IGBT单相全桥无源逆变电路课程设计

成绩 课程设计说明书课程设计说明书( (论文论文) ) 题目IGBT 单相全桥无源逆变电路设计 课 程 名 称电力电子技术 院系电力工程学院 专业智能建筑电气 班级 学 生 姓 名 学号 设 计 地 点 指 导 教 师 设计起止时间 2010 年 12 月 27 日至 2011 年 1 月 7 日 目目录录 课程设计任务书课程设计任务书2 2 概述概述 5 5 摘要摘要 5 5 1 1设计条件 设计条件 5 5 1.11.1 技术指标和设计要求技术指标和设计要求 5 5 2 2 单相全桥逆变电路的设计单相全桥逆变电路的设计 6 6 2.12.1 主电路及工作原理主电路及工作原理 6 6 2.22.2 负载端输出电压电流波形图负载端输出电压电流波形图 6 6 2.32.3 换流方式换流方式 7 7 2.42.4 逆变电路的主要特点逆变电路的主要特点 7 7 3 3 主电路各器件的参数主电路各器件的参数 8 8 3.13.1 电压源参数电压源参数 8 8 3.23.2 电阻参数电阻参数 8 8 3.3 IGBT3.3 IGBT 的选择及注意事项的选择及注意事项8 8 3.43.4 功率二极管的参数功率二极管的参数 9 9 3.53.5 脉冲参数脉冲参数 9 9 4 4 触发电路的设计触发电路的设计 1010 5 5 保护电路的设计保护电路的设计 1010 5.15.1 过电压保护过电压保护1111 5.25.2 过电流保护过电流保护1212 6 Matlab6 Matlab 仿真电路仿真电路 1212 7 7 总结总结1414 8 8 心得体会心得体会1414 参考文献参考文献1515 1 1课程设计应达到的目的 1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力； 2、加深理解电力电子技术课程的基本理论； 3、初步掌握电力电子电路的设计方法。 2课程设计题目及要求 设计题目：IGBT 单相桥式无源逆变电路设计（纯电阻负载） 设计要求：1、输入直流电压：Ud=100V 2、输出功率：300W 3、输出电压波形：1KHz 方波 2 3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求 1、查找 IGBT，电阻，逆变电路等的基本知识。画出工作原理图 2、根据原理图，计算各元件的参数，选择合适的 IGBT 和电阻 3、根据选择的元器件设计出主电路 4、对主电路进行仿真模拟，得到电压，电流波形 5、对波形进行分析 4主要参考文献 1、李先允主编 电力电子技术 北京：中国电力出版社，2006 2、佟纯厚主编 电力电子学 南京：东南大学出版社，2000 3、王兆安，黄俊主编 电力电子技术（第 4 版） 北京：机械工业出版社，2004 4、黄俊 王兆安主编 电力电子交流技术（第 3 版） 北京：机械工业出版社，1994 5、石玉 王文郁主编 电力电子技术题解与电路设计指导 北京： 机械工业出版社， 2000 3 5课程设计进度安排 起 止 日 期工作内容 2010 年 12 月 27 日 12 老师讲解有关课程设计的课题选择，设计思路 月 29 日自己通过上网查找与所选课题相关的一些资料 12月 30 日 1 完成住电路设计，器件选择，计算分析，得到仿真波形， 月 6日 对波形进行分析 1月 7日 1 老师验收实验结果，完成课程设计报告 月 9日 6成绩考核办法 教研室审查意见： 教研室主任签字： 年月日 院（系、部、中心）意见： 主管领导签字： 年月日 4 概述概述 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。 摘要 本次课程设计的主要目的是设计一个带纯电阻负载的单相全桥逆变电路，然后得 到负载两端的电压电流波形。 本次所设计的单相全桥逆变电路采用 IGBT 作为开关器件，将直流电压 Ud 逆变为 频率为 1KHZ 的方波电压，并将它加到负载电路。负载电路是由纯电阻构成的电路，通 过电阻的电流波形也为方波。而IGBT 的导通，则由脉冲电路产生的触发脉冲来触发其 导通。 在进行主电路的设计时，根据主电路的输入、输出参数来确定各个电力电子器件 的参数，并进行器件的选择，以使设计的主电路能够达到要求的技术指标。 1 设计条件 1.1 技术指标和设计要求 技术指标：1、输入直流电压：Ud=100V 2、输出功率：300W 3、输出电压波形：1KHz 方波 设计要求：单相全桥逆变电路的设计 绘制主电路的电路图 运用 Matlab 软件进行仿真模拟 分析负载两端电压、电流波形 5 2 单相全桥逆变电路的设计 2.1、主电路及工作原理 单相桥式逆变电路由 4 个全控型开关器件（本实验采用 IGBT） 、电阻构成，直流侧 采用一个电容器即可，其电路图如下图所示： 单相全桥逆变电路主电路 全控型开关器件 T1 和 T4 构成一对桥臂， T2 和 T3 构成一对桥臂, T1 和 T4 同时通、 断；T2 和 T3 同时通、断。当T1、T4 闭合，T2、T3 断开时，负载电压为正；当T1、T4 断开，T2、T3 闭合时，负载电压为负，其波形如图 a 所示，因为是纯电阻负载，所以 电压电流波形相同，如图 b 所示。 实验时 T1 与 T2，T3 与 T4 的驱动信号需要互补，即当T1 和 T4 有驱动信号时，T2 和 T3 无驱动信号；T2 和 T3 有驱动信号时，T1 和 T4 无驱动信号，两对桥臂各交替导 通 180。 这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交 流电的频率。 2.2、负载端输出电压电流波形图 当负载为纯电阻时： （1）负载端电压波形分析： 当0 t T 0/2 期间，T1、T4 导通，T2、T3 关断，这时 U0=Ud 当T 0/2 t T0 期间,T2、T3 导通，T1、T4 关断，这时 U0=-Ud 则逆变电路输出的电压U o 为 180宽（T 0/2 ）的方波，方波幅值为 Ud，如图（a） 所示。 将U 0 用傅里叶级数展开得: 6 输出方波电压瞬时值：U0= 4Ud sinnt n1,35, n 式中：w 2 f 0 为输出电压基波角频率；f 0 1/T 0 为输出电压基波频率。 输出方波电压有效值：U0= 基波分量的有效值： U01= Ts 2 0 Ud2dt Ts =Ud 4Ud 2 =0.9Ud 图 a （2）负载端电流分析 该电路为纯电阻负载， 所以负载电流的波形与电压波形一样也是方波。 如图 （b） 所示 图 b 电阻阻值的确定： U02Ud2 电阻 R 的取值可以根据公式：R= PP 与单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值 为单相半桥逆变电路的两倍。 2.4、换流方式 利用全控型器件自身所具有的自关断能力进行换流称为器件换流。 本实验采用的是 IGBT，所以采用的换流方式即为器件换流。 2.5、逆变电路的主要特点 1直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源。电流测电压基本无脉动，直 流回路呈现低阻抗。 2由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩行波，并且与阻抗角无关。 而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角而异。 3当交流侧为阻感性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。为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。 7 3 主电路各器件的参数 3.1、电压源参数 本实验电压源 Ud=100V 3.2、电阻参数 根据电压输出有效值 U 0=Ud=100V，输出功率 P=300W Ud21002 可得 R=33.3 P300 3.3、IGBT 的选择及注意事项 1IGBT 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。 根据电压波形把幅值为ud矩形波 u 0 展开成傅里叶级数得： u 0 4U d 11 sint sin3t sin5t 35 其中基波的幅值 u 01m 和基波有效值u 01分别为： u 01m u 01 4U d 1.27U d 0.9U d 2 2U d IGBT 晶体管两端电压u VT 在一个周期内的波形图为： 前半个周期电压为 0， 后半个 周期电压为ud，因此，IGBT 两端承受的电压有效值为： 1 u VT 2 2 u d d(t) u d 2 IGBT 晶体管承受的最大电压为： u d 因此，计算可得 IGBT 的额定电压为： U TN 23U d 其额定电流比负载电流大即可。 8 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。 3IGBT 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 3.4、功率二极管的参数 1.正向平均电流（I F ） ：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（U F ）: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（U RRM ） ：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。 3.5、脉冲参数 9 要求输出电压波形 f=1KHZ ，即 T=1/f=1/1000=0.001s，调节脉冲信号发生器， 使得T0.001s 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。 如下图所示，为了使IGBT 稳定工作，一般要求双电源供电方式，即驱动电路要求 采用正、负偏压的两电源方式，输入信号经整形器整形后进入放大级，放大级采用有 源负载方式以提供足够的门极电流。为消除可能出现的振荡现象，IGBT 的栅射极间接 入了 RC 网络组成的阻尼滤波器。此种驱动电路适用于小容量的 IGBT。 +Vc VS C1 IGBT 整形 器 R0 C2 R V0 -Vc C 有正负偏压的直接驱动电路 5 保护电路的设计 在中大功率的开关电源装置中,IGBT 由于其控制驱动电路简单、 工作频率较高、 容 量较大的特点,已逐步取代晶闸管或 GTO。 但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与 高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波 动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故 IGBT 的可靠性直接关系到电源的 可靠性。因而,在选择 IGBT 时除了要作降额考虑外,对 IGBT 的保护设计也是电源设计 时需要重点考虑的一个环节。在进行电路设计时,应针对影响 IGBT 可靠性的因素,采取 相应的保护措施。 5.1、过电压保护 10 主电路的过电压保护措施有：阻容保护、压敏电阻保护、浪涌过电压保护。阻容 保护又分为交流侧阻容保护和器件侧阻容保护。对于晶闸管关断过程中产生的尖峰状 的瞬时过电压保护采用的就是器件侧阻容保护。加上阻容后，当晶闸管关断时，变压 器电流可通过 RC 续流，减小di/dt，从而抑制了过电压。各种过电压保护电路如图（5） 所示。 （a）C缓冲电路 （b）RC缓冲电路 （c）RCD缓冲电路 （d）放电阻止型缓冲电路 5.2、过电流保护 通常采取的保护措施有软关断和降栅压 2 种。软关断指在过流和短路时，直接关 断 IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动 作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一，不过故 障电流会在这个内急剧上升， 大大增加了功率损耗， 同时还会导致器件的 di/dt 增大。 所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。 降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设 有固定，故障电流在这一期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长 了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的 di/dt，对器件保护十分有利。若 后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工 作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。 6 MATLAB仿真 运用 Matlab 仿真软件设计出电路图 11 为了能够满足条件，对 IGBT 提供的脉冲，周期为 0.001s，而且 2 个脉