電力電子課程設(shè)計(jì)----igbt單相電壓型全橋無源逆變電路

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的題目是IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路設(shè)計(jì)，根據(jù)電力電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，單相橋式逆變電路是一種常見的逆變電路，與整流電路相比較，把直流電變成交流電的電路成為逆變電路。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相接時(shí)，稱為無源逆變，逆變電路在現(xiàn)實(shí)生活中有很廣泛的應(yīng)用。</p><p&g

2、t;<b>　　工作原理概論</b></p><p>　　2.3 IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路原理分析</p><p>　　單相逆變電路主要采用橋式接法。它的電路結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)橋臂組成，其中每個(gè)橋臂都有一個(gè)全控器件IGBT和一個(gè)反向并接的續(xù)流二極管，在直流側(cè)并聯(lián)有大電容而負(fù)載接在橋臂之間。其中橋臂1,4為一對(duì)，橋臂2，3為一對(duì)?？梢钥闯捎蓛蓚€(gè)半橋電路組合而成。

3、其基本電路連接圖如下所示：</p><p>　　圖2 電壓型全橋無源逆變電路的電路圖</p><p>　　由于采用絕緣柵晶體管（IGBT）來設(shè)計(jì),如圖2的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設(shè)計(jì)為電阻負(fù)載，故應(yīng)將RLC負(fù)載中電感、電容的值設(shè)為零。此電路由兩對(duì)橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對(duì)橋臂各導(dǎo)通180度。再加上采用了移相調(diào)壓法，所以VT3的基極信號(hào)落后于VT1的90度，VT4的基極

4、信號(hào)落后于VT2的90度。因?yàn)槭请娮柝?fù)載，故晶體管均沒有續(xù)流作用。輸出電壓和電流的波形相同，均為90度正值、90度零、90度負(fù)值、90度零… …這樣一直循環(huán)下去。</p><p>　　主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇</p><p><b>　　主電路仿真圖</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相全橋式無源逆變電路(電阻負(fù)載)作為設(shè)計(jì)的主電

5、路。由于軟件上的電源等器件都是理想器件，故可將直流側(cè)并聯(lián)的大電容直接去掉。由以上工作原理概論的分析可得其主電路仿真圖如下所示：</p><p>　　單相電壓型全橋無源逆變電路（電阻負(fù)載）的主電路</p><p>　　3.2參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p><b>　　3.2.1參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　電阻負(fù)載

6、，直流側(cè)輸入電壓 =100V, 脈寬為θ=90°的方波，輸出功率為300W，電容和電感都設(shè)置為理想零狀態(tài)。頻率為1000Hz</p><p><b>　　3.2.2計(jì)算</b></p><p>　　由頻率為1000Hz即可得出周期為T=0.001s，由于V3的基波信號(hào)比V1的落后了90度（即相當(dāng)1/4個(gè)周期）。</p><p><

7、;b>　　通過換算得：</b></p><p>　　t3=0.001/4=0.00025s， 而t1=0s。 </p><p><b>　　同 理 得：</b></p><p>　　t2=0.001/2=0.0005S, 而t4=0.00075S。</p><p><b>　　由

8、理論情況有效值：</b></p><p>　　Uo=Ud/2=50V。</p><p>　　又因?yàn)镻=300W 所以有電阻：</p><p>　　R=Uo*Uo/P=8.333Ω </p><p><b>　　則輸出電流有效值：</b></p><p>　　Io=P/Uo=6A &l

9、t;/p><p><b>　　則可得電流幅值為</b></p><p>　　Imax=12A，Imin=-12A</p><p><b>　　電壓幅值為</b></p><p>　　Umax=100V,Umin=-100V</p><p>　　晶閘管額定值計(jì)算，電流有效值：<

10、;/p><p>　　Ivt=Imax/4=3A。</p><p>　　額定電流In額定值：</p><p>　　In=（1.5-2）*3=（4.5-6）A。</p><p><b>　　最大反向電壓</b></p><p><b>　　Uvt=100V</b></p>

11、<p><b>　　則額定電壓</b></p><p>　　Un=（2—3）*100V=（200-300）V</p><p>　　3.2.3設(shè)置主電路</p><p>　　根據(jù)以上計(jì)算的各參數(shù)即可正確設(shè)置主電路圖如下，進(jìn)而仿真出波形圖。 </p><p>　　VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置</p>

12、<p>　　VT2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置</p><p>　　VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置</p><p>　　VT4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　負(fù)載參數(shù)設(shè)置</b></p><p><b>　　仿真電路結(jié)果的分析</b></p><p><b&g

13、t;　　仿真電路圖</b></p><p><b>　　觸發(fā)電平的波形圖</b></p><p>　　從上到下依次為VT1,VT2,VT3,VT4的觸發(fā)電壓，幅值為5V。</p><p><b>　　負(fù)載輸出波形圖</b></p><p>　　從上到下依次為輸出電流（最大值為12A），輸

14、出電壓波形（最大值為100V）。</p><p>　　則所得的波形即是上圖所示的波形。一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)半個(gè)周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負(fù)相反，則輸出平均電壓為0。同理輸出平均電流也為0。</p><p>　　器件IGBT的輸出波形圖</p><p>　　從上到下依次為VT1,VT2,VT3,VT4的輸出電流和電壓波形。</p><p>

15、　　VT1電流波形（最大值12A,最小值0A）VT1電壓波形（最大值100V,最小值0V）</p><p>　　VT2電流波形（最大值12A,最小值0A）VT2電壓波形（最大值100V,最小值0V）</p><p>　　VT3電流波形（最大值12A,最小值0A）VT3電壓波形（最大值100V,最小值0V）</p><p>　　VT4電流波形（最大值12A,最小值0A

16、）VT4電壓波形（最大值100V,最小值0V）</p><p><b>　　仿真波形分析</b></p><p>　　在接電阻負(fù)載時(shí)，采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓。移相調(diào)壓實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。通過對(duì)4.1.1觸發(fā)脈沖的控制得到如圖4.12和4.13的波形圖，4.12波形為輸出電流電壓的波形，由于沒有電感負(fù)載，在波形圖中可看出，一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)半

17、個(gè)周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負(fù)相反，則輸出平均電壓為0。</p><p>　　VT1電壓波形和VT2的互補(bǔ)，VT3電壓波形和VT4的互補(bǔ)，但VT3的基極信號(hào)不是比VT1落后180°，而是只落后θ。即VT3、VT4的柵極信號(hào)不是分別和VT2、VT1的柵極信號(hào)同相位，而是前移了90°。輸出的電壓就不再是正負(fù)各為180°的的脈沖，而是正負(fù)各為90°的脈沖。由于沒有電感負(fù)載

18、，故電流情形與電壓相同。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路共有4個(gè)橋臂，可以看成兩個(gè)半橋電路組合而成，采用移相調(diào)壓方式后，輸出交流電壓有效值即可通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)，也可通過改變?chǔ)葋碚{(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來改變其有效值。</p><p>　　由于MATLAB軟件中電源等

19、器件均為理想器件，故可將電容直接去掉。又由于在純電阻負(fù)載中，VD1—VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用，古可將起續(xù)流作用的4個(gè)二極管也去掉，對(duì)結(jié)果沒有影響。</p><p>　　相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電壓幅值僅為1/2Ud的缺點(diǎn)，且不需要有兩個(gè)電容串聯(lián)，就不需要控制電容電壓的均衡，因此可用于相對(duì)較大功率的逆變電源。</p><p><b>　　參

20、考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王兆安 劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.第五版，2009.5﹒100~103</p><p>　　[2]黃忠霖 黃京.電力電子技術(shù)MATLAB實(shí)踐. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2009.1. 246~248</p><p>　　[3]洪乃剛. 電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

21、2010.1. 100~107</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 引言………………………………………………………………………………1</p><p>　　2 工作原理概論……………………………………………………………………1</p><p>　　2.1 IGBT的簡(jiǎn)述……………

22、………………………………………………………1</p><p>　　2.2 電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型…………………………………………2</p><p>　　2.3 IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路原理分析………………………………2</p><p>　　3 主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇…………………………………………………………3</p><p

23、>　　3.1 主電路仿真圖…………………………………………………………………4</p><p>　　3.2參數(shù)設(shè)置及計(jì)算…………………………………………………………………4</p><p>　　3.2.1參數(shù)設(shè)置………………………………………………………………………4</p><p>　　3.2.2計(jì)算…………………………………………………………………………

24、…4</p><p>　　3.2.3設(shè)置主電路……………………………………………………………………5</p><p>　　4 仿真電路結(jié)果的分析……………………………………………………………7</p><p>　　4.1 仿真電路圖………………………………………………………………………8</p><p>　　4.1.1觸發(fā)電平的波形圖……

25、……………………………………………………8</p><p>　　4.1.2負(fù)載輸出波形圖……………………………………………………………8</p><p>　　4.1.3器件IGBT的輸出波形圖……………………………………………………8</p><p>　　4.2 仿真波形分析……………………………………………………………………8</p><p