電力電子課程設(shè)計(jì)_IGBT單相電壓型全橋無(wú)源逆變電路(阻感負(fù)載)

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(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)（阻感負(fù)載），根據(jù)電力電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，單相橋式逆變電路是一種常見(jiàn)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(wú)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(jiǎn)述絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文簡(jiǎn)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

2、，具有柵極G、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(guò)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(hào)如下： 圖2-1 IGBT等效電路和電氣圖形符號(hào)它的開(kāi)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(kāi)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(hào)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)

3、是電壓源的稱為電壓型逆變電路；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(wú)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(wú)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(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)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：?jiǎn)蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮蚰孀冸娐?。而三相電壓型逆變電路則

4、是由三個(gè)單相逆變電路組成。2.3 IGBT單相電壓型全橋無(wú)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(duì)，橋臂2，3為一對(duì)?？梢钥闯捎蓛蓚€(gè)半橋電路組合而成。其基本電路連接圖如下所：圖2-2 電壓型全橋無(wú)源逆變電路的電路圖由于采用絕緣柵晶體管（IGBT）來(lái)設(shè)計(jì),如圖2-2的單相橋式電壓型無(wú)源逆變電路，此課程設(shè)計(jì)為阻感負(fù)載，故應(yīng)將RLC負(fù)載中電容的值設(shè)為零。此電路由兩對(duì)橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對(duì)橋臂各導(dǎo)通180度。再加上采用了移相調(diào)

5、壓法，所以VT3的基極信號(hào)落后于VT1的90度，VT4的基極信號(hào)落后于VT2的90度。V1和V2柵極信號(hào)各半周正偏、半周反偏，互補(bǔ)。uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載而異，感性負(fù)載時(shí)，圖2-3-b，V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VD1、VD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。在阻感負(fù)載時(shí)，還可以采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)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。在單相橋式逆變電路中，個(gè)IGBT的柵極信號(hào)仍為180度正偏，180度反偏，并且V1和V

6、2的柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4的柵極信號(hào)互補(bǔ)，但V3的基極信號(hào)不是比V1落后180度，而是只落后（0<<180).也就是說(shuō)，V3、V4的柵極信號(hào)不是分別和V2、V1的柵極信號(hào)同相位，而是前移了180-。這樣，輸出電壓u0就不再是正負(fù)各180度的脈沖，而是正負(fù)各為的脈沖，由于輸入為DC100V，輸出幅值也是100V，=90°，則輸出電壓有效值為50V。各IGBT的柵極信號(hào)uG1uG4及輸出電壓u0、輸出電流i0的波形如下圖所示。 圖2-3 如圖所示3 系統(tǒng)總體方案3.1.確定各器件參數(shù)，設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)條件：1.電源電壓：直流Ud=100V2.輸出功率：300W3.輸出電壓

7、波行1KHz方波，脈寬=90°4.阻感負(fù)載計(jì)算內(nèi)容： T=1/f=1/1000=0.001s 由于V3的基波信號(hào)比V1落后了90°（即1/4個(gè)周期）。則有： t3=0.001/4=0.00025s，t1=0s t2=0.001/2=0.0005s，t4=0.00075s 100*/180°=100V*90°/180°=50V（輸出電壓） 100V*X/0.001s=50V 得：X=0.0005s設(shè)在t1=0.0005s時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓u0為Ud=100V,t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，而因負(fù)載電感中的電流i0不能突變，

8、V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因?yàn)閂1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到t2時(shí)候V1和V2柵極信號(hào)反向，V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負(fù)載電流過(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，u0仍為-Ud。t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向，V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，u0再次為零。以后的過(guò)程和前面類似。這樣，輸出電壓u0的正負(fù)脈沖寬度就各為=90°。改變，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。有效電壓：U。=U/2=100/2=50VR=Ud2/P = 25/3=8.33輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A

9、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）V輸出電壓定量分析： uo成傅里葉級(jí)數(shù)： 基波幅值： 基波有效值：所以，IGBT承受的最大反向電壓： UFM=(23)×Ud =(200300)V ,因此選用電壓為200V的IGBT.阻抗值的確定：f=1000Hz=2f=2*3.14*1000=6280L/R=tan= 可知

10、：L=0.0046H。電源端恒壓電容C1的值為100nf。4 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)IGBT晶體管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的觸發(fā)脈沖，保證晶體管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶體管觸發(fā)電路往往包括：對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出電路。該主電路對(duì)觸發(fā)電路的要求有以下幾點(diǎn)：1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率，保證在允許的工作溫度范圍內(nèi)，對(duì)所有合格的元件都可靠觸發(fā)。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度。3）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號(hào)的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動(dòng)。4）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步。如下圖所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動(dòng)電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源

11、方式，輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí)，放大級(jí)采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動(dòng)電路適用于小容量的IGBT。圖4-1 有正負(fù)偏壓的直接驅(qū)動(dòng)電路5 主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇51 電路仿真圖在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相全橋式無(wú)源逆變電路(阻感負(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圖5-1所示：圖5-1 單相電壓型全橋無(wú)源逆變電路（阻感負(fù)載）的主電路圖5-2 VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5-3 VT2的脈沖信號(hào)圖5-4 V

12、T3的脈沖信號(hào) 圖5-5 VT4的脈沖信號(hào) 圖56 阻感負(fù)載圖5-7 電源電壓、輸出電壓波形圖 圖5-8 輸入電流Id的波形圖5-9用示波器模塊觀察和記錄電源電壓、控制信號(hào)、負(fù)載電壓的波形圖說(shuō)明：如圖所示，分別為負(fù)載電壓、電源電壓、控制信號(hào)的波形圖。打開(kāi)新建模型窗口，將所需元件模塊從模塊庫(kù)中拖入新建模型窗口并改名，設(shè)定有關(guān)參數(shù)后將各模塊庫(kù)連接組成仿真模型，如下圖5-9所示，設(shè)置好各模塊參數(shù)，點(diǎn)擊下拉菜單仿真（Simulation）按鈕，仿真參數(shù)(Simulation Parameters)命令設(shè)定有關(guān)仿真參數(shù)，設(shè)定停止時(shí)間(Stop Time)為0.1秒，仿真算法選擇可變步長(zhǎng)(Variable

13、-step)積分算法函數(shù)其，他參數(shù)用默認(rèn)值。然后點(diǎn)擊啟動(dòng)仿真按鈕，則開(kāi)始仿真，雙擊顯示模塊（scope）就能顯示其信號(hào)波形。圖5-10 觸發(fā)電壓波形圖說(shuō)明：從上到下依次為VT1,VT2,VT3,VT4的觸發(fā)電壓，幅值為5V。6 心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)課程電力電子技術(shù)理論知識(shí)的理解，特別是有關(guān)逆變電路方面的知識(shí)。同時(shí)也培養(yǎng)了以下幾點(diǎn)能力：第一：提高了自己完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告水平，提高了自己的書(shū)面表達(dá)能力。具備了文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資料。第二：提高了運(yùn)用所學(xué)的各門知識(shí)解決問(wèn)題的能力，在本次課程設(shè)計(jì)中，涉及到很多學(xué)科，包括：電力電子技術(shù)、電路原理等，學(xué)會(huì)了如何整合自己所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。第三：深刻理解了單相全橋逆變電路的原理及應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)【1】李先允主編 電力電子技術(shù) 北京：中國(guó)電力出版社，2006【2】佟純厚主編 電力電子學(xué) 南京：東南大學(xué)出版社，2000【3】王兆安，黃俊主編 電力電子技術(shù)（第4版） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004【4】黃俊 王兆安主編 電力電子交流技術(shù)（第3版） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994【5】石玉 王文郁主編 電力電子技術(shù)題解與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo) 北京：機(jī)械工業(yè)出