单相桥式电压逆变器的设计

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1、单相桥式电压逆变器的设计1 1方案概述本次课程设计的主要目标，是设计一个单相桥式电压逆变电路。同时要设计 相应的触发电路和过电流过电压保护电路。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模型，在日常生活中有着广泛的应用。它的 电路结构主要是由四个桥臂组成，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。而IGBT 的导通控制需要触发电路，通过资料的查询，找到相关的触发电路图，从中进行 选择，最终确定方案。可以用芯片进行触发也可以用下面章节介绍的使用D触发 器为主体设计出來的触发电路，根据D触发器的特性，使换流能够

2、实行。最后设 置过电流过电压保护电路，采用di/dt抑制电路和缓冲电路构成的过电压过电流 保护电路，通过查阅资料，在仿真软件中连接出电路图，将触发电路接入，设置 参数后进行仿真，观察波形，根据设置的参数进行计算。1.2逆变电路及换流原理介绍与整流电路相比较，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。在不加 说明时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这称 为换流。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断來控制电流通 过的支路，这

3、就是实现换流的基本原理。换流有多种方式，其中主要分为器件换 流、电网换流、负载换流和强迫换流四种方式。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，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。为了给交流侧想直流

4、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。乂称为续流二极管。逆变电路分为三和和单相两大类。其中，单相逆变电路主要釆用桥式接法。 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。最常用的是三相桥式逆变电路。1 4电压型单相桥式逆变电路的主电路设计在本次设计中，主要釆用单相全桥式逆变电路作为设计的主电路。其主电路结构图如下图所示：如上图所示，单相全桥逆变电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合 而成。其中桥臂1,4为一对，桥臂2, 3为一对。每个桥臂由一个可控器件IGBT 以及一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂

5、之间。 它的具体工作过程如下：设最初时刻W时，给IGBTQ1、Q4触发信号，使其导通。则电流通过桥臂1,负载，桥臂4构成一个导通回路。当t2时刻时，给Q2,Q3触 发信号，给QI, Q4关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所 以二极管D2,D3导通进行续流。当电流逐渐减小为0,桥臂1,4关断，桥臂2, 3 导通，构成一个回路，从而实现换流。2. 1 IGBT 介绍绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor )，英文简写为 IGBTo它是一种典型的全控器件。它综合了 GTR和M0SFET的优点，因而具有良 好的特性。现已成为中、大功率电力

6、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 M0SFET相连接所构成的一种器件。它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压uqe 丿决疋的。当uge为止且大J-开启电压UGE(th)时，M0SFET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Rn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，M0SFET内的沟道消失，晶体管的积极电流被切断，使 得IGBT关断。2.2 D触发器介绍D触发器如图所示如下:U1DQCLKQDTFFvTEXT

7、a .图2-1 D触发器触发器的逻辑功能可以用逻辑表达式來描述，称为触发器的特征方程。D触发器的特征方程如下：Qn+1 = D式 2-1以触发器的现态和输入信号为变量，以次态为函数，描述它们之间逻辑关系的真 值表称为触发器的特性表。D触发器的特性表如下表所示，表中对触发器的现态 Q和输入信号D的每种组合都列出了相应的次态Qn+1oQnDQn+1QnDQn+1000100011111表2-1 D触发器的特性表2. 3触发电路图及原理介绍On100kU1DQCLkQDTFFD9 10A01 .TCV-Q7 :IRG4BC10U I ：D8 10A01 TGXrEXii图2-1触发电路触发电路图如上

8、图所示。其原理如下:将控制信号转变为某一频率的脉冲或 脉冲群，用这些脉冲控制无源逆变电路中的功率开关元件的通断，以控制逆变器 输出电压和频率的电路。主要应用于变频调速装置或不停电电源的逆变器中。它 的一般功能是：根据控制信号的要求产生相应频率的输出脉冲；确定逆变器各功 率开关的驱动信号间的相位关系；产生足够的驱动功率以驱动功率开关元件；完 成功率开关元件和控制电路之间的电隔离。频率发生器将控制信号转变为相应频率的脉冲电压以触发脉冲分配器，使其 按一定的规律将开关信号分配给各个通道的脉冲输出器。脉冲输出器将此开关信 号放大，经电隔离后驱动功率开关元件。上图即为单相全桥逆变电路的脉冲触发 电路。频

9、率发生器产生一固定频率的脉冲送到D触发器的时钟端CLK,以触发D 触发器组成的脉冲分配器。D触发器的输出Q和Q是互差180的方波脉冲。晶 体管Gl、G2和变压器Tl、T2分别组成两个通道的脉冲输出器，驱动单相逆变器 的功率开关元件。逆变器的输出频率取决于频率发生器，频率发生器通常由单结晶体管、晶体 管、运算放大器、门电路等构成。在恒压恒频电源的逆变器触发电路中，常釆用 晶体振荡器和分频器组成频率发生器，以保证逆变器有较高频率精度的输出电压。 在变频调速电源的逆变器触发电路中，要求频率发生器的频率随控制信号变化， 常采用压控振荡器构成频率发生器。压控振荡器的输出频率随控制电压改变而改 变。脉冲分

10、配器由环形计数器组成。脉冲输出器的通道数决定环形计数器的输出 状态数。单相逆变电路常用二进制计数器，而三相桥式逆变电路常用六进制计数 器。计数器可由双稳态触发器、多稳态触发器、JK触发器或D型触发器组成。 图3是用JK触发器构成的六进制环形计数器。Q1Q6为脉宽180、互差60 的方波、频率发生器作为环形分配器的时钟，每来一个脉冲，环形分配器移位一 次，Q1Q6依次进行高低电平变化，用以控制三相逆变桥的开关通断。在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外, 釆用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护、di/dt保护也是十分必要的。本次课程设计所釆用的过电压过电流保

11、护电路如上图所示。该电路乂称为缓冲电 路。它的作用是抑制电力电子器件的内因过电压或者过电流。从而减小器件的开 关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路乂称为 du/dt抑制电路，用于吸收器件关断过电压和换相过电压，抑制du/dt,减小关断 损耗。开通缓冲电路乂称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和 di/dt,减小器件开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，构 成复合缓冲电路。还可以用另外的分类方式：缓冲电路中的储能元件的能量如果 消耗在其吸收电阻上，则被称为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路将其储能元件的 能量回馈给负载或电源，则称为馈能式缓冲电路

12、，或称为无损吸收电路。若无特殊说明，通常讲缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫做 di/dt抑制电路。图3-2 di/dt抑制电路 * * | R3 ： ：Z D7 : 10A01- ETEXThUc2 .二100n百E%卩图3-3缓冲电路上图所示为一种缓冲电路和di/dt抑制电路电路图。在无缓冲电路的情况下，绝缘栅双击晶体管V开通时电流急剧上升，di/dt很 大，关断时的du/dt很大，并出现很高的过电压。在有缓冲电路的情况下，V开 通时缓冲电容C先通过RS向V放电，是电流上先上一个台阶，以后因为有di/dt抑 制电路的S，ic的上升速度减慢。Ri，VDi是V关断时为Lj中的磁场能量

13、提供放电回 路而设置的。在V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了 V的负担，抑制 T du/dt和过电压。4. 1工作过程和波形分析在接阻感负载时，还可以釆用移相的方式來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。在图2-1 所示的单相全桥逆变电路图中，各个IGBT的栅极信号仍为180正偏，180反 偏，并且Vi、V2的栅极信号互补，V3，V4的栅极信号互补，但V3的基极信号不是 比V落后180，而是只落后6。也就是说，V3、V4的栅极信号不是分别和V2、V的 栅极信号同相位，而是前移了 180。-0。这样，输出的电压就不再是正负各为 18

14、0的的脉冲，而是正负各为6的脉冲，其波形如图5-1所示。FO图4-1输出波形分析其工作过程：设在tl时刻前Vi和V4导通，输出电压uo为Ud, tl时刻V3和 V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中电流不能突变，V3不立刻导通，VD3导 通实现续流。因为V1和VD3同时道童，所以输出电压为0。到t2时刻V1和V2栅极 信号反向，V截止，而V2不能立刻导通，VD2续流，和VD3构成电流通道，输出 电压-5。到负载电流过零并开始反向时,VD2和V D3截止,V2和V3开始同时导通， %仍然为-Ud。在t3时刻V3和V4栅极信号再次反相,V3截止，而V4不能立刻导通， VD4导通续流，uo再次为

15、0。以后的过程与前面类似。4. 2参数设置和计算参数设置：直流侧输入电压Ud=120V, e =60 , R二10Q,电容和电感都设置 为理想状态下。则所得的波形即是上图所示的波形。计算：根据波形可得，一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等， 而幅值的正负相反，则输出平均电压为0。同理输出平均电流和有功功率都是0o 输出的电压幅值为Ud二120V, -Ud二-120V。电容设为无穷大，即是直流侧电压不变。 5应用举例逆变电路的应用非常广泛。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，当需要把这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。 另外，交流电动机调速用的变频器、不

16、间断电源、感应加热电源等电力电子装置 使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。有人说，电力电子技术早期曾 处在整流电路时代，后來则进入了逆变器时代，可见逆变电路在现实生产生活中 的作用之大和应用之广泛。而电压型单相桥式逆变器作为逆变电路中最主要的一种，它在现实生产生活 中也占有重要地位，电压型逆变电路主要用于两方面：1) 笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能， 故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。2) 不停电电源。该电源在逆变入端并接蓄电池，类似于电压源。下面简单介绍一下电压型单相全桥逆变器的一种应用：采用单相全桥逆变电路，可以设计出车载逆变

17、电源，实现把直流电源(12v) 转换成交流电源(320V, 50HZ),并对负载进行供电。达到的性能要求就是转换 出稳定的工频电源，供给给汽车上的一些电器如车灯，音像等使用。车载电源的DC/AC部分，釆用单相全桥逆变电路，由4个IRF740构成桥式 逆变电路,IRF740最高耐压400V,电流10A,功耗125W,利用半桥驱动器IR2110 提供驱动信号，其输入波形由SG3524提供，同理可调节该SG3524的输出驱动波 形的D50%,保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。6小结体会通过本次课程设计，对电力电子技术的知识有了更具体的理解和直观的认识。 通过设计单相桥式逆变电路，并对其工作原理和输

18、入输出情况进行分析，将理论 和实践联系在一起。在设计过程中，需要应用到的数电等方面的知识，通过此次 设计也让我将这些知识进行了复习。而通过对参数进行设定和计算，提高了自身 的计算能力和理解能力。总之，通过课程设计，我有了很多收获。不但让自己的知识结构更加合理, 也让自己的知识面更加广泛。通过此次课程设计，我认识到了自己的不足并作出 了弥补，让自身得到了提高。7参考资料1 王兆安、刘进军主编，电力电子技术（第五版），北京：机械工业出版社，20092 康华光主编，电子技术基础数字部分（第五版），北京：高等教育出版社，20053 林渭勋主编，现代电力电子技术，北京：机械工业出版社，20064 陈伯时主编，电力拖动自动控制系统，北京：机械工业出版社，20055 尹克宁主编，电力工程，北京：中国电力出版社，20086 邵丙衡主编，电力电子技术，北京：中国铁道出版社，19977 赵良炳主编，现代电力电子技术基础，北京：清华大学出版社，19958 丁道宏主编，电力电子技术，北京：航空工业出版社，19929 Jai P. Agrawal. Power electronic systemstheory and design. PrenticeHall, 200110 Rashid M H. Powerelectronics. Prentice Hall, 1988