电压源型单相全桥逆变电路的设计说明书.docx

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电压源型单相全桥逆变电路的设计说明书

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，最常用的材料为单晶硅；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

摘要

1.工作原理1

1.1IGBT的简述1

模块的选择1

使用中注意事项2

IGBT的特性和参数特点2

、功率二极管的参数2

逆变电路的基本工作原理3

电压型逆变电路的特点及主要类型3

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

介绍6

应用领域6

应用优势6

电路结构6

3.电路总体设计7

总体电路图7

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

180调压11

工作过程11

参数设定11

移相调压13

工作过程13

参数设定13

仿真波形分析15

6.心得体会16

参考文献17

1.工作原理

1.1IGBT的简述

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor）,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1-1IGBT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。

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。

使用中注意事项

由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通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，通常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可以抑制振荡电压。

此外，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。

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，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点

、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。

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+1/3sin3wt+1/5sin5wt+...）由式可见,控制信号频率f可以决定输出端频率，改变直流电源电压Ud可以改变基波幅值，从而实现逆变的目的。

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，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。

（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。

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：

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，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。

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，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1-3θ如图所示

2.软件简介

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PowerSimulation。

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。

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，和其他公司的仿真器连接等。

应用优势

1.用户界面友好，容易掌握，可以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。

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

总体电路图

图3-1总体电路图

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=1/2000=

由于V3的基波信号比V1落后了90°（即1/4个周期）。

则有：

t3=4=，t1=0s

t2=2=，t4=

100*θ/180°=100V*90°/180°=50V（输出电压）

100V*X/=50V

得：

X=

设在t1=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栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，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不能立刻导通，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=Ω

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=（）*3=（）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：

所以，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=2000Hz

ω=2πf=2**2000=12560

ωL/R=tanθ=

可知：

L=。

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

180调压

工作过程

把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，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。

参数设定

图5-1电源参数设定

图5-2VT1的触发电平参数设置

图5-3VT2的触发电平参数设置

图5-4VT3的触发电平参数设置

图5-5VT4的触发电平参数设置

图5-6输出电流电压波形

移相调压

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，可以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通过改变直流电压Ud来实现，也可通过改变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

参数设定

图5-7VT1的触发电平参数设置

图5-8VT2的触发电平参数设置

图5-9VT3的触发电平参数设置

图5-10VT4的触发电平参数设置

图5-11输出电流电压波形

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。

通过对触发脉冲的控制得到如图和的波形图，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，可以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

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。

通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，又可以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，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