IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计

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1、电子技术课程设计说明书IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计学生姓名： 学 院: 专 业:指导教师：XXX学号：1005044245信息与通讯工程学院电气工程及其自动化XXX2013年01月学院：专业：学生姓名: 课程设计题目:起迄日期: 课程设计地点： 指导教师: 系主任：中北大学电子技术课程设计任务书2012/2013 学年第 一 学期信息与通讯工程学院电气工程及其自动化胡定章学号：1005044245IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计12 月24日 01月4日电气工程系软件实验室石喜玲王忠庆下达任务书日期：2012 年12月24日课程设计任务书1. 设计目的:1. 加深理解电力电子技

2、术课程的基本理论2. 掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力3. 学习MATLA仿真软件及各模块参数的确定2. 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：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v - 90 :4阻感负载根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设 计内容包括：1.IGBT电流、电压额定参数选择2.IGBT控制电路的设计3. 设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等：* n 91! *0 VV VV VB VV WTe VV

3、 vr WTe W WK vr VV VB vr VK vrtn vrI1根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数， 设计电路原理图；2利用MATLA仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3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。课程设计任务书4. 主要参考文献：=. A UBBIBL d. U J K 3 A AUBBa L d. U J K 3 J. AUBBa L a J. U M J li J. A.UBBa L a J. U B J K B J. AUBBa L a 2012年12月24日 12月25日 设计电路，计算参数12

4、月26日 12月31日 对设计的电路进行 MATLA仿真2013年01月01日 01月04日 编写课程设计说明书，答辩或成绩考核系主任审查意见：签字： 年 月 日目 录1引言 12 工作原理概论 12.1 IGBT的简述 12.2 电压型逆变电路的特点及主要类型 22.3 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析 23 主电路设计及参数选择 33.1 主电路仿真图 33.2参数设置及计算 3参数设置 3计算 3设置主电路 44 仿真电路结果的分析 54.1仿真电路图 51.1.1 触发电平与负载输出波的波形图 54.1.2 IGBT电流电压波形图 64.2仿真波形分析 65 总结 7参考文献

5、 72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，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。3 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MOSFE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

6、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MOSFE相连接所构成的一种器件。其等效电路和电气符号如下：C3图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 错误！未找到引用源。所决定的。当UGE 为正且大于开启电压UGE寸，MOSFE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 错误!未找到引用源。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，MOSFE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

7、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。 为了给交流侧想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

8、 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示：图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，

9、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。因为是电阻负载，故晶体管均没有续流作用。输出电压和电流的波形相同， 均为90度正值、90度零、90度负值、90度零这样一直循环下去。4 主电路设计及参数选择4.1主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 （电阻负载）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下所示：图3 单相电压型全桥无源逆变电路（阻感负载）的主电路3.2参数设计及计

10、算参数设置电阻负载，直流侧输入电压 错误！未找到引用源。=100V,脉宽为B =90的方波，输出功率为300Vy电容设置为理想零状态。频率为1000Hz,计算由频率为1000Hz即可得出周期为T=0.001s，由于V3的基波信号比V1的落后 了 90度(即相当1/4个周期)。通过换算得：t3=0.001/4=0.00025s , 而 t仁Os。同理得：t2=0.001/2=0.0005S, 而 t4=0.00075S。由理论情况有效值：Uo=Ud/2=50V又因为P=300W所以有电阻：R=Uo*Uo/P=8.333Q电感：1.414Ud=Ldi/dt+ldR ,得 L=0.0002H则输出电

11、流有效值：Io= Uo /R=6A则可得电流幅值为lmax=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= (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设置主电路VT2的触发电平参数设置：幅值：5V,周期：0.001s，占空比50%延迟0;VT2的触发电平参数设置：幅值：5V,周期：0.001s，占空比50%延迟0.0005 ;VT3的触发电平参数设置：幅值：5V,周期：0.0

12、01s ,占空比50%延迟0.00025 ;VT4的触发电平参数设置：幅值：5V,周期：0.001s ,占空比50%延迟0.00075。5仿真电路结果的分析5.1 仿真电路图触发电平与负载输出波的波形图如下图从上到下（1到4栏）依次为VT1,VT2,VT3,VT4的触发电压，幅值为5V。 从上到下（5到6栏）依次为输出电流（最大值为12A），输出电压波形（最大值 为 100。4.1.2 IGBT电流电压波形图如下图从上到下依次为 VT1,VT2,VT3,VT4输出电流（最大值为12A），输出电压波形（最大值为100。厂弋下弋.厂y严弋r111THC _i:IGBT输出波形图4.2仿真波形分析在

13、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负载输出波形 图和IGBT输出波形图，由于有电感负载，在波形图中可看出，对于电流，并非为 方波输出，对于电流，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B。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。由于有

14、电感负载，故电流情形与电压不相 同，正负最大值之间有一段时间受电感影响，不可突变。VT1,VT2,VT3,VT4输出电流受电感影响减小到0。5 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即可通过改变直流电压Ud来实现，也可通过改变B来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值。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源。参考文献1 王兆安刘进军电力电子技术北京：机械工业出版社第五版，2009.5 1001032 .李传琦.电力电子技术计算机仿真实验电子工业出版社.20053 .洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的 MATLA仿真.机械工业出版社.20064 .钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010