电力电子课程设计_IGBT单相电压型全桥无源逆变电路(阻感负载)

1、1 引言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。2 工作原理概论2. 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

2、，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2-1 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。2.2 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

3、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

4、是由三个单相逆变电路组成。2.3 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2-2 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

5、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V

6、2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（0<<180).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2-3 如图所示3 系统总体方案3.1.确定各器件参数，设计电路原理图设计条件：1.电源电压：直流Ud=100V2.输出功率：300W3.输出电压

7、波行1KHz方波，脉宽=90°4.阻感负载计算内容： T=1/f=1/1000=0.001s 由于V3的基波信号比V1落后了90°（即1/4个周期）。则有： t3=0.001/4=0.00025s，t1=0s t2=0.001/2=0.0005s，t4=0.00075s 100*/180°=100V*90°/180°=50V（输出电压） 100V*X/0.001s=50V 得：X=0.0005s设在t1=0.0005s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，

8、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°。改变，就可以调节输出电压。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

9、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=1000Hz=2f=2*3.14*1000=6280L/R=tan= 可知

10、：L=0.0046H。电源端恒压电容C1的值为100nf。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

11、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。图4-1 有正负偏压的直接驱动电路5 主电路设计及参数选择51 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(阻感负载)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图5-1所示：图5-1 单相电压型全桥无源逆变电路（阻感负载）的主电路图5-2 VT1的触发电平参数设置图5-3 VT2的脉冲信号图5-4 V

12、T3的脉冲信号 图5-5 VT4的脉冲信号 图56 阻感负载图5-7 电源电压、输出电压波形图 图5-8 输入电流Id的波形图5-9用示波器模块观察和记录电源电压、控制信号、负载电压的波形图说明：如图所示，分别为负载电压、电源电压、控制信号的波形图。打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型，如下图5-9所示，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真（Simulation）按钮，仿真参数(Simulation Parameters)命令设定有关仿真参数，设定停止时间(Stop Time)为0.1秒，仿真算法选择可变步长(Variable

13、-step)积分算法函数其，他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示模块（scope）就能显示其信号波形。图5-10 触发电压波形图说明：从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4的触发电压，幅值为5V。6 心得体会通过本次课程设计，加深了我对课程电力电子技术理论知识的理解，特别是有关逆变电路方面的知识。同时也培养了以下几点能力：第一：提高了自己完成课程设计报告水平，提高了自己的书面表达能力。具备了文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。第二：提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课程设计中，涉及到很多学科，包括：电力电子技术、电路原理等，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。第三：深刻理解了单相全桥逆变电路的原理及应用。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