單相橋式電壓逆變器的設計

1、單相橋式電壓逆變器的設計1.1方案概述本次課程設計的主要目標，是設計一個單相橋式電壓逆變電路。同時要設計相應的觸發(fā)電路和過電流過電壓保護電路。根據(jù)電力電子技術的相關知識，單相橋式逆變電路是一種常見的逆變電路模型，在日常生活中有著廣泛的應用。它的電路結(jié)構(gòu)主要是由四個橋臂組成，其中每個橋臂都有一個全控器件IGBT和一個反向并接的續(xù)流二極管，在直流側(cè)并聯(lián)有大電容而負載接在橋臂之間。而IGBT的導通控制需要觸發(fā)電路，通過資料的查詢，找到相關的觸發(fā)電路圖，從中進行選擇，最終確定方案?？梢杂眯酒M行觸發(fā)也可以用下面章節(jié)介紹的使用D觸發(fā)器為主體設計出來的觸發(fā)電路，根據(jù)D觸發(fā)器的特性，使換流能夠?qū)嵭?。最后設置

2、過電流過電壓保護電路，采用didt抑制電路和緩沖電路構(gòu)成的過電壓過電流保護電路，通過查閱資料，在仿真軟件中連接出電路圖，將觸發(fā)電路接入，設置參數(shù)后進行仿真，觀察波形，根據(jù)設置的參數(shù)進行計算。1.2 逆變電路及換流原理介紹與整流電路相比較，把直流電變成交流電的電路成為逆變電路。當交流側(cè)接在電網(wǎng)上，稱為有源逆變；當交流側(cè)直接和負載相接時，稱為無源逆變。在不加說明時，逆變電路一般指無源逆變。逆變電路在現(xiàn)實生活中有很廣泛的應用。交流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉(zhuǎn)移，這稱為換流。換流是實現(xiàn)逆變的基礎。通過控制開關器件的開通和關斷來控制電流通過的支路，這就是實現(xiàn)換流的基本原理。換流

3、有多種方式，其中主要分為器件換流、電網(wǎng)換流、負載換流和強迫換流四種方式。1.3 電壓型逆變電路的特點及主要類型 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的則稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特點：1） 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2） 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因為負載阻抗的情況不同而不同。3） 當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)想直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，

4、逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。又稱為續(xù)流二極管。 逆變電路分為三相和單相兩大類。其中，單相逆變電路主要采用橋式接法。主要有：單相半橋和單相全橋逆變電路。而三相電壓型逆變電路則是由三個單相逆變電路組成。最常用的是三相橋式逆變電路。1.4電壓型單相橋式逆變電路的主電路設計在本次設計中，主要采用單相全橋式逆變電路作為設計的主電路。其主電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖1-1 單相全橋逆變電路主電路結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，單相全橋逆變電路主要有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對。每個橋臂由一個可控器件IGBT以及一個反并聯(lián)的二極管組成。在直流側(cè)接有足夠大的電容，負載接在橋

5、臂之間。它的具體工作過程如下：設最初時刻t1時，給IGBT Q1、Q4觸發(fā)信號，使其導通。則電流通過橋臂1，負載，橋臂4構(gòu)成一個導通回路。當t2時刻時，給Q2,Q3觸發(fā)信號，給Q1,Q4關斷信號。但由于負載電感較大，通過它的電流不能突變，所以二極管D2,D3導通進行續(xù)流。當電流逐漸減小為0，橋臂1,4關斷，橋臂2,3導通，構(gòu)成一個回路，從而實現(xiàn)換流。2.1 IGBT介紹絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文簡寫為IGBT。它是一種典型的全控器件。它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性?，F(xiàn)已成為中、大功率電力電子設備的主導器件

6、。IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。它可以看成是一個晶體管的基極通過電阻與MOSFET相連接所構(gòu)成的一種器件。它的開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓uGE所決定的。當uGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而是IGBT導通。由于前面提到的電導調(diào)制效應，使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當山脊與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的積極電流被切斷，使得IGBT關斷。2.2 D觸發(fā)器介紹D觸發(fā)器如圖所示如下:圖 2-1 D觸發(fā)器觸發(fā)器的邏輯功能可以用邏輯表達式來描述，稱為觸發(fā)

7、器的特征方程。D觸發(fā)器的特征方程如下： Qn+1=D 式 2-1以觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和輸入信號為變量，以次態(tài)為函數(shù)，描述它們之間邏輯關系的真值表稱為觸發(fā)器的特性表。D觸發(fā)器的特性表如下表所示，表中對觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)Q n和輸入信號D的每種組合都列出了相應的次態(tài)Q n+1。Q n D Q n+1 Q n D Q n+1 0 0 0 1 0 0 0 11 1 1 1表 2-1 D觸發(fā)器的特性表2.3 觸發(fā)電路圖及原理介紹圖2-1 觸發(fā)電路觸發(fā)電路圖如上圖所示。其原理如下: 將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或脈沖群，用這些脈沖控制無源逆變電路中的功率開關元件的通斷，以控制逆變器輸出電壓和頻率的電路。主要應用于變

8、頻調(diào)速裝置或不停電電源的逆變器中。它的一般功能是：根據(jù)控制信號的要求產(chǎn)生相應頻率的輸出脈沖；確定逆變器各功率開關的驅(qū)動信號間的相位關系；產(chǎn)生足夠的驅(qū)動功率以驅(qū)動功率開關元件；完成功率開關元件和控制電路之間的電隔離。 頻率發(fā)生器將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳l率的脈沖電壓以觸發(fā)脈沖分配器，使其按一定的規(guī)律將開關信號分配給各個通道的脈沖輸出器。脈沖輸出器將此開關信號放大，經(jīng)電隔離后驅(qū)動功率開關元件。上圖即為單相全橋逆變電路的脈沖觸發(fā)電路。頻率發(fā)生器產(chǎn)生一固定頻率的脈沖送到D觸發(fā)器的時鐘端CLK，以觸發(fā)D觸發(fā)器組成的脈沖分配器。D觸發(fā)器的輸出Q和Q是互差180的方波脈沖。晶體管G1、G2和變壓器T1、T2分別

9、組成兩個通道的脈沖輸出器，驅(qū)動單相逆變器的功率開關元件。逆變器的輸出頻率取決于頻率發(fā)生器，頻率發(fā)生器通常由單結(jié)晶體管、晶體管、運算放大器、門電路等構(gòu)成。在恒壓恒頻電源的逆變器觸發(fā)電路中，常采用晶體振蕩器和分頻器組成頻率發(fā)生器，以保證逆變器有較高頻率精度的輸出電壓。在變頻調(diào)速電源的逆變器觸發(fā)電路中，要求頻率發(fā)生器的頻率隨控制信號變化，常采用壓控振蕩器構(gòu)成頻率發(fā)生器。壓控振蕩器的輸出頻率隨控制電壓改變而改變。脈沖分配器由環(huán)形計數(shù)器組成。脈沖輸出器的通道數(shù)決定環(huán)形計數(shù)器的輸出狀態(tài)數(shù)。單相逆變電路常用二進制計數(shù)器，而三相橋式逆變電路常用六進制計數(shù)器。計數(shù)器可由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或D

10、型觸發(fā)器組成。圖3是用JK觸發(fā)器構(gòu)成的六進制環(huán)形計數(shù)器。Q1Q6為脈寬180、互差60的方波、頻率發(fā)生器作為環(huán)形分配器的時鐘，每來一個脈沖，環(huán)形分配器移位一次，Q1Q6依次進行高低電平變化，用以控制三相逆變橋的開關通斷。在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、dudt保護、didt保護也是十分必要的。圖3-1 保護電路本次課程設計所采用的過電壓過電流保護電路如上圖所示。該電路又稱為緩沖電路。它的作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓或者過電流。從而減小器件的開關損耗。緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路又稱為dudt抑

11、制電路，用于吸收器件關斷過電壓和換相過電壓，抑制dudt，減小關斷損耗。開通緩沖電路又稱為didt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和didt，減小器件開通損耗?？蓪㈥P斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起，構(gòu)成復合緩沖電路。還可以用另外的分類方式：緩沖電路中的儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則被稱為耗能式緩沖電路；如果緩沖電路將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，則稱為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路。若無特殊說明，通常講緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電路叫做didt抑制電路。圖3-2 didt抑制電路圖3-3 緩沖電路上圖所示為一種緩沖電路和didt抑制電路電路圖。在無緩沖電

12、路的情況下，絕緣柵雙擊晶體管V開通時電流急劇上升，didt很大，關斷時的dudt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。在有緩沖電路的情況下，V開通時緩沖電容C先通過RS向V放電，是電流iC先上一個臺階，以后因為有didt抑制電路的Li, iC的上升速度減慢。Ri, VDi是V關斷時為Li中的磁場能量提供放電回路而設置的。在V關斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了dudt和過電壓。4.1工作過程和波形分析在接阻感負載時，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在圖2-1所示的單相全橋逆變電路圖中，各個IGBT的柵極信

13、號仍為180正偏，180反偏，并且V1、V2的柵極信號互補，V3, V4的柵極信號互補，但V3的基極信號不是比V1落后180，而是只落后。也就是說，V3、V4的柵極信號不是分別和V2、V1的柵極信號同相位，而是前移了180-。這樣，輸出的電壓就不再是正負各為180的的脈沖，而是正負各為的脈沖，其波形如圖5-1所示。圖 4-1 輸出波形分析其工作過程：設在t1時刻前V1和V4導通，輸出電壓u0為Ud，t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負載電感中電流不能突變，V3不立刻導通，VD3導通實現(xiàn)續(xù)流。因為V1和VD3同時道童，所以輸出電壓為0。到t2時刻V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V

14、2不能立刻導通，VD2續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓-Ud。到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始同時導通，u0仍然為-Ud。在t3時刻V3和V4柵極信號再次反相，V3截止，而V4不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，u0再次為0。以后的過程與前面類似。4.2參數(shù)設置和計算參數(shù)設置：直流側(cè)輸入電壓Ud=120V, =60，R=10，電容和電感都設置為理想狀態(tài)下。則所得的波形即是上圖所示的波形。計算：根據(jù)波形可得，一個周期內(nèi)的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，而幅值的正負相反，則輸出平均電壓為0。同理輸出平均電流和有功功率都是0。輸出的電壓幅值為Ud=120V,- Ud=-

15、120V。電容設為無窮大，即是直流側(cè)電壓不變。5應用舉例逆變電路的應用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要把這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。另外，交流電動機調(diào)速用的變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。有人說，電力電子技術早期曾處在整流電路時代，后來則進入了逆變器時代，可見逆變電路在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的作用之大和應用之廣泛。而電壓型單相橋式逆變器作為逆變電路中最主要的一種，它在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中也占有重要地位，電壓型逆變電路主要用于兩方面：1）籠式交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于逆變電路只具有單方向傳遞

16、電能的功能，故比較適用于穩(wěn)態(tài)運行、無需頻繁起制動和加、減速的場合。2)不停電電源。該電源在逆變?nèi)攵瞬⒔有铍姵兀愃朴陔妷涸?。下面簡單介紹一下電壓型單相全橋逆變器的一種應用：采用單相全橋逆變電路，可以設計出車載逆變電源，實現(xiàn)把直流電源（12v）轉(zhuǎn)換成交流電源（320V，50HZ），并對負載進行供電。達到的性能要求就是轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的工頻電源，供給給汽車上的一些電器如車燈，音像等使用。 車載電源的DC/AC部分，采用單相全橋逆變電路，由4個IRF740構(gòu)成橋式逆變電路，IRF740最高耐壓400V，電流10A，功耗125W，利用半橋驅(qū)動器IR2110提供驅(qū)動信號，其輸入波形由SG3524提供，同理可調(diào)

17、節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動波形的D50，保證逆變的驅(qū)動方波有共同的死區(qū)時間。6小結(jié)體會通過本次課程設計，對電力電子技術的知識有了更具體的理解和直觀的認識。通過設計單相橋式逆變電路，并對其工作原理和輸入輸出情況進行分析，將理論和實踐聯(lián)系在一起。在設計過程中，需要應用到的數(shù)電等方面的知識，通過此次設計也讓我將這些知識進行了復習。而通過對參數(shù)進行設定和計算，提高了自身的計算能力和理解能力?？傊ㄟ^課程設計，我有了很多收獲。不但讓自己的知識結(jié)構(gòu)更加合理，也讓自己的知識面更加廣泛。通過此次課程設計，我認識到了自己的不足并作出了彌補，讓自身得到了提高。7參考資料1 王兆安、劉進軍主編，電力電子技術（第五版），北京：機械工業(yè)出版社， 20092 康華光主編，電子技術基礎數(shù)字部分（第五版），北京：高等教育出版社， 20053 林渭勛主編，現(xiàn)代電力電子技術，北京：機械工業(yè)出版社，20064 陳伯時主編，