电压源型单相全桥逆变电路的设计说明书.docx

电压源型单相全桥逆变电路的设计说明书

26
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

电压源型单相全桥逆变电路的设计
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的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、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本材料，最常见的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的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的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、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，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、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。
本次课程设计的题目是IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计（阻感负载），根据电力电子技术的相关知识，单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路，与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。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的应用。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，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 1
1. 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 2
1.1.4、功率二极管的参数 2
1.2逆变电路的基本工作原理 3
1.3电压型逆变电路的特点及主要类型 3
1.4 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析 3
2.软件简介 6
2.1介绍 6
2.2应用领域 6
2.3应用优势 6
2.4电路结构 6
3.电路总体设计 7
3.1总体电路图 7
3.2确定各器件参数，设计电路部分原理图 7
4 . 触发电路的设计 10
5. 工作过程及参数设定 11
5.1 180调压 11
5.1.1 工作过程 11
5.1.2 参数设定 11
5.2 移相调压 13
5.2.1 工作过程 13
5.2.2 参数设定 13
5.3仿真波形分析 15
6.心得体会 16
参 考 文 献 17

1.工作原理
1. 1 IGBT的简述
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文简写为IGBT。它是一种典型的全控器件。它综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。它能够看成是一个晶体管的基极经过电阻与MOSFET相连接所构成的一种器件。其等效电路和电气符号如下：

图1-1 IGBT等效电路和电气图形符号
它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压所决定的。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。由于前面提到的电导调制效应，使得电阻减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的积极电流被切断，使得IGBT关断。
(1.1.1)IGBT模块的选择
IGBT模块的电压规格与所使用装置的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，所产生的额定损耗也会变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。 p
)1.1.2使用中注意事项
由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极经过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的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； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，一般采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。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，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于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，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。
在使用IGBT的场合，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，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。 在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般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导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的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的特性和参数特点
（1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 。
（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力 。
（3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。
（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 。
（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还能够进一步提高，同时保持开关频率高的特点
1.1.4、功率二极管的参数
（1）正向平均电流（FI）：指功率二极管长期运行时，在指定壳温和耗散条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
（2）稳态平均电压（FU）:在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。
（3）反向重复峰值电压（RRMU）：对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，使用时，应当留有两倍的裕量。
1.2逆变电路的基本工作原理
桥式逆变电路的开关状态由加于其控制极的电压信号决定，桥式电路的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（由控制极电压信号重复频率决定）轮番通断时，输出电压u0将成为交变方波，其幅值为Ud。重复频率为f如图2所示，其基波可表示为把幅值为Ud的矩形波uo展开成傅立叶级数得：Uo=4Ud/π （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，从而实现逆变的目的。

1.3电压型逆变电路的特点及主要类型
根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的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。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，而且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。
（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能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。又称为续流二极管。
逆变电路分为三相和单相两大类：其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：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
单相逆变电路主要采用桥式接法。它的电路结构主要由四个桥臂组成，其中每个桥臂都有一个全控器件IGBT和一个反向并接的续流二极管，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。其基本电路连接图如下所：

图1-2 电压型全桥无源逆变电路的电路图
由于采用绝缘栅晶体管（IGBT）来设计,如图2-2的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负载中电容的值设为零。此电路由两对桥臂组成，V1和V4与V2和V3两对桥臂各导通180度。再加上采用了移相调压法，因此VT3的基极信号落后于VT1的90度，VT4的基极信号落后于VT2的90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，还能够采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在单相桥式逆变电路中，个IGBT的栅极信号仍为180度正偏，180度反偏，而且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补，但V3的基极信号不是比V1落后180度，而是只落后θ（0<θ<180).也就是说，V3、V4的栅极信号不是分别和V2、V1的栅极信号同相位，而是前移了180-θ。这样，输出电压u0就不再是正负各180度的脉冲，而是正负各为θ的脉冲，由于输入为DC100V，输出幅值也是100V，θ=90°，则输出电压有效值为50V。各IGBT的栅极信号uG1～uG4及输出电压u0、输出电流i0的波形如下图所示。

图1-3 θ如图所示

2.软件简介
2.1介绍
PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM全称Power Simulation。PSIM是由SIMCAD 和SIMVIEM两个软件来组成的。
PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。
2.2应用领域
PSIM具有强大的仿真引擎，PSIM高效的算法克服了其它多数仿真软件的收敛失败、仿真时间长的问题，因此应用范围广泛。例如，电力电子电路的解析，控制系统设计，电机驱动研究，和其它公司的仿真器连接等。
2.3应用优势
1.用户界面友好，容易掌握，能够加深工程师对电路与系统的原理及工作状态的理解?大大加速电路的设计和试验过程。
　　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=100V
2.输出功率：300W
3.输出电压波行2KHz方波，脉宽θ=90°
4.设定为阻感负载
计算内容：
T=1/f=1/ =0.0005s
由于V3的基波信号比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*θ/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，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能马上导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，因此输出电压为零。到t2时候V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能马上导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，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不能马上导通，VD4导通续流，u0再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压u0的正负脉冲宽度就各为θ=90°。
有效电压：U。=U/2=100/2=50V
R=Ud2/P = 25/3=8.33Ω
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=（2—3）*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：

因此，IGBT承受的最大反向电压：
UFM=(2～3)×Ud =(200～300)V ,
因此选用电压为200V的IGBT.
阻抗值的确定：
f= Hz
ω=2πf=2*3.14* =12560
ωL/R=tanθ= 可知：L=0.0073H。
电源端恒压电容C1的值为20nf。

图3-2电源参数设定

4 . 触发电路的设计
IGBT晶体管触发电路的作用是产生符合要求的触发脉冲，保证晶体管在需要的时刻由阻断转为导通。晶体管触发电路往往包括：对其触发时刻进行控制的相位控制电路、触发脉冲的放大和输出电路。
该主电路对触发电路的要求有以下几点：
1）触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的工作温度范围内，对所有合格的元件都可靠触发。
2）触发脉冲应有足够的宽度。
3）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。
4）触发脉冲与主电路电源电压必须同步。

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的触发电平参数设置

图5-3 VT2的触发电平参数设置

图5-4 VT3的触发电平参数设置

图5-5 VT4的触发电平参数设置

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，采用移相调压方式后，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θ来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值。 由于MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，故可将电容直接去掉。又由于在纯电阻负载中，VD1—VD4不再导通，不起续流作用，古可将起续流作用的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的缺点，且不需要有两个电容串联，就不需要控制电容电压的均衡，因此可用于相对较大功率的逆变电路
5.2.2 参数设定

图5-7 VT1的触发电平参数设置

图5-8 VT2的触发电平参数设置

图5-9 VT3的触发电平参数设置

图5-10 VT4的触发电平参数设置

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，采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。经过对4.1.1触发脉冲的控制得到如图4.12和4.13的波形图，4.12波形为输出电流电压的波形，由于没有电感负载，在波形图中可看出，一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小 相等，幅值的正负相反，则输出平均电压为0。 VT1电压波形和VT2的互补，VT3电压波形和VT4的互补，但VT3的基极信号不是比VT1落后180°，而是只落后θ。即VT3、VT4的栅极信号不是分别和VT2、VT1的栅极信号同相位，而是前移了90°。输出的电压就不再是正负各为180°的的脉冲，而是正负各为90°的脉冲。由于没有电感负载，故电流情形与电压相同。 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，采用移相调压方式后，输出交流电压有效值

6.心得体会
经过本次课程设计，加深了我对课程《电力电子技术》理论知识的理解，特别是有关逆变电路方面的知识。同时也培养了以下几点能力：
第一：提高了自己完成课程设计报告水平，提高了自己的书面表示能力。具备了文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。
第二：提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课程设计中，涉及到很多学科，包括：电力电子技术、电路原理等，学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。
第三：深刻理解了单相全桥逆变电路的原理及应用。
经过单相半桥无源逆变电路设计，使我加深了对整流，逆变电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又能够设计出很多不同的电路。其中单相半桥无源逆变电路设计其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，它们各自有自己的优点。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。要想完成一个电力电子课程设计，要想自己做是不可能的，要有团队合作意识，同时，你也要对各种工程软件进行学习，不然无法进行电路的仿真。

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 电力电子技术题解与电路设计指导 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的MATLAB仿真.机械工业出版社.