IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计.docx

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IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计

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

信息与通讯工程学院

学生姓名：

学号：

电气工程及其自动化

学院：

XXX

专业：

指导教师：

2013年01月

中北大学

电子技术课程设计任务书

2012/2013学年第一学期

学院：

信息与通讯工程学院

专业：

 电气工程及其自动化

学生姓名：

 胡定章

学号：

 1005044245

课程设计题目：

IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计

起迄日期:

12月24日~01月4日

课程设计地点:

 电气工程系软件实验室

指导教师:

石喜玲 

系主任：

 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MATLAB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=100V

2.输出功率：

300W

3.输出电压波行1KHz方波，脉宽

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〕：

1.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MATLAB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：

[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009

[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005

[3].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

[4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010

5．设计成果形式及要求：

1.电路原理图及各器件参数计算

2.MATLAB仿真

3.编写课程设计报告。

6．工作计划及进度：

2012年12月24日~12月25日设计电路，计算参数

12月26日~12月31日对设计的电路进行MATLAB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

1引言………………………………………………………………………………1

2工作原理概论……………………………………………………………………1

2.1IGBT的简述……………………………………………………………………1

2.2电压型逆变电路的特点及主要类型…………………………………………2

2.3IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析………………………………2

3主电路设计及参数选择…………………………………………………………3

3.1主电路仿真图…………………………………………………………………3

3.2参数设置及计算…………………………………………………………………3

3.2.1参数设置………………………………………………………………………3

3.2.2计算……………………………………………………………………………3

3.2.3设置主电路……………………………………………………………………4

4仿真电路结果的分析……………………………………………………………5

4.1仿真电路图………………………………………………………………………5

1.1.14.1.1触发电平与负载输出波的波形图…………………………………5

4.1.2IGBT电流电压波形图………………………………………………………6

4.2仿真波形分析……………………………………………………………………6

5总结…………………………………………………………………………………7

参考文献………………………………………………………………………………7

2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

2.1IGBT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。

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。

2.3IGBT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，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

3.2参数设计及计算

3.2.1参数设置

电阻负载，直流侧输入电压

=100V,脉宽为θ=90°的方波，输出功率为300W，电容设置为理想零状态。

频率为1000Hz。

3.2.2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t1=0s。

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=8.333Ω

电感：

1.414Ud=Ldi/dt+IdR，

得L=0.0002H

则输出电流有效值：

Io=Uo/R=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=（1.5-2）*3=（4.5-6）A。

最大反向电压：

Uvt=100V

则额定电压：

Un=（2—3）*100V=（200-300）V

3.2.3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：

0.001s，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

5.1.1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100V）。

　　　　　　　触发电平与负载输出的波形图

4.1.2IGBT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100V）。

IGBT输出波形图

4.2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。

由于有电感负载，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θ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，2009.5﹒100~103

[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005

[3].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

[4].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010