1、 单片机技术课程设计说明书模板IGBT 单相半桥无源逆变电路设计 院 、 部： 电子与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称： 博士 专 业： 自动化 班 级： 完成时间： 2013 年 5 月 20 日 摘 要本次课程设计的题目是 IGBT 单相半桥无源逆变电路设计，同时设计相应的触发电路。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。本次设计中主要由交流电源，整流，滤波和半桥逆变电路四部分构成电路的主电
2、路，驱动电路和驱动电源构成指挥主电路中逆变桥正确工作的控制电路。设计中使用到的绝缘栅双极晶体管（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。本文对使用的 IGBT 单相半桥无源逆变电路进行了波形的仿真和分析。关键词：IGBT;单相半桥；无源逆变ABSTRACTThe course design is the subject of IGBT single-phase half-bridge passive inverte
3、r circuit design, while the design of trigger circuit corresponding. According to the related knowledge of power electronics technology, single-phase bridge inverter circuit is a circuit common, compared with the rectifier circuit, the DC to AC inverter circuit become. When the AC side is connected
4、to the power grid, called active inverter; when the AC side directly and load connected, called passive inverter, the inverter circuit is widely applied in real life.This design is mainly composed of AC power, rectifier, filter and half-bridge inverter circuit four parts of the main circuit circuit,
5、 driving circuit and power supply control circuit in the main circuit of inverter bridge command work properly. Insulated gate bipolar transistor to use in design (Insulated-gate Bipolar Transistor), the English abbreviation for IGBT. It is a typical control device. It combines the advantages of GTR
6、 and MOSFET, which has a good characteristic. Has now become the leading device, high power electronic equipment. This paper analyzed and simulated waveforms of IGBT single-phase half-bridge inverter circuit using passive.Keywords:IGBT; single-phase half-bridge; passive inverter0第 1 章 系统方案设计及原理1.1 系
7、统方案 系统方案如图 1 所示，在电路原理框图中，交流电源、整流、滤波和半桥逆变电路四个部分构成电路的主电路，驱动电源和驱动电路两部分构成指挥主电路中逆变桥正确工作的控制电路。其中，交流电源、整流、滤波三个部分的功能分别由交流变压器、全桥整流模块和两个串联的电解电容实现;半桥逆变电路由半桥逆变和缓冲电路构成; 而驱动电源和驱动电路则需要根据实际电路的要求进行搭建。图 1 电路原理图1.2 系统工作原理1.2.1 逆变电路的基本工作原理以图 2 的单相桥式逆变电路说明逆变电路最基本的工作原理。图 2 中S1S4 是桥式电路的 4 个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S1、S4 闭合，
8、S2、S3 断开时，负载电压 U0 为正；当开关 S1、S4 断开，S2、S3闭合时，U0 为负。这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。图 2 逆变电路原理图交流电源 整流滤 波IGBT半桥逆变电 路驱动电路驱动电源11.2.2 单相半桥阻感负载逆变电路图 3 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形在一个周期内，电力晶体管 T1 和 T2 的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。 若负载为阻感负载， t2 时刻以前， T1 有驱动信号导通，T2 截止， U0 =Ud/2。t2 时刻关断的 T1，同时给 T2 发出导通信号。由于感性负载中的电流 i。不能立
9、即改变方向，于是 D2 导通续流， U0=-Ud/2。 T3 时刻 i。降至零，D2 截止，T2 导通，i。开始反向增大，此时仍然有 U0=-Ud/2 。 在 t4 时刻关断 T2，同时给 T1 发出导通信号，由于感性负载中的电流 i。不能立即改变方向，D1 先导通续流，此时仍然有 U0=Ud/2 ； t5 时刻 i。降至零， T1 导通， U0=Ud/2 。1.2.3 单相半桥纯电阻负载逆变电路如图 4 所示在一个周期内，电力晶体管 V1 和 V2 的基极信号各有半周正偏，半周反偏且互补。由于是纯电阻负载，当 V1 开通时 V2 关断，则负载两端的电压为：Uo=Ud/2 ；当 V1 关断时
10、V2 开通，则负载两端的电压为：U0=-Ud/2。2RC1V+-U0gT图 4 单相半桥纯电阻负载逆变电路及 IGBT 脉冲波形1.3 IGBT 的结构特点和工作原理1.3.1 IGBT 的结构特点IGBT 是双极型晶体管（BJT）和 MOSFET 的复合器件，IGBT 将 BJT 的电导调制效应引入到 VDMOS 的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有 MOSFET 的栅极高输入阻抗的特点。IGBT 所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。图 5 IGBT 结构图如图 5 所示为一个 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+ 区称
11、为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的 P 型区（包括 P+ 和 P 一区） （沟道在该区域形成） ，称为亚沟道区（Subchannel region） 。而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区（Drain injector） ，它是 IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使 IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电
12、流，3使 IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极 N 一沟道 MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当 MOSFET 的沟道形成后，从 P+ 基极注入到 N 一层的空穴，对 N 一层进行电导调制，减小 N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT 的开通和关断是由门极电压控制的，当门极加正向电压时，门极下方的 P 区中形成电子载流子到点沟道，电子载流子由发射极的 N+区通过导电沟道注入 N-区，即为 IGBT 内部的 PNP 型晶体管提供基极电流，从而使 IGBT 导通。此时，为维持 N-区的电平衡，P+区像 N-区注入空穴载流
13、子，并保持 N-区具有较高的载流子浓度，即对 N-区进行电导调制，减小导通电阻，使得 IGBT 也具有较低的通态压降。若门极上加负电压时，MOSFET 内的沟道消失，PNP 型晶体管的基极电流被切断，IGBT 就关断。图 6 常用 IGBT 的电气符号 图 7 IGBT 的等效电路图 6 为 IGBT 的常用电气符号，IGBT 的等效电路如图 7 所示，由图可知，若在 IGBT 的栅极 G 和发射极 E 之间加上驱动正电压，则 MOSFET 导通，这样PNP 晶体管的集电极 C 与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若 IGBT 的栅极和发射极之间电压为 0V，则 MOS 截止，切断 PNP
14、晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT 与 MOSFET 一样也是电压控制型器件，在它的栅极 G发射极 E 间施加十几 V 的直流电压，只有在 uA 级的漏电流流过，基本上不消耗功率。如果 IGBT 栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则 IGBT 不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极发射极之间的耐压则 IGBT 可能永久性损坏;同样,如果加在 IGBT 集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压,流过IGBT 集电极发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流,IGBT 的结温超过其结温的允许值,IGBT 都可能会永久性损坏。1.3.2 IGBT 对驱动电路的要求 IGBT
15、 的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻 RG 的大小，对 IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、4承受短路能力以及 dVCE/dt 等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表 1 所示：表 1 门极驱动条件与器件特性的关系特性 Vce(on) Ton、Eon toff、Eoff 负载短路能力 电流 dVce/dt +VCE 增大 降低 降低 - 降低 增加 -VCE 减小 - - 略减小 - 减小RC 增大 - 增加 增加 - 减小由于 IGBT 的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将
16、直接影响 IGBT 能否正常工作。为使 IGBT 能可靠工作。IGBT 对其驱动电路提出了以下要求。 1）向 IGBT 提供适当的正向栅压。并且在 IGBT 导通后。栅极驱动电路提供给 IGBT 的驱动电压和电流要有足够的幅度，使 IGBT 的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率 要足以保证 IGBT 不退出饱和区。IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE 越高，VDS 傩就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE 并非越高越好，一般不允许超过 20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅
17、值越高，IGBT 损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V 为宜。 2）能向 IGBT 提供足够的反向栅压。在 IGBT 关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的 IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的 IGBT 加一反向栅压 f 幅值一般为 515 V） ，使 IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。 3）具有栅极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。 4）由于 IGBT 多用于高压场合。要求有足
18、够的输人、输出电隔离能力。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。 5）IGBT 的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有 IGBT 的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。5第 2 章 硬件电路设计与参数计算2.1 系统硬件连接2.1.1 单相半桥无源逆变主电路如图 8 下所示： RC3V1D4FU图 8 单相半桥无源逆变主电路2.2 整流电路设计方案2.2.1 整流变压器的参数运算1）变压器二次侧电压 U2 的计算U2 是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角 加大，功率因数变坏，整流元件的
19、耐压升高，增加了装置的成本。根据设计要求，采用公式：BAUd2.12由表查得 A=2.34；取 =0.9； 角考虑 10裕量，则 B=cos=0.985V1502985.0.9.012 取 U2=140V。电压比 K=U1/U2=220/140=1.57。2 ）一次、二次电流 I1、I2 的计算由 得RUP20d 16.70PUR263A16.750RUI02I0d28.357.1KI1考虑空载电流 取 A482.3051I3）变压器容量的计算； VA421IUS； 80602； A62)(1 ）（2.2.2 整流变压器元件选择1） 整流元件选择二极管承受最大反向电压 ，考虑三倍裕量，197V
20、402UDM则 ，取 600V。该电路整流输出接有大电容，而且负载为594V73UTN纯电阻性负载，所以简化计算得 AIdD3621dd4.取 15A。AIIDAVD 8.1457.02.1)25.()( 故选 ZP-15A 整流二极管 4 只，并配 15A 散热器。2） 滤波电容的选择 滤波电容 一般根据放电时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，0C电容量越大。一般不作严格计算，多取 2000 以上。因该系统负载不大，故F取 =22000F7耐压按 取 250V。，234V156.1.5UDM即选用 2200 、250V 电容器。F3） IGBT 的选择因 ，取 3 倍裕量，选耐压为 1
21、50 以上的 IGBT。由于 IGBTV502Ud0是以最大值标注，且稳定电流与峰值电流间大致为 4 倍关系，故应选用大于 4倍额定负载电流的 IGBT 为宜。为此选用 1MBH50-090 型 IGBT。其续流二极管选择与之配套的快速恢复二极管 EDR60-100。Cl、C2 为 3300uF 电解电容2.2.3 整流电路保护元件的选用1）变压器二次侧熔断器选择由于变压器最大二次电流 ，故选用 10A 熔芯即可满足要求。应选用A6I215A、250V 熔断器。2.3 驱动电路设计方案2.3.1 IGBT 驱动器的基本驱动性能(1)动态驱动能力强，能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉
22、冲。当IGBT 在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较人的损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗会大大超过 IGBT 通态损耗，造成管芯温升较高。这种情况会大大限制 IGBT 的开关频率和输出能力，同时对 IGBT 的安全工作构成很大威胁。IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT 的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使 IGBT 栅源电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也小能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成回路过高
23、的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路中造成干扰。(2)能向 IGBT 提供适当的正向栅乐。IGBT 导通肝的管压降与所加栅源电压有关，在集射电流一定的情况下，Vge 越高，Vce 越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是，Vge 井非越高越好， Vge 过大，负载短路时 Ic 增大，ILBT 能承受短路电流的时间减少，对安全不利，一但发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT 损坏的可能性就越大。因此，8在有短路程的设备中 Vge 应选小些，一般选 1215V。(3)在关断过程中，为尽快抽取 PNP 管中的存储电荷，能向 IGBT 提供足够的反向栅
24、压。考虑到在 IGBT 关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的 IGBT 处于微通状态，增加管了的功耗，重则将使裂变电路处于短路直通状态，因此，最好给应处于截止状态的 IGBT 加一反向栅压(515V)，使 IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。(4)有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，IGBT 与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。另外，许多电路中的 IGBT 的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接藕合。因此驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，也有利于维修调试人员的人身安全。但这种电隔离不应影响
25、驱动信譬的正常传输。(5)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极眼电压一般为20V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6)输入输出信号传输无延时。这小仪能够减少系统响应滞后，而且能提高保护的快速性。(7)人电感负载下，IGBT 的开关时间不能过分短，以限制 didt 所形成的尖峰电压，保证 IGBT 的安全。2.3.2 驱动电路IGBT 的驱动电路如图 9 所示，此 IGBT 门极驱动电路采用了光耦合器使信号电路与门极驱动电路相隔离。当光电耦合器导通时，V 截止，V1 导通，IGBT导通。光电耦合器截止，V 导通，V2 导通，IGBT 截止。图 9 IGBT 驱动电路图92.4
26、 触发电路设计方案控制电路需要实现的功能是产生 PWM 信号，用于可控制电路中主功率器件的通断，通过对占空比 的调节，达到控制输出电压大小的目的。此外，控制电路还具有一定的保护功能。被实验装置的控制电路采用控制芯片 SG3525 为核心组成。芯片的输入电压为 8V 到 35V。它的振荡频率可在 100HZ 到 500KHZ 的范围内调节。在芯片的 CT 端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。此外此外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。图 10 触发电路图第三章 系统仿真3.1 SIMULINK 仿真软件介绍Simulink 是 MATLAB 最 重 要 的
27、 组 件 之 一 ， 它 提 供 一 个 动 态 系 统 建 模 、 仿真 和 综 合 分 析 的 集 成 环 境 。 在 该 环 境 中 ， 无 需 大 量 书 写 程 序 ， 而 只 需 要 通 过简 单 直 观 的 鼠 标 操 作 ， 就 可 构 造 出 复 杂 的 系 统 。 Simulink 具 有 适 应 面 广 、结 构 和 流 程 清 晰 及 仿 真 精 细 、 贴 近 实 际 、 效 率 高 、 灵 活 等 优 点 ， 并 基 于 以 上优 点 Simulink 已 被 广 泛 应 用 于 控 制 理 论 和 数 字 信 号 处 理 的 复 杂 仿 真 和 设 计 。同 时
28、有 大 量 的 第 三 方 软 件 和 硬 件 可 应 用 于 或 被 要 求 应 用 Simulink。103.2 建立仿真模型建立仿真模型的步骤：打开 MATLAB，进入 Simulink 命令窗口建立主电路的仿真模型。 构造控制部分进行参数设置，把电源设置为直流 100V,脉冲信号周期设置为0.02S，脉宽为 50，相位相差 180。 运行程序，打开示波器观察完成波形观测及分析部分。最终完成仿真模型如图 11 所示：图 11 单相半桥无源逆变电路仿真模型图 12 电源参数设置11图 13 驱动脉冲信号参数设置123.3 仿真结果分析将仿真时间设为 0.00s，选择 ode113 的仿真算
29、法，将绝对误差设为 1e-5，运行后可得仿真结果。如图 14 所示自上而下分别为直流输入电压、逆变器输出的负载交流电压、负载电流和 V1、V2 的脉冲波形。交流电压为 50v 的方波电压，周期与驱动信号同为 1kHz。由于选取的参考电压方向为负方向，则 V1 开通 V2 关断时负载电压方向为-50V。图 14 单相半桥无源逆变电路仿真波形13第四章 小结电力电子技术是一门技术基本课程，也是实用性很强的一门课程。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电力电子方面的知识，能够很好的把课堂上所学的知识运用到实际中解决实际问题。虽然在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过自己一次又一次的思考，一遍又
30、一遍的仔细检查终于找出了原因所在，同时也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践是检验真理的唯一标志，只有通过亲自动手制作，找出问题所在才能更好的掌握的理论知识。总结本次设计的工作过程，主要做了下面几点较突出的工作：一、拿到课题后由于知识点比较疏散不知道从何下手，通过查阅大量的相关资料，详细了解了逆变电路的工作原理和 IGBT 的原理及其使用方法，清楚地了解了逆变电路与 IGBT 的优点，明确了研究目标，结合系统的特点按模块化设计各个模块的相关电路结构。二，本文设计的 IGBT 单相半桥无源逆变电路设计（纯电阻负载）输入直流电压：Ud=100V，输出功率：300W，输出电压波形：1KH
31、z 方波。三，文章给出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，各模块的详细介绍，软件流程图和具体汇编语言程序设计。四，在这次课程设计的过程中学会了MATLAB 的基本使用，利用MATLAB仿真感到MATLAB是一个实用性的强的软件。14参考文献1王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.52王兴贵，陈伟，现代电力电子技术（M）, 机械工业出版社 20103黄忠霖、黄京，电力电子技术的 MATLAB 实践，国防工业出版社，20094李维波，MATLAB 在电气工程中的应用，中国电力出版社，20075王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，20016 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，20017 石玉、栗书贤、王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导. 北京：机械工业出版社，1999
