電壓源型單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)說明書

1、電壓源型單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)摘 要電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利

2、用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。本次課程設(shè)計(jì)的題目是IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路設(shè)計(jì)（阻感負(fù)載），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(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相接時，稱為無源逆變.逆變電路在現(xiàn)實(shí)生活中有很廣泛的應(yīng)用。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(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時，就需要逆變電

3、路。關(guān)鍵詞： 單相，電壓型，逆變 目 錄摘 要1.工作原理11. 1 IGBT的簡述1(1.1.1)IGBT模塊的選擇1)1.1.2使用中注意事項(xiàng)2)1.1.3 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)21.1.4、功率二極管的參數(shù)21.2逆變電路的基本工作原理31.3電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型31.4 IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路原理分析32.軟件簡介62.1介紹62.2應(yīng)用領(lǐng)域62.3應(yīng)用優(yōu)勢62.4電路結(jié)構(gòu)63.電路總體設(shè)計(jì)73.1總體電路圖73.2確定各器件參數(shù)，設(shè)計(jì)電路部分原理圖74 . 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)105. 工作過程及參數(shù)設(shè)定115.1 180調(diào)壓115.1.1 工作過程115.1.2

4、 參數(shù)設(shè)定115.2 移相調(diào)壓135.2.1 工作過程135.2.2 參數(shù)設(shè)定135.3仿真波形分析156.心得體會16參 考 文 獻(xiàn)171.工作原理1. 1 IGBT的簡述絕緣柵雙極晶體管（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(diǎn)，因而具有良好的特性。現(xiàn)已成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。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。其等效電路和電氣符號如下： 圖1-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號它

5、的開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓所決定的。當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而是IGBT導(dǎo)通。由于前面提到的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)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(guān)斷。(1.1.1)IGBT模塊的選擇 IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源電壓緊密相關(guān)。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗也會變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)

6、時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。 p)1.1.2使用中注意事項(xiàng) 由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到2030V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)： 在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄

7、生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 此外，在柵極發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。 在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10K左右的電阻。 在安裝或更換IGBT模塊時，應(yīng)十分重視IGB

8、T模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。 ()1.1.3 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn) （1）開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng) 。（2）相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力 。（3）通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電

9、流較大的區(qū)域。（4）輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似 。（5）與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 1.1.4、功率二極管的參數(shù) （1）正向平均電流（FI）：指功率二極管長期運(yùn)行時，在指定殼溫和耗散條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 （2）穩(wěn)態(tài)平均電壓（FU）:在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。 （3）反向重復(fù)峰值電壓（RRMU）：對功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 1.2逆變電路的基本工作原理橋式逆變電路的開關(guān)狀態(tài)由加于其控制極的電壓信號決定，橋式電路的PN端加

10、入直流電壓Ud，A、B端接向負(fù)載。當(dāng)T1、T4打開而T2、T3關(guān)合時，u0=Ud;相反,當(dāng)T1、T4關(guān)合而T2、T3打開時，u0=-Ud。于是當(dāng)橋中各臂以頻率 f（由控制極電壓信號重復(fù)頻率決定）輪番通斷時，輸出電壓u0將成為交變方波，其幅值為Ud。重復(fù)頻率為f如圖2所示，其基波可表示為把幅值為Ud的矩形波uo展開成傅立葉級數(shù)得：Uo=4Ud/ （sinwt+1/3 sin3wt+1/5 sin5wt+.）由式可見,控制信號頻率f可以決定輸出端頻率，改變直流電源電壓Ud可以改變基波幅值，從而實(shí)現(xiàn)逆變的目的。1.3電壓型逆變電路的特點(diǎn)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

11、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(diǎn)：（1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)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(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因?yàn)樨?fù)載阻抗的情況不同而不同。（3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)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)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，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

12、電路則是由三個單相逆變電路組成。1.4 IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路原理分析單相逆變電路主要采用橋式接法。它的電路結(jié)構(gòu)主要由四個橋臂組成，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(fù)載接在橋臂之間。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對。可以看成由兩個半橋電路組合而成。其基本電路連接圖如下所：圖1-2 電壓型全橋無源逆變電路的電路圖由于采用絕緣柵晶體管（IGBT）來設(shè)計(jì),如圖2-2的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設(shè)計(jì)為阻感負(fù)載，故應(yīng)將RLC負(fù)載中電容的值設(shè)為零。此電路由兩對橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對橋臂各導(dǎo)通180度。再加上采用了

13、移相調(diào)壓法，所以VT3的基極信號落后于VT1的90度，VT4的基極信號落后于VT2的90度。V1和V2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時，圖2-3-b，V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VD1、VD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。在阻感負(fù)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(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在單相橋式逆變電路中，個IGBT的柵極信號仍為180度正偏，180度反偏，并且V

14、1和V2的柵極信號互補(bǔ)，V3和V4的柵極信號互補(bǔ)，但V3的基極信號不是比V1落后180度，而是只落后（0<<180).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，輸出電壓u0就不再是正負(fù)各180度的脈沖，而是正負(fù)各為的脈沖，由于輸入為DC100V，輸出幅值也是100V，=90°，則輸出電壓有效值為50V。各IGBT的柵極信號uG1uG4及輸出電壓u0、輸出電流i0的波形如下圖所示。 圖1-3 如圖所示2.軟件簡介2.1介紹PSIM是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。PSIM全稱Power Simulati

15、on。PSIM是由SIMCAD 和SIMVIEM兩個軟件來組成的。PSIM具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。2.2應(yīng)用領(lǐng)域PSIM具有強(qiáng)大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其它多數(shù)仿真軟件的收斂失敗、仿真時間長的問題，因此應(yīng)用范圍廣泛。例如，電力電子電路的解析，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動研究，和其他公司的仿真器連接等。2.3應(yīng)用優(yōu)勢 1.用戶界面友好，容易掌握，可以加深工程師對電路與系統(tǒng)的原理及工作狀態(tài)的理解?大大加速電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程。2.運(yùn)行效率十分高。3.輸出數(shù)據(jù)格式兼容性十分好。2.4電路結(jié)構(gòu) 一個電

16、路在PSIM 里表現(xiàn)為4 個部分：電力電路、控制電路、傳感器和開關(guān)控制器。3.電路總體設(shè)計(jì)3.1總體電路圖圖3-1 總體電路圖3.2確定各器件參數(shù)，設(shè)計(jì)電路部分原理圖設(shè)計(jì)條件：1.電源電壓：直流Ud=100V2.輸出功率：300W3.輸出電壓波行2KHz方波，脈寬=90°4.設(shè)定為阻感負(fù)載計(jì)算內(nèi)容： T=1/f=1/2000=0.0005s 由于V3的基波信號比V1落后了90°（即1/4個周期）。則有： t3=0.0005/4=0.000125s，t1=0s t2=0.0005/2=0.00025s，t4=0.000375s 100*/180°=100V*90&#

17、176;/180°=50V（輸出電壓） 100V*X/0.0005s=50V 得：X=0.00025s設(shè)在t1=0.00025s時刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓u0為Ud=100V,t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負(fù)載電感中的電流i0不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因?yàn)閂1和VD3同時導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到t2時候V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導(dǎo)通，u0仍為-Ud。t3時刻V3和V4柵極信號再次反向，V3截止，而V4

18、不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，u0再次為零。以后的過程和前面類似。這樣，輸出電壓u0的正負(fù)脈沖寬度就各為=90°。有效電壓：U。=U/2=100/2=50VR=Ud2/P = 25/3=8.33輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A則可得電流幅值為：Imax=12A，Imin=-12A電壓幅值為：Umax=100V,Umin=-100V晶閘管額定值計(jì)算，電流有效值：Ivt=Imax/4=3A。額定電流In額定值：In=（1.5-2）*3=（4.5-6）A。最大反向電壓：Uvt=100V則額定電壓:Un=（23）*100V=（200-300）V輸出電壓定量分析： uo成傅里葉級數(shù)： 基波

19、幅值： 基波有效值：所以，IGBT承受的最大反向電壓： UFM=(23)×Ud =(200300)V ,因此選用電壓為200V的IGBT.阻抗值的確定：f=2000Hz=2f=2*3.14*2000=12560L/R=tan= 可知：L=0.0073H。電源端恒壓電容C1的值為20nf。圖3-2電源參數(shù)設(shè)定4 . 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)IGBT晶體管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的觸發(fā)脈沖，保證晶體管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶體管觸發(fā)電路往往包括：對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出電路。該主電路對觸發(fā)電路的要求有以下幾點(diǎn)：1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率，保證在允許的工作

20、溫度范圍內(nèi)，對所有合格的元件都可靠觸發(fā)。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度。3）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動。4）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步。5. 工作過程及參數(shù)設(shè)定5.1 180調(diào)壓5.1.1 工作過程把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180度。具體是：V1和VD4導(dǎo)通V1和V4導(dǎo)通VD2和VD3導(dǎo)通V3和V4導(dǎo)通。5.1.2 參數(shù)設(shè)定圖5-1電源參數(shù)設(shè)定圖5-2 VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-3 VT2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-4 VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-5 VT4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-6 輸出電流電壓波形5.

21、2 移相調(diào)壓5.2.1 工作過程移相調(diào)壓IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路共有4個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成，采用移相調(diào)壓方式后，輸出交流電壓有效值即可通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)，也可通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來改變其有效值。 由于MATLAB軟件中電源等器件均為理想器件，故可將電容直接去掉。又由于在純電阻負(fù)載中，VD1VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用，古可將起續(xù)流作用的4個二極管也去掉，對結(jié)果沒有影響。 相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電壓幅值僅為1/2Ud的缺點(diǎn)，且不需要有兩個電容串聯(lián)，就不需要控制電容電壓的均衡，因此可用于相對較大功率的逆變電路5.

22、2.2 參數(shù)設(shè)定圖5-7 VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-8 VT2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-9 VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-10 VT4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-11 輸出電流電壓波形5.3仿真波形分析 在接電阻負(fù)載時，采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓。移相調(diào)壓實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。通過對4.1.1觸發(fā)脈沖的控制得到如圖4.12和4.13的波形圖，4.12波形為輸出電流電壓的波形，由于沒有電感負(fù)載，在波形圖中可看出，一個周期內(nèi)的兩個半個周期的輸出電壓值大小 相等，幅值的正負(fù)相反，則輸出平均電壓為0。 VT1電壓波形和VT2的互補(bǔ)，VT3電壓波形和VT4的互補(bǔ)，但VT3的基極信號不是比VT1落后180°，而是只落后。即VT3、VT4的柵極信號不是分別和VT2、VT1的柵極信號同相位，而是前移了90°。輸出的電壓就不再是正負(fù)各為180°的的脈沖，而是正負(fù)各為90°的脈沖。由于沒有電感負(fù)載，故電流情形與電壓相同。 四 總結(jié) IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路共有4個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成，采用移相調(diào)壓方式后，輸出交流電壓有效值6.心得體會