IGBT逆变式主电路的仿真研究

1、 本文由贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2000 年 3 月 昌 航 空 工 业 学 院 学 报 南 March. 2000 Vol. 14 1 第 14 卷第 1 期 Journal of Nanchang Institute of Aeronautical Technology 摘 要 通过对全桥式 I GB T 逆变主电路的研究 ,论述了 CAD 技术在电路设计中的应用前景 ,介绍 I GB T 全桥主电路的工作原理及 I GB T 、 主变压器的数学模型 , 并对全桥主电路进行了仿真研究 。实验结果表 明 ,仿真波形与实际相符

2、合 ,吸收参数对电路的影响比较小 。 关键词 电路设计 T GB T 逆变 模型 仿真 中图分类号 TN710 ; TP291. 9 前言 由于电力电子技术的发展及计算机技术的不断 进步 ,计算机辅助设计技术 ( CAD ) 在电力电子技术 系统设计中得到了广泛的应用 。由于 CAD 技术的 出现 ,使电子工程师的设计效率得到大大提高 ,同时 省略了许多实验过程 , 降低了设计成本 。目前比较 流行的通用电子电路的仿真分析软件都是在美国加 州大学伯克利分校开发的 SPICE 程序发展起来的 , 其中以 Meta Software 公司的 HSPICE 、 MicroSim 公 司 的 PSPI

3、CE 和 Int usoft 公 司 的 ICAP 最 为 著 1 名 。 2 本文不是在 Int usoft 公司的 ICAP4. 0 的平 台上进行仿真研究的 。ICAP4. 0 包含 4 个工具包 : Edit Text Files 用于电路文本的编辑 : Ispice4. 0 用 交流 380V 经整流滤波后成低纹波的直流电 压 ,然后提供给由 I GB T 和变压器 T1 组成的逆变 器 : I GB T 、GB T4 和 I GB T2 、GB T3 由控制电路提供 I I 3 国家自然科学基金资助项目 ( 编号 :59875020) 收稿日期 :1999 - 11 - 26 第一

4、作者 : 曾敏 ,男 ,1970 年生 ,博士研究生 。 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. I GB T 逆变式主电路的仿真研究 3 曾 敏 薛家祥 黄石生 罗卫红 方 平 ( 华南理工大学 机电工程系 广州 510640) 于电路分析 : Scope 是功能强大的多路示波器 , 可任 意缩放电压电流波形 ; SpiceNet 用于绘制需仿真的 电路 ,因此 ,它可以同时以文本和图形两种方式表述 需仿真的电路 。此外 , ICAP4. 0 还自带庞大的器件 模型库 ,从而使设计人员可减

5、轻设计工作量 。本文 利用 ICAP4. 0 来对 I GB T 全桥逆变主电路进行仿 真和分析 。 1 I GB T 逆变式主电路原理及分析 逆变式主电路有单端正激 、 双单端 、 半桥 、 全桥 等形式 ,由于全桥式逆变主电路适于输出大功率 ,在 本研究中采用这种逆变主电路形式 。整个主电路原 理图如图 1 所示 。其工作原理如下 : 图 1 IGB T 逆变主电路原理图 驱动波形而交替导通 , 再经变压器 T1 后 , 在变压器 T1 的次级得到交变的电压 ; 然后再由 D1 、 2 组成的 D 整流电路整流成直流电 ,经输出电抗器 L 2 滤波提供 第 1 期 曾敏 : IGB T 逆

6、变式主电路的仿真研究 等 7 给负载使用 。其中与 I GB T 、 输出整流二极管并联 的电阻和电容起阻容吸收作用 , 霍尔传感器 H1 采 样输出电流信号后 ,提供给控制电路进行放大 、 比较 来控制 I GB T 的驱动波形 , 从而控制 I GB T 的开关 工作 。 I GB T 的全称为绝缘栅双极晶体管 , 它集场效 应管 MOSFET 和功率晶体管 GTR 二者的优点于 一体 ,具有输入阻抗高 、 速度快 、 热稳定性好和驱动 电路简单的特点 ,同时还具有通态电压低 、 耐压高和 输出电流大的优点 。在开关电源 、 逆变电源等方面 得到了广泛的应用 。对 I GB T 模型国内外

7、学者已进 2 行了许多的研究 。并得到了一定的研究成果 。 3 在文献 3 中采用 PSPICE 的多瞬态分析法来研究 I GB T 模型 。通过 “组合 I GB T 模型” 的方式来得到 由 MOSFET 和 GTR 组合而得到的模型 , 可比较精 确的对 I GB T 进行仿真 。其仿真模型的等效电路及 模型结构如图二所示 。在本文中将采用此模型结 构。 2 电路模型的建立与仿真 要得到与实际相符合的结果 , 就必须对电路的 元器件建立合适的数学模型 。在 ICAP4. 0 中还没 有 I GB T 等器件的模型 ,因此需要对电路仿真中 I G2 B T 等器件自建模型 。 2. 1 I

8、 GB T 模型的建立 2. 2 主变压器的模型 (a) I GB T 的等效电路 (b) I GB T 模型结构 图 2 IGB T 的等效电路及模型结构 在求出主变压器的模型前 , 首先假设它满足如 下条件 : ( 1) 忽略变压器线圈电阻及磁芯在交变磁场作 圈电阻及变压器线圈的涡流 、 磁滞损耗 ,同时还存在 漏磁现象 。因此 , 在理想变压器的模型中还需增加 漏电感 、 电阻等元件才能得到实际变压器的模型如 图三 ( b) 所示 。图中 Ri 、 分别为次级阻抗 ,Li 、 Ro Lo 为初次级漏抗 ,L m 为变压器铁芯损耗 。由于图 3 ( b) 更能反应变压器的实际情况 ,因此在

9、仿真中采用 此模型 。 用下的损耗 。 ( 2) 忽略变压器的漏磁 。 在这两个前提条件下可以得出变压器的理想模 型如图三 ( a) 所示 , 但是在实际情况下 , 变压器有线 (a) 变压器理想模型 (b) 变压器实际模型 图 3 IGB T 逆变电源主变压器模型 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 8 昌 航 空 工 业 学 院 学 报 南 2000 年 3 实验结果及分析 图 1 所示主电路别的元件模型在 ICAP4. 0 中 都有现存的模型 , 将所示图中元件现取相应的值代 入

10、( 在本仿真中所取的值都与实际采用的数值一 致) 。其中 I GB T 和主变压器采用上述的模型 。实 际中 I GB E 采用 FUJ I 的 2MB1100L - 120 模块 ( 100 A/ 1200 V ) ,变压器采用铁氧体磁芯 ( 采用 U96 磁芯 由 4 付组成 ,磁通密度取 0. 1 T) 。对图 1 进行仿真 , 得到的波形如图 4 所示 ( 图中纵坐标单位一律为 50 V/ div) 。 从图 4 可知 ,仿真波形与实验波形拟合的很好 , 可见采用的 I GB T 模型和变压器模型是可行的 , 可 以很好地描述其实际工作状况 。图 4 ( c ) 中是对负 载状况下的电

11、路仿真 , 当有负载的情况下可以看见 输出电压波形的脉宽是收缩的 , 不同的负载状况其 脉宽收缩程度不同 ,负载重则脉宽宽 ,负载轻则脉宽 窄 ,与实际脉宽调制电路相吻合 。图 4 ( d) 为负载状 况下的输出电压波形 , 可见输出电压波形为一有纹 波的电压 ,这与实际情况也是相吻合的 ,由于逆变电 路中的输出电抗值一般为 100 200 uH , 电感值比 较小 ,不能将输出整流电路整流后的电压完全滤平 , 输出为一纹波电压 。进一步的仿真实验还表明 , 对 于相同的吸收电路形式 ,其吸收参数 R 、 的取值不 C 同 ,对电路输出波形的影响比较小 。 图 4 IGB T 主电路仿真波形与

12、实测波形 4 结论 通过对 I GB T 逆变电路的仿真及分析 , 可得到 以下一些结果 : ( 1) 采用等效电路的方式来描述 I GB T 、 主变压 器的数学模型在电路仿真中是可行的 。说明在电路 仿真中很主要的工作是取得合适的器件模型 。 ( 2) 电路仿真结果与实际情况很符合 ,可以很好 地描述全桥 I GB T 逆变主电路的工作过程 。进一步 的分析其参数对电路工作过程的影响 , 对实际工作 ( 下转第 12 页) 起指导作用 。 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 12 昌

13、 航 空 工 业 学 院 学 报 南 2000 年 膜光纤在各个频率段的调制相移量关系 , 以寻求一 较佳的电压材料镀膜光纤相位调制器 。除了对常规 的玻璃光纤进行镀膜实验外 , 目前我们正在对聚合 物光纤进行探索 。 参考文献 A. P. Goutzoulis and D. R. Pape ,Design and Fabrication of Acousto2 1 参考文献 高文焕 , 汪蕙编著 , 模拟电路的计算机分析与设计 PSPICE 1 程序应用 ,清华大学出版社 ,1999 ; little influence on t he circuit . ment of t he opti

14、cal fiber acousto2optic phase modulator is given. optic devices. Marcel Dekker ,New York ,1994 ; tical fiber using ZnO coating is firstly presented. Then ,t he basic t heory of piezoelectric resonator of t his geometry is analyzed and also t he T2network of troduces t he principle of t he I GB T bri

15、dge main circuit and t he mat hematics model of I GB T and main transformer ,t he emulational study of t he bridge electrical equivalent circuit for t he optical fiber coated wit h piezoelectric ZnO been deduced. Finally ,t he experimental setup for optical phase measure2 ( 上接第 8 页) 可优化电路参数 ,节约设计成本

16、,提高工作效率 。 main circuit is introduced also . The experiment results show t hat t he emulational wave is in accord wit h t he practical wave and t he absorb parameter has Abstract :This paper discusses an optical fiber coated wit h pieaoelectric AnO. ,t he optical fiber acousto2optic phase modulator.

17、The geometry of op2 Abstract :Through t he study on t he I GB T inverter main circuit ,t his paper analyses t he prospect of using t he CAD technology on circuit design. In2 Key words :Circuit desigh ; I GB T inverter ;Model ; Emulation. Keywords :Optical fiber ; Phase modulator ;acousto2optic reson

18、ator ,ZnO coating. ( 3) 电路仿真技术在电路设计中有重要的作用 , 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Research on Optical f iber Acousto2Optic Phase Modulator ZHou Li (Dept . of Electronical Engineering ,Nanchang Institute of aeronautical Technology ,Nanchang ,P. R. Chian 330034) Xiao

19、gang Li G. D. Peng ( University of New Soat h wales ,Sydney ,2052 Australia) The Emulational Study of IGBT Inverter Main Circuit Zeng Min Xue Jiaxiang Huang Shisheng uo Weihong Fang Ping L (Dept . of Mechatronic Engineering ,Sout h China University of Technology ,P. R. China 510640) B. Y. Kim ,J . N. Blake , H. E. Engan , and H. J . Shaw , All2fiber a2 2 W. P. Mason , Electromechanical Transducers and Waves Fi