IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计

1、中北大学电子技术课程设计电子技术课程设计说明书 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计信息与通讯工程学院1005044245XXX学生姓名： 学号： 电气工程及其自动化学 院： XXX专 业： 指导教师： 2013年01月 中北大学电子技术课程设计任务书 2012/2013 学年第 一 学期学 院：信息与通讯工程学院专 业：电气工程及其自动化学 生 姓 名：胡定章学 号：1005044245课程设计题目：IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计起 迄 日 期: 12月24日 01月4 日课程设计地点:电气工程系软件实验室指 导 教 师:石喜玲系主任：王忠庆下达任务书日期: 2012 年 12 月

2、 24日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1.加深理解电力电子技术课程的基本理论2.掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 设计条件：1.电源电压：直流Ud=100V 2.输出功率：300W 3.输出电压波行1KHz方波，脉宽 4.阻感负载根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设计内容包括：1.IGBT电流、电压额定参数选择 2.IGBT控制电路的设计3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1.根据

3、设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图；2.利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3.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。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20053.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20064.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.20105设计成果形式及要求：1.电路原理图及各器件参数计算2. MATLAB仿真3.编写课程设计

4、报告。6工作计划及进度：2012年12月24日 12月25日 设计电路，计算参数12月26日 12月31日 对设计的电路进行MATLAB仿真2013年01月01日 01月04日 编写课程设计说明书，答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1 引言 12 工作原理概论 12.1 IGBT的简述 12.2 电压型逆变电路的特点及主要类型 22.3 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析 23 主电路设计及参数选择 33.1 主电路仿真图 33.2参数设置及计算 33.2.1参数设置 33.2.2计算 33.2.3设置主电路 44 仿真电路结果的分析 54.1 仿真电路图51.1

5、.1 4.1.1触发电平与负载输出波的波形图54.1.2 IGBT电流电压波形图64.2 仿真波形分析 65 总结7参考文献 7 2 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，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。3 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

6、。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

7、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

8、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。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，此课程设计为阻感负载，故应将RLC

9、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。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。4 主电路设计及参数选择4.1 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：图3 单相电压型全桥无源逆变电路（

10、阻感负载）的主电路3.2参数设计及计算3.2.1参数设置电阻负载，直流侧输入电压=100V, 脉宽为=90的方波，输出功率为300W，电容设置为理想零状态。频率为1000Hz。3.2.2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 电感：1.414Ud=Ldi/dt+IdR

11、，得L=0.0002H则输出电流有效值：Io= Uo /R=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）V3.2.3设置主电路VT2的触发电平参数设置：幅值：5V，周期：0.001s，占空比50%，延迟0；VT2的触发电平参数设置：幅值：5V，周期：0.001s，占空比50%，延迟0.0005；VT3的触发电平参数设置：幅值：

12、5V，周期：0.001s，占空比50%，延迟0.00025；VT4的触发电平参数设置：幅值：5V，周期：0.001s，占空比50%，延迟0.00075。5 仿真电路结果的分析5.1 仿真电路图5.1.1 触发电平与负载输出波的波形图 如下图从上到下（1到4栏）依次为VT1,VT2,VT3,VT4的触发电压，幅值为5V。 从上到下（5到6栏）依次为输出电流（最大值为12A），输出电压波形（最大值为100V）。 触发电平与负载输出的波形图4.1.2 IGBT电流电压波形图如下图从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4输出电流（最大值为12A），输出电压波形（最大值为100V）。 IGBT输出波

13、形图4.2 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。通过对触发脉冲的控制得到如负载输出波形图和IGBT输出波形图，由于有电感负载，在波形图中可看出，对于电流，并非为方波输出，对于电流，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。由于有电感负载，故电流情形与电压不相同，正负最大值之间有一段时间受电感影响，不可突变。VT1,VT2,VT3,VT4输出电流受电感影响减小到0。5 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。相比于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路克服了半桥逆变