2 试验结果分析
• 4.2.1 驱动电路实验及分析
• 4.2.2 缓冲电路实验及分析
• 4.2.3 逆变器带载实验及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢