电力电子课程设计.docx

1、电力电子课程设计课 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：

2、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.20092.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MATLAB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.20105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

3、课程设计报告。6工作计划及进度：2010年12月19日 12月22日 设计电路，计算参数12月23日 12月27日 对设计的电路进行MATLAB仿真12月28日 12月30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52 逆变电路的性能指标 62.1 无源逆变电路的基本定义及其应用 62.2 无源逆变电路的主要功能及工作原理63 系统总体方案6 4 硬件电路设计进行分析及描述75 电路仿真结果分析 86 IGBT驱动驱动型器件的驱动电路96.1 IGBT的介绍96.1.1静态特性106.1.2静态特性 106.2 IGBT的驱动11总结 11参考文献

4、 111 引 言电力电子技术就是应用于电力行业的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术，本课程设计为电力电子技术。具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所有的电力电子器件均有半导体制成，故也称电力半导体器件。电力变换通常可分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。直流变直流是指一种电压（电流）的直流变为另一种电压（电流）的直流，可用直流斩波电流。交流变交流可以是电压或电力的变换，称作交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。本课程设计为直流变交流。一般认为，电力电子技术的开始是以1957年第

5、一个晶闸管的诞生为标志的。但在晶闸管出现之前，电力电子技术就已经用于电力变换了。因此，晶闸管出现前的时期称为电力电子技术的史前期。晶闸管通过对门极的控制可以使其导通，而不能使其关断，因此属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。即使在电流、电压这2个方面，晶闸管系列器件仍然有一定的发展余地，但因下述原因阻碍了它们的继续发展：由于它是半控器件，要想关断它必须用强迫换相电路，结果使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低以及可靠性下降；由于器件的开关频率难以提高，一般低于400Hz，大大限制了它的应用范围；由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对电

6、网产生“公害”。 20世纪80年代，出现了以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的第三队复合型场控半导体器件，另外还有静电感应式晶体管（SIT）、静电感应式晶闸管（SITH）、MOS晶闸管（MCT）等。这些器件不仅有很高的开关频率，一般为几十到几百千赫兹，而且有更高的耐压性，电流容量大，可以构成大功率、高频的电力电子电路。本课程设计所用的器件为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。在生产实践中，大多采用将50Hz的工频电源变换成固定或可调的电源，供给负载，这时实现的是无源逆变。本课程设计为器件换流。在交直交变频器中，由于负载一般都是感性的，它和电源之间必有无功功率传递，因此在中间的直流环节，需要有储

7、存能量的元件，电压型逆变器采用的是大电容器，因此它为逆变器提供的直流电源呈低阻抗，类似于恒压源。逆变器输出的电压比较平直为矩形波，输出的交流电流则近似于正弦波。2 逆变电路的性能指标2.1 无源逆变电路的基本定义及其应用 能出端交流电能直接输向用电设备，用电设备中无电源的逆变电路为无源逆变电路。生产实践中常要求把工频交流电能或直流电能变换成频率和电压都可调节的交流电能供给负载。它在交流电机变频调速，感应加热，不停电电源等方面的应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。2.2 无源逆变电路的主要功能及工作原理主要功能是将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。基本的单相桥式无源逆变电路

8、的工作原理如图1所示。图中Ud为直流电压源，R为逆变电路输出负载。T1、T2、T3、T4、为四个开关。(1)当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变电路输出电压Uo=Ud;(1)当开关T2、T3闭合，T1、T4断开时，逆变电路输出电压Uo=-Ud;当以一定的频率交替切换开关时，在电阻R商会获得如图的交变电压波形。这样就将直流电压Ud变成交流电压Uo。图1-1中主电路开关实际是各种半导体开关器件的理想状态。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、功率晶闸管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)。图1-1 单相桥式无源逆变等效原理图3 系统总体

9、方案本课程设计采用全控形器件绝缘栅晶体管（IGBT）,得到如图2的单相桥式电压型无源逆变电路，其负载为阻感负载。此电路有两对桥臂组合而成，V1、V4为一对桥臂，V2、V3为另一对桥臂。两对桥臂交替导通180度。由于本课程设计采用移相法，所以VT3的基极信号落后于VT1晶体管90度。输出电压为正负90度的脉冲。图2 原理图根据课程设计要求输入电压Ud为100V，频率f=1KHz 得周期Z=0.001S 输出脉宽为90度的方波，所以V3的基波信号比V1的基波信号落后了90度，即落后1/4个周期即t3=0.000025S，t1=0S。V2与V4同理得t2=0.0005S,t4=0.00075S。 同

10、时可得Uo=Ud/2=50V，有输出功率要求P=300W 得电阻R=Uo*Uo/P=8.333 的输出电流Io=6A 为使电流波形理想电感L=0.0001 由上数据的IGBT的所要承受的最大反向电压Uvt=100V 电流有效值Ivt=Io/sqrt（2） 得IGBT得额定电压Un=（23）*100=20030额定电流In=（1.52）*6/1.57=5.737.64二极管的额定电压和额定电流与IGBT的相同。 所以选择的器件的参数如上所示 4 硬件电路设计进行分析及描述仿真实验图如图3，设在t=0S时刻V1和V4导通，输出电压Uo为Ud，t=0.00025S V3和V4栅极信号反向，V4截止，

11、因阻感负载中的电流不能突变，V3不能立即导通，VD3进行续流。此时V1和VD4同时导通，得输出电压为零。到t=0.0005S时 VT1和VT2栅极信号反向，V1截止，然而VT2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成通路，输出电压为-Ud。直到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3才截止，V2和V3开始导通，Uo乃为-Ud。t=0.00075S时 V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，V4不能立即导通，由VD4导通续流，Uo再次为零。之后继续前面的过程。得输出电压的正负脉冲宽度各位90度。图3 仿真电路图5 电路仿真结果分析通过对触发脉冲的控制得到如图4的波形图，其中波形一为V1的触发电平

12、，波形二为V2的触发电平，波形三为V3的触发电平，波形四为V4的触发电平，波形五为负载的电流，波形七为负载的电压图4 出发波形和输出波形可得V3比V1的基极信号落后90度，V4比V2的基极信号落后90度，V2比V1的基极信号落后180度，V4比V3的基极信号落后180度。这样就可得出脉宽为正负90度，频率为1KHz的电压输出波形。同时得出按指数上升和下降的电流输出波形。同时得到如下图5的器件波形图5 器件波其中波形一到四分别为V1、V2、V3、V4、的电压和电流波形，波形五为VD2的电压波形，波形六为VD2的电流波形。由于篇幅有限只给出VD2的波形。 通过波形可得器件所承受的电压与触发电平信号

13、相反最大值为100V。与理论计算符合。6 IGBT驱动驱动型器件的驱动电路6.1 IGBT的介绍IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源

14、、照明电路、牵引传动等领域。IGBT结构图6.1.1静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流

15、Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。6.1.2动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过

16、程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多M

17、OSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成。6.2 IGBT的驱动IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号

18、输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动 IGBT 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。 EXB840 和 M57962 很多资料都有介绍，KA101和KA102的资料可以从XX搜索。 下面对M57862L的原理接线图进行分析。这些混合集成驱动器内部都具有退保和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压为+15V左右，负驱动电压为-10V。M57862L集成驱动电路总结通过这次课程设计让我有机会把课堂上的理论知识应用于实际，特别是对IGBT和逆变电路，贯彻了致知于行的校训。在

19、设计的过程中，通过对知识的综合运用，进行必要的分析、比较。从而进一步验证了所学的理论知识。在设计中也遇到了不少的困难，在经过查阅资料和相互讨论之后，我准确地找出了我们的错误并给予纠正，这是一种收获。不但使我们进一步提高了实践能力，也让我们在日后的工作和学习中更有信心。通过课程设计我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的知识与实际相结合，从实践中得出结论，落实实践才是验证真理的唯一标准，从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计中也让我学到了一些课本上没有的知识，进一步提高了我的能力和扩展了我的视野。由于个人能力有限设计程度经此而已，如有不足之处敬请原谅。同时感谢指导老师的认真指导和帮助！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，2009.51001032黄忠霖 黄京.电力电子技术MATLAB实践. 北京：国防工业出版社.2009.1. 2462483洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京：机械工业出版社.2010.1. 100107