IGBT逆變式主電路的仿真研究

1、 本文由貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 2000 年 3 月 昌 航 空 工 業(yè) 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 南 March. 2000 Vol. 14 1 第 14 卷第 1 期 Journal of Nanchang Institute of Aeronautical Technology 摘 要 通過(guò)對(duì)全橋式 I GB T 逆變主電路的研究 ,論述了 CAD 技術(shù)在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景 ,介紹 I GB T 全橋主電路的工作原理及 I GB T 、 主變壓器的數(shù)學(xué)模型 , 并對(duì)全橋主電路進(jìn)行了仿真研究 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明 ,仿真波形與實(shí)際相符

2、合 ,吸收參數(shù)對(duì)電路的影響比較小 。 關(guān)鍵詞 電路設(shè)計(jì) T GB T 逆變 模型 仿真 中圖分類(lèi)號(hào) TN710 ; TP291. 9 前言 由于電力電子技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷 進(jìn)步 ,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù) ( CAD ) 在電力電子技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用 。由于 CAD 技術(shù)的 出現(xiàn) ,使電子工程師的設(shè)計(jì)效率得到大大提高 ,同時(shí) 省略了許多實(shí)驗(yàn)過(guò)程 , 降低了設(shè)計(jì)成本 。目前比較 流行的通用電子電路的仿真分析軟件都是在美國(guó)加 州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的 SPICE 程序發(fā)展起來(lái)的 , 其中以 Meta Software 公司的 HSPICE 、 MicroSim 公 司 的 PSPI

3、CE 和 Int usoft 公 司 的 ICAP 最 為 著 1 名 。 2 本文不是在 Int usoft 公司的 ICAP4. 0 的平 臺(tái)上進(jìn)行仿真研究的 。ICAP4. 0 包含 4 個(gè)工具包 : Edit Text Files 用于電路文本的編輯 : Ispice4. 0 用 交流 380V 經(jīng)整流濾波后成低紋波的直流電 壓 ,然后提供給由 I GB T 和變壓器 T1 組成的逆變 器 : I GB T 、GB T4 和 I GB T2 、GB T3 由控制電路提供 I I 3 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 ( 編號(hào) :59875020) 收稿日期 :1999 - 11 - 26 第一

4、作者 : 曾敏 ,男 ,1970 年生 ,博士研究生 。 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. I GB T 逆變式主電路的仿真研究 3 曾 敏 薛家祥 黃石生 羅衛(wèi)紅 方 平 ( 華南理工大學(xué) 機(jī)電工程系 廣州 510640) 于電路分析 : Scope 是功能強(qiáng)大的多路示波器 , 可任 意縮放電壓電流波形 ; SpiceNet 用于繪制需仿真的 電路 ,因此 ,它可以同時(shí)以文本和圖形兩種方式表述 需仿真的電路 。此外 , ICAP4. 0 還自帶龐大的器件 模型庫(kù) ,從而使設(shè)計(jì)人員可減

5、輕設(shè)計(jì)工作量 。本文 利用 ICAP4. 0 來(lái)對(duì) I GB T 全橋逆變主電路進(jìn)行仿 真和分析 。 1 I GB T 逆變式主電路原理及分析 逆變式主電路有單端正激 、 雙單端 、 半橋 、 全橋 等形式 ,由于全橋式逆變主電路適于輸出大功率 ,在 本研究中采用這種逆變主電路形式 。整個(gè)主電路原 理圖如圖 1 所示 。其工作原理如下 : 圖 1 IGB T 逆變主電路原理圖 驅(qū)動(dòng)波形而交替導(dǎo)通 , 再經(jīng)變壓器 T1 后 , 在變壓器 T1 的次級(jí)得到交變的電壓 ; 然后再由 D1 、 2 組成的 D 整流電路整流成直流電 ,經(jīng)輸出電抗器 L 2 濾波提供 第 1 期 曾敏 : IGB T 逆

6、變式主電路的仿真研究 等 7 給負(fù)載使用 。其中與 I GB T 、 輸出整流二極管并聯(lián) 的電阻和電容起阻容吸收作用 , 霍爾傳感器 H1 采 樣輸出電流信號(hào)后 ,提供給控制電路進(jìn)行放大 、 比較 來(lái)控制 I GB T 的驅(qū)動(dòng)波形 , 從而控制 I GB T 的開(kāi)關(guān) 工作 。 I GB T 的全稱(chēng)為絕緣柵雙極晶體管 , 它集場(chǎng)效 應(yīng)管 MOSFET 和功率晶體管 GTR 二者的優(yōu)點(diǎn)于 一體 ,具有輸入阻抗高 、 速度快 、 熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng) 電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn) ,同時(shí)還具有通態(tài)電壓低 、 耐壓高和 輸出電流大的優(yōu)點(diǎn) 。在開(kāi)關(guān)電源 、 逆變電源等方面 得到了廣泛的應(yīng)用 。對(duì) I GB T 模型國(guó)內(nèi)外

7、學(xué)者已進(jìn) 2 行了許多的研究 。并得到了一定的研究成果 。 3 在文獻(xiàn) 3 中采用 PSPICE 的多瞬態(tài)分析法來(lái)研究 I GB T 模型 。通過(guò) “組合 I GB T 模型” 的方式來(lái)得到 由 MOSFET 和 GTR 組合而得到的模型 , 可比較精 確的對(duì) I GB T 進(jìn)行仿真 。其仿真模型的等效電路及 模型結(jié)構(gòu)如圖二所示 。在本文中將采用此模型結(jié) 構(gòu)。 2 電路模型的建立與仿真 要得到與實(shí)際相符合的結(jié)果 , 就必須對(duì)電路的 元器件建立合適的數(shù)學(xué)模型 。在 ICAP4. 0 中還沒(méi) 有 I GB T 等器件的模型 ,因此需要對(duì)電路仿真中 I G2 B T 等器件自建模型 。 2. 1 I

8、 GB T 模型的建立 2. 2 主變壓器的模型 (a) I GB T 的等效電路 (b) I GB T 模型結(jié)構(gòu) 圖 2 IGB T 的等效電路及模型結(jié)構(gòu) 在求出主變壓器的模型前 , 首先假設(shè)它滿(mǎn)足如 下條件 : ( 1) 忽略變壓器線圈電阻及磁芯在交變磁場(chǎng)作 圈電阻及變壓器線圈的渦流 、 磁滯損耗 ,同時(shí)還存在 漏磁現(xiàn)象 。因此 , 在理想變壓器的模型中還需增加 漏電感 、 電阻等元件才能得到實(shí)際變壓器的模型如 圖三 ( b) 所示 。圖中 Ri 、 分別為次級(jí)阻抗 ,Li 、 Ro Lo 為初次級(jí)漏抗 ,L m 為變壓器鐵芯損耗 。由于圖 3 ( b) 更能反應(yīng)變壓器的實(shí)際情況 ,因此在

9、仿真中采用 此模型 。 用下的損耗 。 ( 2) 忽略變壓器的漏磁 。 在這兩個(gè)前提條件下可以得出變壓器的理想模 型如圖三 ( a) 所示 , 但是在實(shí)際情況下 , 變壓器有線 (a) 變壓器理想模型 (b) 變壓器實(shí)際模型 圖 3 IGB T 逆變電源主變壓器模型 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 8 昌 航 空 工 業(yè) 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 南 2000 年 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 圖 1 所示主電路別的元件模型在 ICAP4. 0 中 都有現(xiàn)存的模型 , 將所示圖中元件現(xiàn)取相應(yīng)的值代 入

10、( 在本仿真中所取的值都與實(shí)際采用的數(shù)值一 致) 。其中 I GB T 和主變壓器采用上述的模型 。實(shí) 際中 I GB E 采用 FUJ I 的 2MB1100L - 120 模塊 ( 100 A/ 1200 V ) ,變壓器采用鐵氧體磁芯 ( 采用 U96 磁芯 由 4 付組成 ,磁通密度取 0. 1 T) 。對(duì)圖 1 進(jìn)行仿真 , 得到的波形如圖 4 所示 ( 圖中縱坐標(biāo)單位一律為 50 V/ div) 。 從圖 4 可知 ,仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形擬合的很好 , 可見(jiàn)采用的 I GB T 模型和變壓器模型是可行的 , 可 以很好地描述其實(shí)際工作狀況 。圖 4 ( c ) 中是對(duì)負(fù) 載狀況下的電

11、路仿真 , 當(dāng)有負(fù)載的情況下可以看見(jiàn) 輸出電壓波形的脈寬是收縮的 , 不同的負(fù)載狀況其 脈寬收縮程度不同 ,負(fù)載重則脈寬寬 ,負(fù)載輕則脈寬 窄 ,與實(shí)際脈寬調(diào)制電路相吻合 。圖 4 ( d) 為負(fù)載狀 況下的輸出電壓波形 , 可見(jiàn)輸出電壓波形為一有紋 波的電壓 ,這與實(shí)際情況也是相吻合的 ,由于逆變電 路中的輸出電抗值一般為 100 200 uH , 電感值比 較小 ,不能將輸出整流電路整流后的電壓完全濾平 , 輸出為一紋波電壓 。進(jìn)一步的仿真實(shí)驗(yàn)還表明 , 對(duì) 于相同的吸收電路形式 ,其吸收參數(shù) R 、 的取值不 C 同 ,對(duì)電路輸出波形的影響比較小 。 圖 4 IGB T 主電路仿真波形與

12、實(shí)測(cè)波形 4 結(jié)論 通過(guò)對(duì) I GB T 逆變電路的仿真及分析 , 可得到 以下一些結(jié)果 : ( 1) 采用等效電路的方式來(lái)描述 I GB T 、 主變壓 器的數(shù)學(xué)模型在電路仿真中是可行的 。說(shuō)明在電路 仿真中很主要的工作是取得合適的器件模型 。 ( 2) 電路仿真結(jié)果與實(shí)際情況很符合 ,可以很好 地描述全橋 I GB T 逆變主電路的工作過(guò)程 。進(jìn)一步 的分析其參數(shù)對(duì)電路工作過(guò)程的影響 , 對(duì)實(shí)際工作 ( 下轉(zhuǎn)第 12 頁(yè)) 起指導(dǎo)作用 。 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 12 昌

13、 航 空 工 業(yè) 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 南 2000 年 膜光纖在各個(gè)頻率段的調(diào)制相移量關(guān)系 , 以尋求一 較佳的電壓材料鍍膜光纖相位調(diào)制器 。除了對(duì)常規(guī) 的玻璃光纖進(jìn)行鍍膜實(shí)驗(yàn)外 , 目前我們正在對(duì)聚合 物光纖進(jìn)行探索 。 參考文獻(xiàn) A. P. Goutzoulis and D. R. Pape ,Design and Fabrication of Acousto2 1 參考文獻(xiàn) 高文煥 , 汪蕙編著 , 模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì) PSPICE 1 程序應(yīng)用 ,清華大學(xué)出版社 ,1999 ; little influence on t he circuit . ment of t he opti

14、cal fiber acousto2optic phase modulator is given. optic devices. Marcel Dekker ,New York ,1994 ; tical fiber using ZnO coating is firstly presented. Then ,t he basic t heory of piezoelectric resonator of t his geometry is analyzed and also t he T2network of troduces t he principle of t he I GB T bri

15、dge main circuit and t he mat hematics model of I GB T and main transformer ,t he emulational study of t he bridge electrical equivalent circuit for t he optical fiber coated wit h piezoelectric ZnO been deduced. Finally ,t he experimental setup for optical phase measure2 ( 上接第 8 頁(yè)) 可優(yōu)化電路參數(shù) ,節(jié)約設(shè)計(jì)成本

16、,提高工作效率 。 main circuit is introduced also . The experiment results show t hat t he emulational wave is in accord wit h t he practical wave and t he absorb parameter has Abstract :This paper discusses an optical fiber coated wit h pieaoelectric AnO. ,t he optical fiber acousto2optic phase modulator.

17、The geometry of op2 Abstract :Through t he study on t he I GB T inverter main circuit ,t his paper analyses t he prospect of using t he CAD technology on circuit design. In2 Key words :Circuit desigh ; I GB T inverter ;Model ; Emulation. Keywords :Optical fiber ; Phase modulator ;acousto2optic reson

18、ator ,ZnO coating. ( 3) 電路仿真技術(shù)在電路設(shè)計(jì)中有重要的作用 , 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Research on Optical f iber Acousto2Optic Phase Modulator ZHou Li (Dept . of Electronical Engineering ,Nanchang Institute of aeronautical Technology ,Nanchang ,P. R. Chian 330034) Xiao

19、gang Li G. D. Peng ( University of New Soat h wales ,Sydney ,2052 Australia) The Emulational Study of IGBT Inverter Main Circuit Zeng Min Xue Jiaxiang Huang Shisheng uo Weihong Fang Ping L (Dept . of Mechatronic Engineering ,Sout h China University of Technology ,P. R. China 510640) B. Y. Kim ,J . N. Blake , H. E. Engan , and H. J . Shaw , All2fiber a2 2 W. P. Mason , Electromechanical Transducers and Waves Fi