电压源型单相全桥逆变电路的设计项目新版说明书.docx

电压源型单相全桥逆变电路设计摘 要电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上新兴学科。因它本身是大功率电技术，又大多是为应用强电工业服务，故常将它归属于电工类。电力电子技术内容关键包含电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基础材料，最常见材料为单晶硅；它理论基础为半导体物理学；它工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学技术。电力电子电路吸收了电子学理论基础，依据器件特点和电能转换要求，又开发出很多电能转换电路。这些电路中还包含多种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，依据应用对象不一样，组成了多种用途整机，称为电力电子装置。这些装置常和负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。此次课程设计题目是IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计（阻感负载），依据电力电子技术相关知识，单相桥式逆变电路是一个常见逆变电路，和整流电路相比较，把直流电变成交流电电路成为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变.逆变电路在现实生活中有很广泛应用。在已经有多种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等全部是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。关键词： 单相，电压型，逆变 目 录摘 要1.工作原理11. 1 IGBT的简述1(1.1.1)IGBT模块的选择1)1.1.2使用中注意事项2)1.1.3 IGBT的特性和参数特点21.1.4、功率二极管的参数21.2逆变电路的基本工作原理31.3电压型逆变电路的特点及主要类型31.4 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析32.软件简介62.1介绍62.2应用领域62.3应用优势62.4电路结构63.电路总体设计73.1总体电路图73.2确定各器件参数，设计电路部分原理图74 . 触发电路的设计105. 工作过程及参数设定115.1 180调压115.1.1 工作过程115.1.2 参数设定115.2 移相调压135.2.1 工作过程135.2.2 参数设定135.3仿真波形分析156.心得体会16参 考 文 献171.工作原理1. 1 IGBT简述绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文简写为IGBT。它是一个经典全控器件。它综合了GTR和MOSFET优点，所以含有良好特征。现已成为中、大功率电力电子设备主导器件。IGBT是三端器件，含有栅极G、集电极C和发射极E。它能够看成是一个晶体管基极经过电阻和MOSFET相连接所组成一个器件。其等效电路和电气符号以下： 图1-1 IGBT等效电路和电气图形符号它开通和关断是由栅极和发射极间电压所决定。当UGE为正且大于开启电压UGE时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。因为前面提到电导调制效应，使得电阻减小，这么高耐压IGBT也含有很小通态压降。当山脊和发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内沟道消失，晶体管主动电流被切断，使得IGBT关断。(1.1.1)IGBT模块选择 IGBT模块电压规格和所使用装置输入电源电压紧密相关。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生额定损耗也会变大。同时，开关损耗增大，使原件发烧加剧，所以，选择IGBT模块时额定电流应大于负载电流。尤其是用作高频开关时，因为开关损耗增大，发烧加剧，选择时应该降等使用。 p)1.1.2使用中注意事项 因为IGBT模块为MOSFET结构，IGBT栅极经过一层氧化膜和发射极实现电隔离。因为此氧化膜很薄，其击穿电压通常达成2030V。所以因静电而造成栅极击穿是IGBT失效常见原因之一。所以使用中要注意以下几点： 在使用模块时，尽可能不要用手触摸驱动端子部分，当必需要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽可能在底板良好接地情况下操作。 在应用中有时即使确保了栅极驱动电压没有超出栅极最大额定电压，但栅极连线寄生电感和栅极和集电极间电容耦合，也会产生使氧化层损坏振荡电压。为此，通常采取双绞线来传送驱动信号，以降低寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也能够抑制振荡电压。 另外，在栅极发射极间开路时，若在集电极和发射极间加上电压，则伴随集电极电位改变，因为集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，假如集电极和发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发烧及至损坏。 在使用IGBT场所，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为预防这类故障，应在栅极和发射极之间串接一只10K左右电阻。 在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块和散热片接触面状态和拧紧程度。为了降低接触热阻，最好在散热器和IGBT模块间涂抹导热硅脂。通常散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将造成IGBT模块发烧，而发生故障。所以对散热风扇应定时进行检验，通常在散热片上靠近IGBT模块地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。 ()1.1.3 IGBT特征和参数特点 （1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR1/10，和电力MOSFET相当 。（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且含有耐脉冲电流冲击能力 。（3）通态压降比VDMOSFET低，尤其是在电流较大区域。（4）输入阻抗高，输入特征和MOSFET类似 。（5）和MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还能够深入提升，同时保持开关频率高特点 1.1.4、功率二极管参数 （1）正向平均电流（FI）：指功率二极管长久运行时，在指定壳温和耗散条件下，其许可流过最大工频正弦半波电流平均值。 （2）稳态平均电压（FU）:在指定温度下，流过某一指定稳态正向电流时对应正向压降。 （3）反向反复峰值电压（RRMU）：对功率二极管所能反复施加反向最高峰值电压，使用时，应该留有两倍裕量。 1.2逆变电路基础工作原理桥式逆变电路开关状态由加于其控制极电压信号决定，桥式电路PN端加入直流电压Ud，A、B端接向负载。当T1、T4打开而T2、T3关合时，u0=Ud;相反,当T1、T4关合而T2、T3打开时，u0=-Ud。于是当桥中各臂以频率 f（由控制极电压信号反复频率决定）轮番通断时，输出电压u0将成为交变方波，其幅值为Ud。反复频率为f图2所表示，其基波可表示为把幅值为Ud矩形波uo展开成傅立叶级数得：Uo=4Ud/ （sinwt+1/3 sin3wt+1/5 sin5wt+.）由式可见,控制信号频率f能够决定输出端频率，改变直流电源电压Ud能够改变基波幅值，从而实现逆变目标。1.3电压型逆变电路特点及关键类型依据直流侧电源性质不一样可分为两种：直流侧是电压源称为电压型逆变电路；直流侧是电流源则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基础无脉动，直流回路展现低阻抗。（2）因为直流电压源钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，而且和负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗情况不一样而不一样。（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功效量作用。为了给交流侧向直流侧反馈无功效量提供通道，逆变桥各臂全部并联了反馈二极管。又称为续流二极管。逆变电路分为三相和单相两大类：其中，单相逆变电路关键采取桥式接法。关键有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。1.4 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析单相逆变电路关键采取桥式接法。它电路结构关键由四个桥臂组成，其中每个桥臂全部有一个全控器件IGBT和一个反向并接续流二极管，在直流侧并联有大电容而负载接在桥臂之间。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。能够看成由两个半桥电路组合而成。其基础电路连接图以下所：图1-2 电压型全桥无源逆变电路电路图因为采取绝缘栅晶体管（IGBT）来设计,图2-2单相桥式电压型无源逆变电路，此课程设计为阻感负载，故应将RLC负载中电容值设为零。此电路由两对桥臂组成，V1和V4和V2和V3两对桥臂各导通180度。再加上采取了移相调压法，所以VT3基极信号落后于VT190度，VT4基极信号落后于VT290度。V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图2-3-b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。在阻感负载时，还能够采取移相方法来调整逆变电路输出电压，这种方法称为移相调压。移相调压实际上就是调整输出电压脉冲宽度。在单相桥式逆变电路中，个IGBT栅极信号仍为180度正偏，180度反偏，而且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补，但V3基极信号不是比V1落后180度，而是只落后（0180).也就是说，V3、V4栅极信号不是分别和V2、V1栅极信号同相位，而是前移了180-。这么，输出电压u0就不再是正负各180度脉冲，而是正负各为脉冲，因为输入为DC100V，输出幅值也是100V，=90，则输出电压有效值为50V。各IGBT栅极信号uG1uG4及输出电压u0、输出电流i0波形以下图所表示。 图1-3 图所表示2.软件介绍2.1介绍PSIM是趋向于电力电子领域和电机控制领域仿真应用包软件。PSIM全称Power Simulation。PSIM是由SIMCAD 和SIMVIEM两个软件来组成。PSIM含有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功效，为电力电子电路解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力仿真环境。2.2应用领域PSIM含有强大仿真引擎，PSIM高效算法克服了其它多数仿真软件收敛失败、仿真时间长问题，所以应用范围广泛。比如，电力电子电路解析，控制系统设计，电机驱动研究，和其它企业仿真器连接等。2.3应用优势 1.用户界面友好，轻易掌握，能够加深工程师对电路和系统原理及工作状态了解?大大加速电路设计和试验过程。2.运行效率十分高。3.输出数据格式兼容性十分好。2.4电路结构 一个电路在PSIM 里表现为4 个部分：电力电路、控制电路、传感器和开关控制器。3.电路总体设计3.1总体电路图图3-1 总体电路图3.2确定各器件参数，设计电路部分原理图设计条件：1.电源电压：直流Ud=100V2.输出功率：300W3.输出电压波行2KHz方波，脉宽=904.设定为阻感负载计算内容： T=1/f=1/=0.0005s 因为V3基波信号比V1落后了90（即1/4个周期）。则有： t3=0.0005/4=0.000125s，t1=0s t2=0.0005/2=0.00025s，t4=0.000375s 100*/180=100V*90/180=50V（输出电压） 100V*X/0.0005s=50V 得：X=0.00025s设在t1=0.00025s时刻前V1和V4导通，输出电压u0为Ud=100V,t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中电流i0不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2时候V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3组成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，u0仍为-Ud。t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，而V4不能立即导通，VD4导通续流，u0再次为零。以后过程和前面类似。这么，输出电压u0正负脉冲宽度就各为=90。有效电压：U。=U/2=100/2=50VR=Ud2/P = 25/3=8.33输出电流有效值：Io=P/Uo=6A则可得电流幅值为：Imax=12A，Imin=-12A电压幅值为：Umax=100V,Umin=-100V晶闸管额定值计算，电流有效值：Ivt=Imax/4=3A。额定电流In额定值：In=（1.5-2）*3=（4.5-6）A。最大反向电压：Uvt=100V则额定电压:Un=（23）*100V=（200-300）V输出电压定量分析： uo成傅里叶级数： 基波幅值： 基波有效值：所以，IGBT承受最大反向电压： UFM=(23)Ud =(200300)V ,所以选择电压为200VIGBT.阻抗值确实定：f=Hz=2f=2*3.14*=12560L/R=tan= 可知：L=0.0073H。电源端恒压电容C1值为20nf。图3-2电源参数设定4 . 触发电路设计IGBT晶体管触发电路作用是产生符合要求触发脉冲，确保晶体管在需要时刻由阻断转为导通。晶体管触发电路往往包含：对其触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲放大和输出电路。该主电路对触发电路要求有以下几点：1）触发脉冲必需有足够功率，确保在许可工作温度范围内，对全部合格元件全部可靠触发。2）触发脉冲应有足够宽度。3）触发脉冲相位应能够依据控制信号要求在要求范围内移动。4）触发脉冲和主电路电源电压必需同时。5. 工作过程及参数设定5.1 180调压5.1.1 工作过程把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成正确两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度。具体是：V1和VD4导通V1和V4导通VD2和VD3导通V3和V4导通。5.1.2 参数设定图5-1电源参数设定图5-2 VT1触发电平参数设置图5-3 VT2触发电平参数设置图5-4 VT3触发电平参数设置图5-5 VT4触发电平参数设置图5-6 输出电流电压波形5.2 移相调压5.2.1 工作过程移相调压IGBT单相电压型全桥无源逆变电路共有4个桥臂，能够看成两个半桥电路组合而成，采取移相调压方法后，输出交流电压有效值即可经过改变直流电压Ud来实现，也可经过改变来调整输出电压脉冲宽度来改变其有效值。 因为MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，故可将电容直接去掉。又因为在纯电阻负载中，VD1VD4不再导通，不起续流作用，古可将起续流作用4个二极管也去掉，对结果没有影响。 相比于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路克服了半桥逆变电路输出交流电压幅值仅为1/2Ud缺点，且不需要有两个电容串联，就不需要控制电容电压均衡，所以可用于相对较大功率逆变电路5.2.2 参数设定图5-7 VT1触发电平参数设置图5-8 VT2触发电平参数设置图5-9 VT3触发电平参数设置图5-10 VT4触发电平参数设置图5-11 输出电流电压波形5.3仿真波形分析 在接电阻负载时，采取移相方法来调整逆变电路输出电压。移相调压实际上就是调整输出电压脉冲宽度。经过对4.1.1触发脉冲控制得到图4.12和4.13波形图，4.12波形为输出电流电压波形，因为没有电感负载，在波形图中可看出，一个周期内两个半个周期输出电压值大小 相等，幅值正负相反，则输出平均电压为0。 VT1电压波形和VT2互补，VT3电压波形和VT4互补，但VT3基极信号不是比VT1落后180，而是只落后。即VT3、VT4栅极信号不是分别和VT2、VT1栅极信号同相位，而是前移了90。输出电压就不再是正负各为180脉冲，而是正负各为90脉冲。因为没有电感负载，故电流情形和电压相同。 四 总结 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路共有4个桥臂，能够看成两个半桥电路组合而成，采取移相调压方法后，输出交流电压有效值6.心得体会经过此次课程设计，加深了我对课程电力电子技术理论知识了解，尤其是相关逆变电路方面知识。同时也培养了以下几点能力：第一：提升了自己完成课程设计汇报水平，提升了自己书面表示能力。含有了文件检索能力，尤其是怎样利用Intel网检索需要文件资料。第二：提升了利用所学各门知识处理问题能力，在此次课程设计中，包含到很多学科，包含：电力电子技术、电路原理等，学会了怎样整合自己所学知识去处理实际问题。第三：深刻了解了单相全桥逆变电路原理及应用。经过单相半桥无源逆变电路设计，使我加深了对整流，逆变电路了解，让我对电力电子该课程产生了浓烈爱好。整流电路设计方法多个多样，且依据负载不一样，又能够设计出很多不一样电路。其中单相半桥无源逆变电路设计其负载我们用多关键是电阻型、带大电感型，它们各自有自己优点。对于一个电路设计，首先应该对它理论知识很了解，这么才能设计出性能好电路。整流电路中，开关器件选择和触发电路选择是最关键，开关器件和触发电路选择好，对整流电路性能指标影响很大。要想完成一个电力电子课程设计，要想自己做是不可能，要有团体合作意识，同时，你也要对多种工程软件进行学习，不然无法进行电路仿真。 参 考 文 献【1】李先允主编 电力电子技术 北京：中国电力出版社，【2】佟纯厚主编 电力电子学 南京：东南大学出版社，【3】王兆安，黄俊主编 电力电子技术（第4版） 北京：机械工业出版社，【4】黄俊 王兆安主编 电力电子交流技术（第3版） 北京：机械工业出版社，1994【5】石玉 王文郁主编 电力电子技术题解和电路设计指导 北京：机械工业出版社，【6】洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统MATLAB仿真.机械工业出版社.