IGBT單相半橋無源逆變電路設計Word版

1、傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！ 單片機技術(shù)課程設計說明書模板 IGBT單相半橋無源逆變電路設計 院 、 部： 電子與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職稱： 博士 專 業(yè)： 自動化 班 級： 完成時間： 2013年5月20日 傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！摘 要 本次課程設計的題目是IGBT單相半橋無源逆變電路設計，同時設計相應的觸發(fā)電路。根據(jù)電力電子技術(shù)的相關(guān)知識，單相橋式逆變電路是一種常見的逆變電路，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，逆變電路在

2、現(xiàn)實生活中有很廣泛的應用。 本次設計中主要由交流電源，整流，濾波和半橋逆變電路四部分構(gòu)成電路的主電路，驅(qū)動電路和驅(qū)動電源構(gòu)成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。設計中使用到的絕緣柵雙極晶體管（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。本文對使用的IGBT單相半橋無源逆變電路進行了波形的仿真和分析。關(guān)鍵詞：IGBT;單相半橋；無源逆變傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！ABSTRACTThe course d

3、esign is the subject of IGBT single-phase half-bridge passive inverter circuit design, while the design of trigger circuit corresponding. According to the related knowledge of power electronics technology, single-phase bridge inverter circuit is a circuit common, compared with the rectifier circuit,

4、 the DC to AC inverter circuit become. When the AC side is connected to the power grid, called active inverter; when the AC side directly and load connected, called passive inverter, the inverter circuit is widely applied in real life.This design is mainly composed of AC power, rectifier, filter and

5、 half-bridge inverter circuit four parts of the main circuit circuit, driving circuit and power supply control circuit in the main circuit of inverter bridge command work properly. Insulated gate bipolar transistor to use in design (Insulated-gate Bipolar Transistor), the English abbreviation for IG

6、BT. It is a typical control device. It combines the advantages of GTR and MOSFET, which has a good characteristic. Has now become the leading device, high power electronic equipment. This paper analyzed and simulated waveforms of IGBT single-phase half-bridge inverter circuit using passive.Keywords:

7、IGBT; single-phase half-bridge; passive inverter傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！第1章 系統(tǒng)方案設計及原理1.1 系統(tǒng)方案 系統(tǒng)方案如圖1所示，在電路原理框圖中，交流電源、整流、濾波和半橋逆變電路四個部分構(gòu)成電路的主電路，驅(qū)動電源和驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。其中，交流電源、整流、濾波三個部分的功能分別由交流變壓器、全橋整流模塊和兩個串聯(lián)的電解電容實現(xiàn);半橋逆變電路由半橋逆變和緩沖電路構(gòu)成; 而驅(qū)動電源和驅(qū)動電路則需要根據(jù)實際電路的要求進行搭建。IGBT半橋逆變電 路 驅(qū)動 電源驅(qū)動電路濾 波整流

8、交流電源 圖1 電路原理圖1.2 系統(tǒng)工作原理1.2.1 逆變電路的基本工作原理以圖2的單相橋式逆變電路說明逆變電路最基本的工作原理。圖2中S1S4是橋式電路的4個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓U0為正；當開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，U0為負。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。 圖2 逆變電路原理圖傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！1.2.2 單相半橋阻感負載逆變電路圖3 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形在一個周期內(nèi)，電力晶體管 T1 和 T2 的基極信號各有

9、半周正偏，半周反偏，且互補。 若負載為阻感負載， t2 時刻以前， T1有驅(qū)動信號導通，T2 截止， U0 =Ud/2。 t2 時刻關(guān)斷的 T1，同時給 T2 發(fā)出導通信號。由于感性負載中的電流 i。不能立即改變方向，于是 D2 導通續(xù)流， U0=-Ud/2。 T3 時刻 i。降至零，D2 截止，T2 導通，i。開始反向增大，此時仍然有 U0=-Ud/2 。 在 t4 時刻關(guān)斷 T2，同時給 T1 發(fā)出導通信號，由于感性負載中的電流 i。不能立即改變方向，D1 先導通續(xù)流，此時仍然有 U0=Ud/2 ； t5 時刻 i。降至零， T1 導通， U0=Ud/2 。1.2.3 單相半橋純電阻負載逆

10、變電路如圖4所示在一個周期內(nèi)，電力晶體管V1和V2的基極信號各有半周正偏，半周反偏且互補。由于是純電阻負載，當V1開通時V2關(guān)斷，則負載兩端的電壓為：Uo=Ud/2 ；當V1關(guān)斷時V2開通，則負載兩端的電壓為：U0=-Ud/2。傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！圖4 單相半橋純電阻負載逆變電路及IGBT脈沖波形1.3 IGBT的結(jié)構(gòu)特點和工作原理1.3.1 IGBT的結(jié)構(gòu)特點IGBT是雙極型晶體管（BJT）和MOSFET的復合器件，IGBT將BJT的電導調(diào)制效應引入到VDMOS的高祖漂流區(qū)，大大改善了器件的導通特性，同時它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗的特點。IGBT所

11、能應用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的功率晶體管。 圖5 IGBT結(jié)構(gòu)圖如圖5所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。P+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為

12、漏極。 IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴，對N 一層進行電導調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓控制的，當門極加正向電壓時，門極下方的P區(qū)中形成電子載流子到點溝道，電子載流子由發(fā)射極的N

13、+區(qū)通過導電溝道注入N-區(qū)，即為IGBT內(nèi)部的PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時，為維持N-區(qū)的電平衡，P+區(qū)像N-區(qū)注入空穴載流子，并保持N-區(qū)具有較高的載流子濃度，即對N-區(qū)進行電導調(diào)制，減小導通電阻，使得IGBT也具有較低的通態(tài)壓降。若門極上加負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT就關(guān)斷。 圖6 常用IGBT的電氣符號 圖7 IGBT的等效電路圖6為IGBT的常用電氣符號，IGBT的等效電路如圖7所示，由圖可知，若在IGBT的柵極G和發(fā)射極E之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態(tài)而使得

14、晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極G發(fā)射極E間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。 如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過高超過柵極發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極發(fā)射極之間的耐壓,流過IGBT集電極發(fā)射極的電流超過集電極發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會永久性損壞。1.3.2

15、 IGBT對驅(qū)動電路的要求 IGBT 的驅(qū)動條件與它的靜態(tài)和動態(tài)特性密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！-VGE 和柵極電阻RG 的大小，對IGBT 的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dVCE/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系如表1 所示：表1 門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系 特性 Vce(on)Ton、Eon toff、Eoff 負載短路能力 電流dVce/dt +VCE增大 降低 降低 - 降低 增加 -VCE減小 - - 略減小 - 減小 RC增大 - 增加 增加 - 減小由于IGBT的開關(guān)特性

16、和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT對其驅(qū)動電路提出了以下要求。1）向IGBT提供適當?shù)恼驏艍骸２⑶以贗GBT導通后。柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)。瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率 要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有關(guān)，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，VDS儺就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發(fā)生過流或

17、短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。 2） 能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為515 V），使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。 3）具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。 4） 由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸人、

18、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。 5）IGBT的柵極驅(qū)動電路應盡可能的簡單、實用。應具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力，且輸出阻抗應盡可能的低。傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！第2章 硬件電路設計與參數(shù)計算2.1 系統(tǒng)硬件連接2.1.1 單相半橋無源逆變主電路如圖8下所示：圖8 單相半橋無源逆變主電路2.2 整流電路設計方案2.2.1 整流變壓器的參數(shù)運算 1）變壓器二次側(cè)電壓U2的計算 U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件

19、的耐壓升高，增加了裝置的成本。根據(jù)設計要求，采用公式： 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10裕量，則 B=cos=0.985取U2=140V。電壓比K=U1/U2=220/140=1.57。2 ）一次、二次電流I1、I2的計算傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！由 得考慮空載電流 取 3）變壓器容量的計算； ； ； 2.2.2 整流變壓器元件選擇1） 整流元件選擇二極管承受最大反向電壓，考慮三倍裕量，則，取600V。該電路整流輸出接有大電容，而且負載為純電阻性負載，所以簡化計算得 取15A。故選ZP-15A 整流二極管4只，并配15A散熱器。2） 濾波電容的選擇 濾

20、波電容一般根據(jù)放電時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，電容量越大。一般不作嚴格計算，多取2000傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取=2200耐壓按 取250V。即選用2200、250V電容器。3） IGBT的選擇因，取3倍裕量，選耐壓為150以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標注，且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜。為此選用1MBH50-090型IGBT。其續(xù)流二極管選擇與之配套的快速恢復二極管EDR60-100。Cl、C2為3300uF電解電容2.2.3 整流電路保護元件的選用1）變壓器二

21、次側(cè)熔斷器選擇由于變壓器最大二次電流，故選用10A熔芯即可滿足要求。應選用15A、250V熔斷器。 2.3 驅(qū)動電路設計方案2.3.1 IGBT驅(qū)動器的基本驅(qū)動性能(1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。當IGBT在硬開關(guān)方式下工作時，會在開通及關(guān)斷過程中產(chǎn)生較人的損耗。這個過程越長，開關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時，開關(guān)損耗會大大超過IGBT通態(tài)損耗，造成管芯溫升較高。這種情況會大大限制IGBT的開關(guān)頻率和輸出能力，同時對IGBT的安全工作構(gòu)成很大威脅。IGBT的開關(guān)速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關(guān)。IGBT的柵源特性顯非線性電容性質(zhì)，因此驅(qū)動器須具有足夠的

22、瞬時電流吞吐能力，才能使IGBT柵源電壓建立或消失得足夠快，從而使開關(guān)損耗降至較低的水平。另一方面，驅(qū)動器內(nèi)阻也小能過小，以免驅(qū)動回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時，過短的開關(guān)時間也會造成回路過高的電流尖峰，這既對主回路安全不利，也容易在控制電路中造成干擾。(2)能向IGBT提供適當?shù)恼驏艠?。IGBT導通肝的管壓降與所加柵源電壓有關(guān)，在集射電流一定的情況下，Vge越高，Vce越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是，Vge井非越高越好，Vge過大，負載短路時Ic增大，ILBT能承受短路電流的時間減少，對安全不利，一但發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，

23、IGBT損壞的可能性就越大。因此，在有短路程的設備中Vge應選小些，一般選1215V。傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！(3)在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲電荷，能向IGBT提供足夠的反向柵壓?？紤]到在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管了的功耗，重則將使裂變電路處于短路直通狀態(tài)，因此，最好給應處于截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓(515V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。(4)有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設備中，IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控

24、制電路一般不希望如此。另外，許多電路中的IGBT的工作電位差別很大，也不允許控制電路與其直接藕合。因此驅(qū)動器具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，也有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但這種電隔離不應影響驅(qū)動信譬的正常傳輸。(5)具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極眼電壓一般為20V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。(6)輸入輸出信號傳輸無延時。這小儀能夠減少系統(tǒng)響應滯后，而且能提高保護的快速性。(7)人電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能過分短，以限制didt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。2.3.2 驅(qū)動電路IGBT的驅(qū)動電路如圖9所示，此IGBT門極驅(qū)動電路采用了光耦合器使

25、信號電路與門極驅(qū)動電路相隔離。當光電耦合器導通時，V截止，V1導通，IGBT導通。光電耦合器截止，V導通，V2導通，IGBT截止。傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！圖9 IGBT驅(qū)動電路圖2.4 觸發(fā)電路設計方案 控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，用于可控制電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)，達到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護功能。被實驗裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片的CT端和放電端間串聯(lián)一個電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間。此

26、外此外，其軟起動電路非常容易設計，只需外部接一個軟起動電容即可。傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！圖10 觸發(fā)電路圖第三章 系統(tǒng)仿真3.1 SIMULINK仿真軟件介紹Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用Simuli

27、nk。3.2 建立仿真模型建立仿真模型的步驟：打開MATLAB，進入Simulink命令窗口建立主電路的仿真模型。 構(gòu)造控制部分進行參數(shù)設置，把電源設置為直流100V,脈沖信號周期設置為0.02S，脈寬為50，相位相差180。 運行程序，打開示波器觀察完成波形觀測及分析部分。最終完成仿真模型如圖11所示： 傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！ 圖11 單相半橋無源逆變電路仿真模型 圖12 電源參數(shù)設置 傳播優(yōu)秀Word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！ 圖13 驅(qū)動脈沖信號參數(shù)設置3.3 仿真結(jié)果分析將仿真時間設為0.00s，選擇ode113的仿真算法，將絕對誤差設為1e-5，運行后可得仿真結(jié)果。如圖14所示自上而下分別為直流輸入電壓、逆變器輸出的負載交流電壓、負載電流和V1、V2的脈沖波形。交流電壓為50v的方波電壓，周期與驅(qū)動信號同為1kHz。由于選取的參考電壓方向為負方