完整版電力電子課程設(shè)計(jì)IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路阻感負(fù)載

1、1引言本次課程設(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(shí),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(shí),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.2工作原理概論2. 1 IGBT 的簡(jiǎn)述絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gate Bipolar Transistor ),英文簡(jiǎn)寫為IGBT. 它是一種典型的全控器件.它綜合了 GT濟(jì)DMOSFE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.IGB

2、T是三端器件,具有柵極 G集 電極C和發(fā)射極Eo它可以看成是一個(gè)晶體管的基極通過電阻與MOSFE相連接所構(gòu)成的一種器件.具等效電路和電氣符號(hào)如下：(b)圖2-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號(hào)它的開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 “GE所決定的.當(dāng)UGE為正且大于 開啟電壓UGEE寸,MOSFET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 Rx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(hào)時(shí), MOSFETJ的溝道消 失,晶體管的積極電流被切斷,使得IGBT關(guān)斷.2.2 電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型根

3、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)是電流源的那么稱為電流型逆變電路.電壓型逆變電路有以下特點(diǎn)：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)電壓根本無脈動(dòng), 直流回路呈現(xiàn)低阻抗.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由于負(fù)載阻抗的情況不同而不同.當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)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)反響的無功能量提供通道,逆變橋各臂都并聯(lián)了反響二極管.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

4、有：?jiǎn)蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮蚰孀冸娐? 而三相電壓型逆變電路那么是由三個(gè)單相逆變 電路組成.2.3 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(gè)橋臂組成, 其中每 個(gè)橋臂都有一個(gè)全控器件IGBT和一個(gè)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(duì),橋臂2, 3為一對(duì).可以看成由 兩個(gè)半橋電路組合而成.其根本電路連接圖如下所：圖2-2 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(IGBD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

5、對(duì) 橋臂組成,V1和V4與V2和V3兩對(duì)橋臂各導(dǎo)通180度.再加上采用了移相調(diào)壓法, 所以VT3的基極信號(hào)落后于VT1的90度,VT4的基極信號(hào)落后于VT2的90度.Vi和柵極信號(hào)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(shí),圖 2-3-b , Vi或上通時(shí),io和uo同方向,直流側(cè) 向負(fù)載提供能量,VD或VD通時(shí),io和uo反向,電感中貯能向直流側(cè)反響,VD、 VD稱為反響二極管,還使io連續(xù),又稱續(xù)流二極管.在阻感負(fù)載時(shí),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

6、逆變電 路中,個(gè)IGBT的柵極信號(hào)仍為180度正偏,180度反偏,并且Vi和V2的柵極信 號(hào)互補(bǔ),V3和V4的柵極信號(hào)互補(bǔ),但 V3的基極信號(hào)不是比Vi落后180度,而是 只落后8 (0< 8 <180).也就是說,V3、V4的柵極信號(hào)不是分別和 V2、Vi的柵極信 號(hào)同相位,而是前移了 180-9 o這樣,輸出電壓u.就不再是正負(fù)各180度的脈沖, 而是正負(fù)各為8的脈沖,由于輸入為DC100V,輸出幅值也是100V, 8=90° ,那么 輸出電壓有效值為50V.各IGBT的柵極信號(hào)ug1ug4及輸出電壓u0、輸出電流i0 的波形如以下圖所示.圖2-30如以下圖3系統(tǒng)總體

7、方案3.1. 確定各器件參數(shù),設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)條件：1 .電源電壓：直流U=100V2 .輸出功率：300W3 .輸出電壓波行1KHz方波,脈寬0 =90°4 .阻感負(fù)載計(jì)算內(nèi)容：T=1/f=1/1000=0.001s由于V3的基波信號(hào)比V1落后了 900 即1/4個(gè)周期.那么有：t3=0.001/4=0.00025s, t1=0st2=0.001/2=0.0005s, t4=0.00075s100*8/180° =100V*90° /180° =50V 輸出電壓100V*X/0.001s=50V得：X=0.0005s設(shè)在11=0.0005s時(shí)亥【J前

8、Vi和V4導(dǎo)通,輸出電壓Uo為Ud=100V,t 1時(shí)亥【J V3和V4柵 極信號(hào)反向,M截止,而因負(fù)載電感中的電流io不能突變,V3不能馬上導(dǎo)通,VD3 導(dǎo)通續(xù)流.由于V和VD同時(shí)導(dǎo)通,所以輸出電壓為零.到t2時(shí)候Vi和柵極信號(hào) 反向,Vi截止,而不能馬上導(dǎo)通,VD導(dǎo)通續(xù)流,和VD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(shí),VD和VD截止,M和V3開始導(dǎo)通,丸仍為-Ud. t3時(shí)刻V3和M柵極信號(hào)再次反向,V3截止,而M不能馬上導(dǎo)通,VD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 u.的正負(fù)脈沖寬度就各為9 =90°.改變8 ,就可以調(diào)節(jié)輸出電

9、壓.有效電壓：U.=U/2=100/2=50V _2 _R=Uc/P = 25/3=8.33 Q輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A那么可得電流幅值為：Imax=12A, Imin=-12A電壓幅值為：Umax=100V,Umin=-100V品閘管額定值計(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那么額定電壓：Un= (23) *100V= (200-300) V輸出電壓定量分析：uo成傅里葉級(jí)數(shù)：4U d, 1 .八,1 .uo = sin 皿+sin *t+sin 5切t +i元

10、135)基波幅值：4UdUo1m =一 =1.27Ud基波有效值：Uo1 = 2> 2Ud =0.911d 3T所以,IGBT承受的最大反向電壓：Ufm=(2 3) X Ud =(200 300)V , 因此選用電壓為200V的IGBT.阻抗值確實(shí)定：f=1000Hz=2 兀 f=2*3.14*1000=6280 L/R=tan8=j3 可知：L=0.0046H.電源端恒壓電容C1的值為100nf.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(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通.晶體管觸發(fā)電路往往包括：對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行限制的相位 限制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出

11、電路.該主電路對(duì)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,保證在允許的工作溫度范圍內(nèi),對(duì)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)限制信號(hào)的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動(dòng).4)觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步.如以下圖所示,為了使IGBT穩(wěn)定工作,一般要求雙電源供電方式,即驅(qū)動(dòng)電路 要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式,輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí),放大級(jí) 采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門極電流.為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象,IGBT的柵射極間接入了 RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器.此種驅(qū)動(dòng)電路適用于小容量的IGBTo5主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇5. 1電路仿真圖在

12、本次設(shè)計(jì)中,主要采用單相全橋式無源逆變電路阻感負(fù)載作為設(shè)計(jì)的主電路.由于軟件上的電源等器件都是理想器件,故可將直流側(cè)并聯(lián)的大電容直接去掉. 由以上工作原理概論的分析可得其主電路仿真圖如圖5-1所示：圖5-1單相電壓型全橋無源逆變電路阻感負(fù)載的主電路r Source Block Parameters： Pulse Generator圖5-2 VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置 Source Block Parameters Pulse Generatorl Source Block Parameters Puke Generator2圖5-4 VT3的脈沖信號(hào)0 Source Block Paramete

13、rs: Pulse Generator圖5-5 VT4 的脈沖信號(hào)Induct anc e (H):0. 0046Qancel Help | Apply»| Block Parameters: Series RLC BranchSeries RLC Branch (mask) (link)Implements a series branch of RLC eleiterrts.Use the n Branch type- paraneter to add or remove elemjent s from the branch.圖5-6阻感負(fù)載圖5-8輸入電流Id的波形圖5-9用示波

14、器模塊觀察和記錄電源電壓、限制信號(hào)、負(fù)載電壓的波形圖說明：如以下圖,分別為負(fù)載電壓、電源電壓、限制信號(hào)的波形圖.翻開新建模型窗 口,將所需元件模塊從模塊庫中拖入新建模型窗口并改名,設(shè)定有關(guān)參數(shù)后將各模塊庫連接組成仿真模型,如以下圖5-9所示,設(shè)置好各模塊參數(shù),點(diǎn)擊下拉菜單仿真(Simulation )按鈕,仿真參數(shù)(Simulation Parameters)命令設(shè)定有關(guān)仿真參數(shù), 設(shè)定停止時(shí)間(Stop Time)為0.1秒,仿真算法選擇可變步長(Variable-step) 積分 算法函數(shù)其,他參數(shù)用默認(rèn)值.然后點(diǎn)擊啟動(dòng)仿真按鈕,那么開始仿真,雙擊顯示模 塊(scope)就能顯示其信號(hào)波形

15、.圖5-10 觸發(fā)電壓波形圖說明：從上到下依次為 VT1,VT2,VT3,VT4的觸發(fā)電壓,幅值為 5V.6心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì),加深了我對(duì)課程?電力電子技術(shù)?理論知識(shí)的理解,特別 是有關(guān)逆變電路方面的知識(shí).同時(shí)也培養(yǎng)了以下幾點(diǎn)水平：第一：提升了自己完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告水平,提升了自己的書面表達(dá)水平.具備 了文獻(xiàn)檢索的水平,特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資料.第二：提升了運(yùn)用所學(xué)的各門知識(shí)解決問題的水平,在本次課程設(shè)計(jì)中,涉及 到很多學(xué)科,包括：電力電子技術(shù)、電路原理等,學(xué)會(huì)了如何整合自己所學(xué)的知識(shí) 去解決實(shí)際問題.第三：深刻理解了單相全橋逆變電路的原理及應(yīng)用.參考文獻(xiàn)11李先允主編 電力電子技術(shù) 北京：中國電力出版社,20062佟純厚主編 電力電子學(xué) 南京：東南大學(xué)出版社,2000【3】王兆安,黃俊主編 電力電子技術(shù)第4版北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004【4】黃俊王兆安主編 電力電子交流技術(shù)第3版北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1994【5】石玉王文郁主編 電