方波逆变电路的计算机仿真讲解.docx

1、方波逆变电路的计算机仿真讲解前言 本文设计了一单相桥式方波逆变电路，和一三相桥式方波逆变电路。 单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为300V，电阻负载，电阻1欧姆电感1mh。 三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为530V，电阻负载，负载有功率1KW,感性无功功率0.1Kvar。 完成上述桥式方波逆变电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。 关键词：方波逆变器； IGBT开关器件；计算机仿真 1仿真软件简介1 2 IGBT开关器件简介4 2.1 IG

2、BT的结构4 2.2 IGBT的工作原理4 3主电路图工作原理说明6 3.1逆变电路6 3.2逆变电路的基本工作原理6 3.3电压型逆变电路6 3.4电流型逆变电路13 4方波逆变电路的计算机仿真模型的建立17 4.1单项桥式方波逆变电路仿真17 4.2三相桥式方波逆变电路仿真19 5总结23 致谢24 参考文献25 1 1仿真软件简介 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB和

3、Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JA

4、VA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 优势方面： （1）友好的工作平台和编程环境 MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而

5、且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （2）简单易用的程序语言 Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科

6、技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力 MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大

7、致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操 2 作以及建模动态仿真等。 （4）出色的图形处理功能 MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善

8、，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 （5）应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究

9、和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 （6）实用的程序接口和发布平台 新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C+语

10、言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。 （7）应用软件开发（包括用户界面） 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接

11、。 3 2 IGBT开关器件简介 2.1 IGBT的结构 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照像机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelD

12、iode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。 2.2 IGBT的工作原理 IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sa

13、t)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。 IGBT的结构与工作原理 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。 IGBT 的转移特性是指输出

14、漏极电流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。 绝缘栅双极晶体管： 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

15、电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电 4 国外的一些高压串联等技术来实现高压应用。以上。目前只能通过IGBT

16、压等级达到10KV生产的EUPEC的IGBT器件，德国的厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同IGBT6500V/600A高压大功率的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠IGBT时，各大半导体生产厂商不断开发 以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。1m性、低成本技术，主要采用晶体管的电流放大系数p+n-pIGBT采用尽量缩小 为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作 IGBT以下。的电流放大系数设计为0.5作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p基本相MOSFETIGBT的驱动原理与电力的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。

17、决定。同，通断由栅射极电压uGE基片增加了P+ MOSFET IGBT硅片的结构与功率的结构十分相似，主要差异是IGBT 驱动两，其中一个MOSFETNPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分）和一个N+ 缓冲层（结。当正栅偏压使栅极区之间创建了一个J1P+和N+ 个双极器件。基片的应用在管体的的沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFETP基区时，一个N下面反演将处于正向偏J1范围内，那么，方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总N-压，一些空穴注入损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时

18、出现两种不同的电流MOSFET时，大于开启电压UGE(th)uGE)；空穴电流（双极）。一个电子流拓扑：(MOSFET 电流 导通。内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT区内。N- 当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入 电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因MOSFET在任何情况下，如果。这种残余电流值（尾流）的降低，N层内还存在少数的载流子（少子）为换向开始后，在完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功 耗升高；交叉导通问题，特别

19、是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。密切相关的和VCE 鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的 有关。IC和 TC电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，MOSFET 栅射极间施加反压或不加信号时， 关断。IGBT 反向阻断区扩就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N- 当集电极被施加一个反向电压时，J1 展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十 分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。

20、正向阻断结受反向电压控制。当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3 漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。此时，仍然是由N 5 3主电路图工作原理说明 3.1 逆变电路 直流电变成交流电，与整流相对应。逆变概念：逆变主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆 变电路。 无源逆变逆变电路的应用：蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电 机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 3.2 逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例：S、SS、S闭合，SS是桥式电路的4个臂，由电

21、力电子器件及辅助电路组成。341412为负，把直流电变成了交u、S闭合时，断开，u为正S；S、SS断开时，负载电压oo41231 流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 图3-1 逆变电路及其波形举例，滞后于u电阻负载时，负载电流i和u的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i oooo ）。波形也不同（图3-1b u通，和i均为正。前：tS、Soo114 不能立刻反向。变负，但S，合上、S，ui、时刻断开tSSo2o4131逐渐减、负载和S流回正极，负载电感能量向电源反馈，iSi从电源负极流出，经o32o 才反向并增大时刻降为零，之后小，tio2 3.3 电压型逆变电路 逆变电路按其

22、直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路， 电流型逆变电路或电流源型逆变电路。 图3-1电路的具体实现。 6 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）图3-3 电压型逆变电路的特点 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(1) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(2) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各(3) 臂并联反馈二极管 （1）单相电压型逆变电路 1、半桥逆变电路3-4 电路结构：见图 工作原理：iUm=Ud/2，为矩形波，幅值为V和V栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo21o同方向，直流侧向负载提和V或V通时，i

23、u，波形随负载而异，感性负载时，图5-6bo1o2称为反馈、反向，电感中贮能向直流侧反馈，i或供能量，VDVD通时，和uVDVD2o121o 连续，又称续流二极管。二极管，还使io 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形图3-4 7 优点：简单，使用器件少k直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几/2，缺点：交流电压幅值UWd 以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 、全桥逆变电路2 电路结构及工作情况：另一对，成对桥臂同时导通，交替32和图3-3，两个半桥电路的组合。1和4一对，3-4bi波形和图波形同图3-4b。半桥电路的u，幅值高出一倍U=U。各

24、导通180。uodomo i相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。中的o 输出电压定量分析 （3-1） u成傅里叶级数 o （ 3-2） 基波幅值 3-3） （ 基波有效值 U来实现。180ou为正负各时，要改变输出电压有效值只能改变do 3-5）。移相调压方式（图正偏，180o可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为q ( 0q V和V落后的基极信号只比V互补关系不变。V互补，和180o反偏，且VV131342的脉冲，改u的前移、V，180o)V、的栅极信号分别比VV180o-q，成为正负各为q o4231 q 变即可调节输出电压有效值。 图3-5 单相全桥逆

25、变电路的移相调压方式 2（）三相电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路 可看成由三个半桥逆变电路组成。 180导电方式： 8 ，任一瞬间180o每桥臂导电，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120o 有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。 三相电压型桥式逆变电路图3-6 的各阶段其等效电路及相应相电压、线电180?导通型的三相逆变器中，每隔?60在 所示。3-1压数值如表 表相电压线电压数值表3-1 9 根据表3-1中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120?，如图3

26、-8（a）所示。而线电压可由相电压相减得出，其波形如图3-8（b）所示，为脉宽120?的矩形波。 （a）相电压波形 （b）线电压波形 图3-8电压六阶梯波形图 初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为： （3-4） 其余两相各差120?。相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20。 对于基波无初相角的矩形波线电压，其一般表达式为： （3-5） 根据图3-7可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分别为： （3-6） 10 ）（ 3-7也这是由于在分析中忽略了换流过程，实际的电压波形与上面分析的结果略有误差， 未扣除逆变电路中的

27、电压降落的缘故。所示，与前面相反，3-9120 ?导通方式工作时，其输出电压波形如图当三相逆变器按 这里相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。 （b）线电压波形 a（）相电压波形 3-9线电压为六阶梯波图方式中，上下两管之间有120?导通方式进行比较可知：在?导通方式和 对180?120的间隙，对换流的安全有利，但是管子的利用率较低，并且若电机采用星形接法，则60?180应采取过电压保护措施。始终有一相绕组断开，在换流时会引起较高的感应电势，而因此对于电导通方式无论电动机在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压， 导通方式应用较为普遍。180压型逆变器，? 11 当逆变器负载为感性时，必

28、须有续流二极管，如图1-5中的DD所示。此时负载电61流的波形可以根据电压波形的阶跃变化，由相应升降的指数曲线定性地绘出，A相负载电流波形如图3-10（b）所示，图中阴影部分为续流二极管中的电流。只有当续流二极管电流降为零时，A相的负载电流才开始经T形成反向电流。同理B相和C相电流比A相电流4分别滞后120?和240?。 图3-10直流输入电流波形图 直流输入电流波形如图3-10（e）所示，它由直流分量和周期为60?的交流分量组成，每段电流波形可由正极或负极上仅有一个管子导通时的管子电流决定。如果负载电流滞后角超过60?，电流波形如图3-11所示，图的上方为各晶闸管的触发情况，图中电流曲线旁注明的是各管的实际导通情况。由图可见，在直流环节电压极性不变的电压型逆变器中，在感性负载下续流二极管是必不可少的，它既能提供感性负载电流的通路，避免过电压的出现，又可减小输入电流，改善逆变器的效率。 12 603-11滞后角超过度电流波形图图当负载为感应电动机时，不仅存在着对各次谐波不同的阻抗，而且还有反电势，它对其主要原结果负载电流的波形与图3-8相比有较大差别，各次谐波电流的作用是不同的， 因是负载电流中谐波分量所占的比例加大。 通过上面的论述可见，感性负载下逆变器中可能有三种电流： 1）功率电流它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。（）