電力電子課程設(shè)計(jì)IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路

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)，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(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?，F(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

2、、集電極C和發(fā)射極E。它可以看成是一個(gè)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 IGBT等效電路和電氣圖形符號它的開通和關(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(shí)，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(shí)，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。2.2 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)是電壓源的稱為電壓

3、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)：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(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因?yàn)樨?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)想直流側(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。而三相電壓型逆變電路則是由三個(gè)單相逆變

4、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，橋臂2，3為一對。可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。其基本電路連接圖如下所示：圖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的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設(shè)計(jì)為電阻負(fù)載，故應(yīng)將RLC負(fù)載中電感、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。再加上采用了移相調(diào)壓法，所以VT3

5、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。因?yàn)槭请娮柝?fù)載，故晶體管均沒有續(xù)流作用。輸出電壓和電流的波形相同，均為90度正值、90度零、90度負(fù)值、90度零 這樣一直循環(huán)下去。3 主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇3.1 主電路仿真圖在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相全橋式無源逆變電路(電阻負(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下所示：單相電壓型全橋無源逆變電路（電阻負(fù)載）的主電路3.2參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算參數(shù)設(shè)置電阻負(fù)載，直流側(cè)輸入電壓=100V, 脈寬為=90°的方波，輸出功率為30

6、0W，電容和電感都設(shè)置為理想零狀態(tài)。頻率為1000Hz3.2.2計(jì)算由頻率為1000Hz即可得出周期為T=0.001s，由于V3的基波信號比V1的落后了90度（即相當(dāng)1/4個(gè)周期）。通過換算得：t3=0.001/4=0.00025s， 而t1=0s。 同 理 得：t2=0.001/2=0.0005S, 而t4=0.00075S。由理論情況有效值：Uo=Ud/2=50V。又因?yàn)镻=300W 所以有電阻：R=Uo*Uo/P=8.333 則輸出電流有效值：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

7、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）V3.2.3設(shè)置主電路根據(jù)以上計(jì)算的各參數(shù)即可正確設(shè)置主電路圖如下，進(jìn)而仿真出波形圖。 VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置 VT2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置 VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置 VT4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置 負(fù)載參數(shù)設(shè)置4 仿真電路結(jié)果的分析4.1 仿真電路圖4.1.1 觸發(fā)電平的波形圖從上到下依次為VT1,VT2,VT3,VT4的觸發(fā)電壓，幅值為5V。4.1.2 負(fù)載輸出波形圖 從上到下依次為輸出電流（最大值為12A），輸出電壓

8、波形（最大值為100V）。則所得的波形即是上圖所示的波形。一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)半個(gè)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。同理輸出平均電流也為0。4.1.3 器件IGBT的輸出波形圖 從上到下依次為VT1,VT2,VT3,VT4的輸出電流和電壓波形。VT1電流波形（最大值12A,最小值0A）VT1電壓波形（最大值100V,最小值0V）VT2電流波形（最大值12A,最小值0A）VT2電壓波形（最大值100V,最小值0V）VT3電流波形（最大值12A,最小值0A）VT3電壓波形（最大值100V,最小值0V）VT4電流波形（最大值12A,最小值0A）VT4電壓波形（最大值100V,

9、最小值0V）4.2 仿真波形分析在接電阻負(fù)載時(shí)，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(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)半個(gè)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

10、6;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。5 總結(jié)IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路共有4個(gè)橋臂，可以看成兩個(gè)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(gè)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(gè)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源。參考文獻(xiàn)1王兆安 劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.第五版，2009.51001032黃忠霖 黃京.電力電子技術(shù)MATLAB實(shí)踐. 北京：國防工業(yè)出版社.2009.1. 2462483洪乃剛. 電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.1. 100107目 錄1 引言12 工作原理概論12.1 IGBT的簡述12.2 電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型22.3 IGBT單相電壓