電力電子課程設計_IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路(阻感負載)

1、1 引言本次課程設計的題目是IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路設計（阻感負載），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，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。當交流側接在電網(wǎng)上，稱為有源逆變；當交流側直接和負載相接時，稱為無源逆變，逆變電路在現(xiàn)實生活中有很廣泛的應用。2 工作原理概論2. 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，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。IGBT是三端器件

2、，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相連接所構成的一種器件。其等效電路和電氣符號如下： 圖2-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號它的開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓所決定的。當UGE為正且大于開啟電壓UGE時，MOSFET內形成溝道，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制效應，使得電阻減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當山脊與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的積極電流被切斷，使得IGBT關斷。2.2 電壓型逆變電路的特點及主要類型根據(jù)直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側

3、是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側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：直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻抗的情況不同而不同。當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側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。而三相電壓型逆變電路則

4、是由三個單相逆變電路組成。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。它的電路結構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，在直流側并聯(lián)有大電容而負載接在橋臂之間。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對?？梢钥闯捎蓛蓚€半橋電路組合而成。其基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（IGBT）來設計,如圖2-2的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設計為阻感負載，故應將RLC負載中電容的值設為零。此電路由兩對橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對橋臂各導通180度。再加上采用了移相調

5、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。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負載而異，感性負載時，圖2-3-b，V1或V2通時，io和uo同方向，直流側向負載提供能量，VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側反饋，VD1、VD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。在阻感負載時，還可以采用移相的方式來調節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調壓。移相調壓實際上就是調節(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V1和V

6、2的柵極信號互補，V3和V4的柵極信號互補，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就不再是正負各180度的脈沖，而是正負各為的脈沖，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2-3 如圖所示3 系統(tǒng)總體方案3.1.確定各器件參數(shù)，設計電路原理圖設計條件：1.電源電壓：直流Ud=100V2.輸出功率：300W3.輸出電壓

7、波行1KHz方波，脈寬=90°4.阻感負載計算內容： T=1/f=1/1000=0.001s 由于V3的基波信號比V1落后了90°（即1/4個周期）。則有： t3=0.001/4=0.00025s，t1=0s t2=0.001/2=0.0005s，t4=0.00075s 100*/180°=100V*90°/180°=50V（輸出電壓） 100V*X/0.001s=50V 得：X=0.0005s設在t1=0.0005s時刻前V1和V4導通，輸出電壓u0為Ud=100V,t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負載電感中的電流i0不能突變，

8、V3不能立刻導通，VD3導通續(xù)流。因為V1和VD3同時導通，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不能立刻導通，VD2導通續(xù)流，和VD3構成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導通，u0仍為-Ud。t3時刻V3和V4柵極信號再次反向，V3截止，而V4不能立刻導通，VD4導通續(xù)流，u0再次為零。以后的過程和前面類似。這樣，輸出電壓u0的正負脈沖寬度就各為=90°。改變，就可以調節(jié)輸出電壓。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

9、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=1000Hz=2f=2*3.14*1000=6280L/R=tan= 可知

10、：L=0.0046H。電源端恒壓電容C1的值為100nf。4 觸發(fā)電路的設計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為導通。晶體管觸發(fā)電路往往包括：對其觸發(fā)時刻進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：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，對所有合格的元件都可靠觸發(fā)。2）觸發(fā)脈沖應有足夠的寬度。3）觸發(fā)脈沖的相位應能夠根據(jù)控制信號的要求在規(guī)定的范圍內移動。4）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步。如下圖所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅動電路要求采用正、負偏壓的兩電源

11、方式，輸入信號經(jīng)整形器整形后進入放大級，放大級采用有源負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)絡組成的阻尼濾波器。此種驅動電路適用于小容量的IGBT。圖4-1 有正負偏壓的直接驅動電路5 主電路設計及參數(shù)選擇51 電路仿真圖在本次設計中，主要采用單相全橋式無源逆變電路(阻感負載)作為設計的主電路。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（阻感負載）的主電路圖5-2 VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設置圖5-3 VT2的脈沖信號圖5-4 V

12、T3的脈沖信號 圖5-5 VT4的脈沖信號 圖56 阻感負載圖5-7 電源電壓、輸出電壓波形圖 圖5-8 輸入電流Id的波形圖5-9用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、控制信號、負載電壓的波形圖說明：如圖所示，分別為負載電壓、電源電壓、控制信號的波形圖。打開新建模型窗口，將所需元件模塊從模塊庫中拖入新建模型窗口并改名，設定有關參數(shù)后將各模塊庫連接組成仿真模型，如下圖5-9所示，設置好各模塊參數(shù)，點擊下拉菜單仿真（Simulation）按鈕，仿真參數(shù)(Simulation Parameters)命令設定有關仿真參數(shù)，設定停止時間(Stop Time)為0.1秒，仿真算法選擇可變步長(Variable

13、-step)積分算法函數(shù)其，他參數(shù)用默認值。然后點擊啟動仿真按鈕，則開始仿真，雙擊顯示模塊（scope）就能顯示其信號波形。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 心得體會通過本次課程設計，加深了我對課程電力電子技術理論知識的理解，特別是有關逆變電路方面的知識。同時也培養(yǎng)了以下幾點能力：第一：提高了自己完成課程設計報告水平，提高了自己的書面表達能力。具備了文獻檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻資料。第二：提高了運用所學的各門知識解決問題的能力，在本次課程設計中，涉及到很多學科，包括：電力電子技術、電路原理等，學會了如何整合自己所學的知識去解決實際問題。第三：深刻理解了單相全橋逆變電路的原理及應用。參 考 文 獻【1】李先允主編 電力電子技術 北京：中國電力出版社，2006【2】佟純厚主編 電力電子學 南京：東南大學出版社，2000【3】王兆安，黃俊主編 電力電子技術（第4版） 北京：機械工業(yè)出版社，2004【4】黃俊 王兆安主編 電力電子交流技術（第3版） 北京：機械工業(yè)出版社，1994【5】石玉 王文郁主編 電力電子技術題解與電路設計指導 北京：機械工業(yè)出