电压源型单相全桥逆变电路的设计说明书

电压源型单相全桥逆变电路的设计摘 要电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。本次课程设计的题目是IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计（阻感负载），根据电力电子技术的相关知识，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。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。关键词： 单相，电压型，逆变 目 录摘 要1.工作原理11. 1 IGBT的简述1(1.1.1)IGBT模块的选择1)1.1.2使用中注意事项2)1.1.3 IGBT的特性和参数特点21.1.4、功率二极管的参数21.2逆变电路的基本工作原理31.3电压型逆变电路的特点及主要类型31.4 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析32.软件简介62.1介绍62.2应用领域62.3应用优势62.4电路结构63.电路总体设计73.1总体电路图73.2确定各器件参数，设计电路部分原理图74 . 触发电路的设计105. 工作过程及参数设定115.1 180调压115.1.1 工作过程115.1.2 参数设定115.2 移相调压135.2.1 工作过程135.2.2 参数设定135.3仿真波形分析156.心得体会16参 考 文 献171.工作原理1. 1 IGBT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1-1 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。由于前面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。(1.1.1)IGBT模块的选择 IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源电压紧密相关。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗也会变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。 p)1.1.2使用中注意事项 由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到2030V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。 此外，在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。 在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10K左右的电阻。 在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。 ()1.1.3 IGBT的特性和参数特点 （1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 。（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力 。（3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 。（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 1.1.4、功率二极管的参数 （1）正向平均电流（FI）：指功率二极管长期运行时，在指定壳温和耗散条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 （2）稳态平均电压（FU）:在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 （3）反向重复峰值电压（RRMU）：对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，使用时，应当留有两倍的裕量。 1.2逆变电路的基本工作原理桥式逆变电路的开关状态由加于其控制极的电压信号决定，桥式电路的PN端加入直流电压Ud，A、B端接向负载。当T1、T4打开而T2、T3关合时，u0=Ud;相反,当T1、T4关合而T2、T3打开时，u0=-Ud。于是当桥中各臂以频率 f（由控制极电压信号重复频率决定）轮番通断时，输出电压u0将成为交变方波，其幅值为Ud。重复频率为f如图2所示，其基波可表示为把幅值为Ud的矩形波uo展开成傅立叶级数得：Uo=4Ud/ （sinwt+1/3 sin3wt+1/5 sin5wt+.）由式可见,控制信号频率f可以决定输出端频率，改变直流电源电压Ud可以改变基波幅值，从而实现逆变的目的。1.3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：（1）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。（2）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。（3）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。为了给交流侧向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。1.4 IGBT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：图1-2 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2-2的单相桥式电压型无源逆变电路，此课程设计为阻感负载，故应将RLC负载中电容的值设为零。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。V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图2-3-b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在单相桥式逆变电路中，个IGBT的栅极信号仍为180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补，但V3的基极信号不是比V1落后180度，而是只落后（0180).也就是说，V3、V4的栅极信号不是分别和V2、V1的栅极信号同相位，而是前移了180-。这样，输出电压u0就不再是正负各180度的脉冲，而是正负各为的脉冲，由于输入为DC100V，输出幅值也是100V，=90，则输出电压有效值为50V。各IGBT的栅极信号uG1uG4及输出电压u0、输出电流i0的波形如下图所示。 图1-3 如图所示2.软件简介2.1介绍PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM全称Power Simulation。PSIM是由SIMCAD 和SIMVIEM两个软件来组成的。PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。2.2应用领域PSIM具有强大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其它多数仿真软件的收敛失败、仿真时间长的问题，因此应用范围广泛。例如，电力电子电路的解析，控制系统设计，电机驱动研究，和其他公司的仿真器连接等。2.3应用优势 1.用户界面友好，容易掌握，可以加深工程师对电路与系统的原理及工作状态的理解?大大加速电路的设计和试验过程。2.运行效率十分高。3.输出数据格式兼容性十分好。2.4电路结构 一个电路在PSIM 里表现为4 个部分：电力电路、控制电路、传感器和开关控制器。3.电路总体设计3.1总体电路图图3-1 总体电路图3.2确定各器件参数，设计电路部分原理图设计条件：1.电源电压：直流Ud=100V2.输出功率：300W3.输出电压波行2KHz方波，脉宽=904.设定为阻感负载计算内容： T=1/f=1/2000=0.0005s 由于V3的基波信号比V1落后了90（即1/4个周期）。则有： t3=0.0005/4=0.s，t1=0s t2=0.0005/2=0.00025s，t4=0.s 100*/180=100V*90/180=50V（输出电压） 100V*X/0.0005s=50V 得：X=0.00025s设在t1=0.00025s时刻前V1和V4导通，输出电压u0为Ud=100V,t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2时候V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，u0仍为-Ud。t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，u0再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压u0的正负脉冲宽度就各为=90。有效电压：U。=U/2=100/2=50VR=Ud2/P = 25/3=8.33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=（23）*100V=（200-300）V输出电压定量分析： uo成傅里叶级数： 基波幅值： 基波有效值：所以，IGBT承受的最大反向电压： UFM=(23)Ud =(200300)V ,因此选用电压为200V的IGBT.阻抗值的确定：f=2000Hz=2f=2*3.14*2000=12560L/R=tan= 可知：L=0.0073H。电源端恒压电容C1的值为20nf。图3-2电源参数设定4 . 触发电路的设计IGBT晶体管触发电路的作用是产生符合要求的触发脉冲，保证晶体管在需要的时刻由阻断转为导通。晶体管触发电路往往包括：对其触发时刻进行控制的相位控制电路、触发脉冲的放大和输出电路。该主电路对触发电路的要求有以下几点：1）触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的工作温度范围内，对所有合格的元件都可靠触发。2）触发脉冲应有足够的宽度。3）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。4）触发脉冲与主电路电源电压必须同步。5. 工作过程及参数设定5.1 180调压5.1.1 工作过程把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度。具体是：V1和VD4导通V1和V4导通VD2和VD3导通V3和V4导通。5.1.2 参数设定图5-1电源参数设定图5-2 VT1的触发电平参数设置图5-3 VT2的触发电平参数设置图5-4 VT3的触发电平参数设置图5-5 VT4的触发电平参数设置图5-6 输出电流电压波形5.2 移相调压5.2.1 工作过程移相调压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，VD1VD4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，就不需要控制电容电压的均衡，因此可用于相对较大功率的逆变电路5.2.2 参数设定图5-7 VT1的触发电平参数设置图5-8 VT2的触发电平参数设置图5-9 VT3的触发电平参数设置图5-10 VT4的触发电平参数设置图5-11 输出电流电压波形5.3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 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6.心得体会通过本次课程设计