1、电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 1 页 共 14 页1 引言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。2 工作原理概论2. 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
2、，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。它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与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 2-1 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 导电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 2 页 共 14 页通。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
3、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。2.2 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：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。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，并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。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
4、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。2.3 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。可以看成由两个半桥电路组合而成。其基本电路连接图如下所：电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 3 页 共
5、14 页图 2-2 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，所以 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。u o为矩形波，幅值为Um=Ud/2，i o波形随负载而异，感性负载时，图 2-3-b，V 1或 V2通时，i o和 uo同方向，直流侧向负载提供能
6、量，VD 1或 VD2通时，i o和 uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD 1、VD 2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，还可以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，并且 V1 和 V2 的栅极信号互补，V 3 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 （0180).也就是说，V 3、V 4 的栅极信号不是分别和 V2、V 1 的栅极信号同相位，而是前移了 180-。这
7、样，输出电压 u0 就不再是正负各 180 度的脉冲，而是正负各为 的脉冲，由于输入为 DC100V，输出幅值也是100V，=90，则输出电压有效值为 50V。各 IGBT 的栅极信号 uG1u G4 及输出电压 u0、输出电流 i0 的波形如下图所示。电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 4 页 共 14 页图 2-3 如图所示3 系统总体方案3.1.确定各器件参数，设计电路原理图设计条件：1.电源电压：直流 Ud=100V2.输出功率：300W3.输出电压波行 1KHz 方波，脉宽 =904.阻感负载计算内容：T=1/f=1/1000=0.001s由于 V3 的基波信号比 V1 落
8、后了 90（即 1/4 个周期） 。则有：t3=0.001/4=0.00025s，t1=0st2=0.001/2=0.0005s，t4=0.00075s100*/180=100V*90/180=50V（输出电压） 100V*X/0.001s=50V 得：X=0.0005s设在 t1=0.0005s 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，V 4截止，而因负载电感中的电流 i0不能突变，V 3不能立刻导通，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栅电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第
9、 5 页 共 14 页极信号反向，V 1截止，而 V2不能立刻导通，VD 2导通续流，和 VD3构成电流通道，输出电压为-U d。到负载电流过零并开始反向时，VD 2和 VD3截止，V 2和 V3开始导通，u 0仍为-U d。t 3时刻 V3和 V4栅极信号再次反向，V 3截止，而 V4不能立刻导通，VD4导通续流，u 0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 =90。改变 ，就可以调节输出电压。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=-1
10、2A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：tttUu5sin13siin4doddo1m27.4电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 6 页 共 14 页基波有效值：所以，IGBT 承受的最大反向电压： UFM=(23)U d =(200300)V ,因此选用电压为 200V 的 IGB
11、T.阻抗值的确定：f=1000Hz=2f=2*3.14*1000=6280L/R=tan= 可知：L=0.0046H。3电源端恒压电容 C1 的值为 100nf。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
12、必须同步。如下图所示，为了使 IGBT 稳定工作，一般要求双电源供电方式，即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式，输入信号经整形器整形后进入放大级，放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。为消除可能出现的振荡现象，IGBT的栅射极间接入了 RC 网络组成的阻尼滤波器。此种驱动电路适用于小容量的IGBT。dd1o9.02U电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 7 页 共 14 页整形器+ V c- V cV0R0C1C2RI G B TVSC图 4-1 有 正 负 偏 压 的 直 接 驱 动 电 路5 主电路设计及参数选择51 电路仿真图在本次设计中，主要采用单相全桥式无源逆变电路
13、(阻感负载)作为设计的主电路。由于软件上的电源等器件都是理想器件，故可将直流侧并联的大电容直接去掉。由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如图 5-1 所示：图 5-1 单相电压型全桥无源逆变电路（阻感负载）的主电路电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 8 页 共 14 页图 5-2 VT1 的触发电平参数设置图 5-3 VT2 的脉冲信号电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 9 页 共 14 页图 5-4 VT3 的脉冲信号图 5-5 VT4 的脉冲信号电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 10 页 共 14 页图 56 阻感负载图 5-7 电源电压、输出电压波形
14、图 电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 11 页 共 14 页图 5-8 输入电流 Id 的波形图 5-9 用示波器模块观察和记录电源电压、控制信号、负载电压的波形图说明：如图所示，分别为负载电压、电源电压、控制信号的波形图。打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型，如下图 5-9 所示，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真（Simulation）按钮，仿真参数 (Simulation Parameters)命令设定有关仿真参数，设定停止时间(Stop Time)为 0.1 秒，仿真算法选择可变步长 (Variable-
15、step)积分算法函数其，他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示模块（scope）就能显示其信号波形。电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 12 页 共 14 页图 5-10 触发电压 波形图说明：从 上 到 下 依 次 为 VT1,VT2,VT3,VT4 的 触 发 电 压 ， 幅 值 为 5V。6 心得体会通过本次课程设计，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达能力。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
16、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。电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 13 页 共 14 页参 考 文 献【1】李先允主编 电力电子技术 北京：中国电力出版社，2006【2】佟纯厚主编 电力电子学 南京：东南大学出版社，2000【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，2004【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，2000【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.2006电 子 技 术 课 程 设 计 说 明 书第 14 页 共 14 页致 谢对本次课题的初步了解是在电力电子课堂上，在此，真心感谢高丽珍老师，在此课程设计期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。
