IGBT单相桥式无源逆变电路.doc

南京信息工程大学南京信息工程大学 电子电力技术电子电力技术 题目题目 IGBT 单相桥式无源逆变电路的仿真分 析 姓名 姓名 学号 学号 专业 专业 院系 院系 指导老师 指导老师 摘要 单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路 与整流电路相比较 把直流电 变成交流电的电路成为逆变电路 当交流侧接在电网上 称为有源逆变 当交 流侧直接和负载相接时 称为无源逆变 逆变电路在现实生活中有很广泛的应 用 绝缘栅双极晶体管 Insulated gate Bipolar Transistor 英文简写为 IGBT 它是一种典型的全控器件 它综合了 GTR 和 MOSFET 的优点 因而具有良 好的特性 现已成为中 大功率电力电子设备的主导器件 本文对其波形进行 了仿真和分析 关键词关键词 IGBG 单相桥式逆变电路 无源 一一 工作原理概论工作原理概论 1 1 1 1 IGBTIGBT 的简述的简述 绝缘栅双极晶体管 Insulated gate Bipolar Transistor 英文简写为 IGBT 它是一种典型的全控器件 它综合了 GTR 和 MOSFET 的优点 因而具有良 好的特性 现已成为中 大功率电力电子设备的主导器件 IGBT 是三端器件 具有栅极 G 集电极 C 和发射极 E 它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与 MOSFET 相连接所构成的一种器件 其等效电路和电气符号如下 图 1 IGBT 等效电路和电气图形符号 它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压所决定的 当 UGE 为正且大 于开启电压 UGE 时 MOSFET 内形成沟道 并为晶体管提供基极电流进而是 IGBT 导通 由于前提到的电导调制效应 使得电阻减小 这样高耐压的 IGBT 也 具有很小的通态压降 当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时 MOSFET 内的沟道消失 晶体管的积极电流被切断 使得 IGBT 关断 1 21 2 电压型逆变电路的特点及主要类型电压型逆变电路的特点及主要类型 根据直流侧电源性质的不同可分为两种 直流侧是电压源的称为电压型逆 变电路 直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路 电压型逆变电路有以下特 点 直流侧为电压源 或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉 动 直流回路呈现低阻抗 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负载 阻抗角无关 而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的 作用 为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都并联了 反馈二极管 又称为续流二极管 逆变电路分为三相和单相两大类 其中 单相逆变电路主要采用桥式接法 主要有 单相半桥和单相全桥逆变电路 而三相电压型逆变电路则是由三个单 相逆变电路组成 1 31 3 IGBTIGBT 单相电压型全桥无源逆变电路原理分析单相电压型全桥无源逆变电路原理分析 单相逆变电路主要采用桥式接法 它的电路结构主要由四个桥臂组成 其 中每个桥臂都有一个全控器件 IGBT 和一个反向并接的续流二极管 在直流侧并 联有大电容而负载接在桥臂之间 其中桥臂 1 4 为一对 桥臂 2 3 为一对 可 以看成由两个半桥电路组合而成 其基本电路连接图如下所示 图 2 电压型全桥无源逆变电路的电路图 由于采用绝缘栅晶体管 IGBT 来设计 如图 2 的单相桥式电压型无源逆变 电路 此课程设计为电阻负载 故应将 RLC 负载中电感 电容的值设为零 此 电路由两对桥臂组成 V1 和 V4 与 V2 和 V3 两对桥臂各导通 180 度 再加上采 用了移相调压法 所以 VT3 的基极信号落后于 VT1 的 90 度 VT4 的基极信号落 后于 VT2 的 90 度 因为是电阻负载 故晶体管均没有续流作用 输出电压和电 流的波形相同 均为 90 度正值 90 度零 90 度负值 90 度零 这样一直 循环下去 二二 主电路设计及参数选择主电路设计及参数选择 2 12 1 主电路仿真图主电路仿真图 在本次设计中 主要采用单相全桥式无源逆变电路 电阻负载 作为设计的 主电路 由于软件上的电源等器件都是理想器件 故可将直流侧并联的大电容 直接去掉 由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如下所示 单相电压型全桥无源逆变电路 电阻负载 的主电路 2 22 2 参数设计及计算参数设计及计算 2 2 1 参数设置 电阻负载 直流侧输入电压 100V 脉宽为 90 的方波 输出功率为 300W 电容和电感都设置为理想零状态 频率为 1000Hz 2 2 2 计算 由频率为 1000Hz 即可得出周期为 T 0 001s 由于 V3 的基波信号比 V1 的 落后了 90 度 即相当 1 4 个周期 通过换算得 t3 0 001 4 0 00025s 而 t1 0s 同 理 得 t2 0 001 2 0 0005S 而 t4 0 00075S 由理论情况有效值 Uo Ud 2 50V 又因为 P 300W 所以有电阻 R Uo Uo P 8 333 则输出电流有效值 Io P Uo 6A 则可得电流幅值为 Imax 12A Imin 12A 电压幅值为 Umax 100V Umin 100V 晶闸管额定值计算 电流有效值 Ivt Imax 4 3A 额定电流 In 额定值 In 1 5 2 3 4 5 6 A 最大反向电压 Uvt 100V 则额定电压 Un 2 3 100V 200 300 V 2 2 3 设置主电路 根据以上计算的各参数即可正确设置主电路图如下 进而仿真出波形图 VT1 的触发电平参数设置 VT2 的触发电平参数设置 VT3 的触发电平参数设置 VT4 的触发电平参数设置 负载参数设置 三三 仿真电路结果的分析仿真电路结果的分析 3 13 1 仿真电路图仿真电路图 3 1 1 触发电平的波形图 从上到下依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 的触发电压 幅值为 5V 3 1 2 负载输出波形图 从上到下依次为输出电流 最大值为 12A 输出电压波形 最大值为 100V 则所得的波形即是上图所示的波形 一个周期内的两个半个周期的输出电 压值大小相等 幅值的正负相反 则输出平均电压为 0 同理输出平均电流也 为 0 3 1 3 器件 IGBT 的输出波形图 从上到下依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 的输出电流和电压波形 VT1 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT1 电压波形 最大值 100V 最小值 0V VT2 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT2 电压波形 最大值 100V 最小值 0V VT3 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT3 电压波形 最大值 100V 最小值 0V VT4 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT4 电压波形 最大值 100V 最小值 0V 3 23 2 仿真波形分析仿真波形分析 在接电阻负载时 采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压 移相调 压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度 通过对 4 1 1 触发脉冲的控制得到 如图 4 12 和 4 13 的波形图 4 12 波形为输出电流电压的波形 由于没有 电感负载 在波形图中可看出 一个周期内的两个半个周期的输出电压值大 小相等 幅值的正负相反 则输出平均电压为 0 VT1 电压波形和 VT2 的互补 VT3 电压波形和 VT4 的互补 但 VT3 的基 极信号不是比 VT1 落后 180 而是只落后 即 VT3 VT4 的栅极信号不 是分别和 VT2 VT1 的栅极信号同相位 而是前移了 90 输出的电压就不 再是正负各为 180 的的脉冲 而是正负各为 90 的脉冲 由于没有电感负 载 故电流情形与电压相同 四四 总结总结 IGBT 单相电压型全桥无源逆变电路共有 4 个桥臂 可以看成两个半桥电路 组合而成 采用移相调压方式后 输出交流电压有效值即可通过改变直流电压 Ud 来实现 也可通过改变 来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值 由于 MATLAB 软件中电源等器件均为理想器件 故可将电容直接去掉 又由 于在纯电阻负载中 VD1 VD4 不再导通 不起续流作用 古可将起续流作用的 4 个二极管也去掉 对结果没有影响 相比于半桥逆变电路而言 全桥逆变电路克服了半桥逆变电路输出交流电 压幅值仅为 1 2Ud 的缺点 且不需要有两个电容串联 就不需要控