igbt單相全橋無源逆變電路課程設(shè)計

1、<p>　　課程設(shè)計說明書(論文)</p><p>　　題 目 IGBT單相全橋無源逆變電路設(shè)計 </p><p>　　課 程 名 稱 電力電子技術(shù) </p><p>　　院 系 電力工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 智能建筑電氣 <

2、/p><p>　　班 級 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　設(shè) 計 地 點 </p&g

3、t;<p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　設(shè)計起止時間2010年12月27日至2011年1月7日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　課程設(shè)計任務(wù)書………………………………………………………………2</p><p>　　概

4、述…………………………………………………………………………… 5</p><p>　　摘要…………………………………………………………………………… 5</p><p>　　1設(shè)計條件……………………………………………………………5</p><p>　　1.1 技術(shù)指標和設(shè)計要求……………………………………………5</p><p>　　2 單

5、相全橋逆變電路的設(shè)計………………………………………… 6</p><p>　　2.1主電路及工作原理………………………………………………6</p><p>　　2.2 負載端輸出電壓電流波形圖……………………………………6</p><p>　　2.3 換流方式……………………………………………………………… 7</p><p>　　2.4 逆

6、變電路的主要特點………………………………………………… 7</p><p>　　3 主電路各器件的參數(shù)…………………………………………………… 8</p><p>　　3.1 電壓源參數(shù)…………………………………………………………… 8</p><p>　　3.2 電阻參數(shù)……………………………………………………………… 8</p><p>

7、　　3.3 IGBT的選擇及注意事項………………………………………………8</p><p>　　3.4 功率二極管的參數(shù)…………………………………………………… 9</p><p>　　3.5 脈沖參數(shù)……………………………………………………………… 9</p><p>　　4 觸發(fā)電路的設(shè)計………………………………………………………… 10</p>

8、<p>　　5 保護電路的設(shè)計………………………………………………………… 10</p><p>　　5.1 過電壓保護……………………………………………………………11</p><p>　　5.2 過電流保護……………………………………………………………12</p><p>　　6 Matlab仿真電路………………………………………………………… 12&

9、lt;/p><p>　　7 總結(jié)………………………………………………………………………14</p><p>　　8 心得體會…………………………………………………………………14</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………15</p><p><b>　　概述</b></p>

10、<p>　　電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論

11、基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。</p><p><b>　　摘要</b></p

12、><p>　　本次課程設(shè)計的主要目的是設(shè)計一個帶純電阻負載的單相全橋逆變電路，然后得到負載兩端的電壓電流波形。</p><p>　　本次所設(shè)計的單相全橋逆變電路采用IGBT作為開關(guān)器件，將直流電壓Ud 逆變?yōu)轭l率為1KHZ的方波電壓，并將它加到負載電路。負載電路是由純電阻構(gòu)成的電路，通過電阻的電流波形也為方波。而IGBT的導(dǎo)通，則由脈沖電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖來觸發(fā)其導(dǎo)通。</p>&

13、lt;p>　　在進行主電路的設(shè)計時，根據(jù)主電路的輸入、輸出參數(shù)來確定各個電力電子器件的參數(shù)，并進行器件的選擇，以使設(shè)計的主電路能夠達到要求的技術(shù)指標。</p><p><b>　　1 設(shè)計條件</b></p><p>　　1.1 技術(shù)指標和設(shè)計要求</p><p>　　技術(shù)指標：1、輸入直流電壓：Ud=100V</p>&l

14、t;p>　　2、輸出功率：300W</p><p>　　3、輸出電壓波形：1KHz方波</p><p>　　設(shè)計要求：單相全橋逆變電路的設(shè)計</p><p><b>　　繪制主電路的電路圖</b></p><p>　　運用Matlab軟件進行仿真模擬</p><p>　　分析負載兩端電壓、電

15、流波形</p><p>　　2 單相全橋逆變電路的設(shè)計</p><p>　　2.1、主電路及工作原理</p><p>　　單相橋式逆變電路由4個全控型開關(guān)器件（本實驗采用IGBT）、電阻構(gòu)成，直流側(cè)采用一個電容器即可，其電路圖如下圖所示：</p><p>　　單相全橋逆變電路主電路</p><p>　　全控型開關(guān)器件T

16、1和T4構(gòu)成一對橋臂，T2和T3構(gòu)成一對橋臂, T1和T4同時通、斷；T2和T3同時通、斷。當T1、T4閉合，T2、T3斷開時，負載電壓為正；當T1、T4斷開，T2、T3閉合時，負載電壓為負，其波形如圖a所示，因為是純電阻負載，所以電壓電流波形相同，如圖b所示。</p><p>　　實驗時T1與T2，T3與T4的驅(qū)動信號需要互補，即當T1和T4有驅(qū)動信號時，T2和T3無驅(qū)動信號；T2和T3有驅(qū)動信號時，T1和T4

17、無驅(qū)動信號，兩對橋臂各交替導(dǎo)通180°。</p><p>　　這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，就可以改變輸出交流電的頻率。</p><p>　　2.2、負載端輸出電壓電流波形圖</p><p><b>　　當負載為純電阻時：</b></p><p>　　（1）負載端電壓波形分析：</

18、p><p>　　當期間，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷，這時U0=Ud</p><p>　　當期間,T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，這時U0=-Ud</p><p>　　則逆變電路輸出的電壓為180°寬（）的方波，方波幅值為Ud，如圖（a）所示。</p><p>　　將用傅里葉級數(shù)展開得: </p><p>　　

19、輸出方波電壓瞬時值：U0=</p><p>　　式中：為輸出電壓基波角頻率；為輸出電壓基波頻率。</p><p>　　輸出方波電壓有效值：U0==Ud</p><p>　　基波分量的有效值： U01==0.9Ud</p><p><b>　　圖a</b></p><p>　　（2）負載端電流分析&

20、lt;/p><p>　　該電路為純電阻負載，所以負載電流的波形與電壓波形一樣也是方波。如圖（b）所示</p><p><b>　　圖b</b></p><p><b>　　電阻阻值的確定：</b></p><p>　　電阻R的取值可以根據(jù)公式：R==</p><p>　　與單相半

21、橋逆變電路相比，在相同負載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。</p><p><b>　　2.4、換流方式</b></p><p>　　利用全控型器件自身所具有的自關(guān)斷能力進行換流稱為器件換流。本實驗采用的是IGBT，所以采用的換流方式即為器件換流。</p><p>　　2.5、逆變電路的主要特點</p>

22、<p>　　直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當于電壓源。電流測電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。</p><p>　　由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩行波，并且與阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)電壓波形和相位因負載阻抗角而異。</p><p>　　當交流側(cè)為阻感性負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋

23、二極管。</p><p>　　3 主電路各器件的參數(shù)</p><p><b>　　3.1、電壓源參數(shù)</b></p><p>　　本實驗電壓源Ud=100V</p><p><b>　　3.2、電阻參數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)電壓輸出有效值U=Ud=100V，輸出功

24、率P=300W</p><p>　　可得R===33.3</p><p>　　3.3、IGBT的選擇及注意事項</p><p><b>　　IGBT模塊的選擇</b></p><p>　　IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源電壓緊密相關(guān)。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗也會變大。同時，開關(guān)損

25、耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。</p><p>　　根據(jù)電壓波形把幅值為矩形波展開成傅里葉級數(shù)得：</p><p>　　其中基波的幅值和基波有效值分別為：</p><p>　　IGBT晶體管兩端電壓在一個周期內(nèi)的波形圖為：前半個周期電壓為0，后半個周期電壓

26、為，因此，IGBT兩端承受的電壓有效值為：</p><p>　　IGBT晶體管承受的最大電壓為：</p><p>　　因此，計算可得IGBT的額定電壓為：</p><p>　　其額定電流比負載電流大即可。</p><p><b>　　使用中注意事項</b></p><p>　　由于IGBT模塊為M

27、OSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點：</p><p>　　在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在

28、底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。</p><p>　　此外，在柵極—發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有

29、電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。</p><p>　　在使用IGBT的場合，當柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。</p><p>　　在安裝或更換IGBT模塊時，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了

30、減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。</p><p>　　IGBT的特性和參數(shù)特點</p><p>　　1.開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V

31、以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當</p><p>　　2.相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力</p><p>　　3.通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域</p><p>　　4.輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似</p><p>　　5.與MOSFET和GTR

32、相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點</p><p>　　3.4、功率二極管的參數(shù)</p><p>　　1.正向平均電流（）：指功率二極管長期運行時，在指定殼溫和耗散條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。</p><p>　　2.穩(wěn)態(tài)平均電壓（）:在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。</p>

33、<p>　　3.反向重復(fù)峰值電壓（）：對功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，使用時，應(yīng)當留有兩倍的裕量。</p><p><b>　　3.5、脈沖參數(shù)</b></p><p>　　要求輸出電壓波形f=1KHZ，即T=1/f=1/1000=0.001s，調(diào)節(jié)脈沖信號發(fā)生器，使得</p><p><b>　　4 觸發(fā)電路的

34、設(shè)計</b></p><p>　　IGBT晶體管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的觸發(fā)脈沖，保證晶體管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶體管觸發(fā)電路往往包括：對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出電路。</p><p>　　該主電路對觸發(fā)電路的要求有以下幾點：</p><p>　　1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率，保證在允許的工作溫度范圍內(nèi)，對所有

35、合格的元件都可靠觸發(fā)。</p><p>　　2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度。</p><p>　　3）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動。</p><p>　　4）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步。</p><p>　　如下圖所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動電路要求采用正、負偏壓的兩電源方式，輸入

36、信號經(jīng)整形器整形后進入放大級，放大級采用有源負載方式以提供足夠的門極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動電路適用于小容量的IGBT。</p><p>　　有正負偏壓的直接驅(qū)動電路</p><p><b>　　5 保護電路的設(shè)計</b></p><p>　　在中大功率的開關(guān)電源裝置中,IGBT

37、由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級,由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大,故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設(shè)計也是電源設(shè)計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。在進行電路設(shè)計時,應(yīng)針對影響IGBT可靠性的因素,采取相

38、應(yīng)的保護措施。</p><p><b>　　5.1、過電壓保護</b></p><p>　　主電路的過電壓保護措施有：阻容保護、壓敏電阻保護、浪涌過電壓保護。阻容保護又分為交流側(cè)阻容保護和器件側(cè)阻容保護。對于晶閘管關(guān)斷過程中產(chǎn)生的尖峰狀的瞬時過電壓保護采用的就是器件側(cè)阻容保護。加上阻容后，當晶閘管關(guān)斷時，變壓器電流可通過RC續(xù)流，減小，從而抑制了過電壓。各種過電壓保護

39、電路如圖（5）所示。</p><p><b>　　5.2、過電流保護</b></p><p>　　通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一，不過故障電流會在這個內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時

40、還會導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。</p><p>　　降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定，故障電流在這一期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾

41、能力。</p><p>　　6 MATLAB仿真</p><p>　　運用Matlab仿真軟件設(shè)計出電路圖</p><p>　　為了能夠滿足條件，對IGBT提供的脈沖，周期為0.001s，而且2個脈沖之間需要延遲，不能同時提供脈沖。</p><p><b>　　脈沖設(shè)置</b></p><p>&

42、lt;b>　　第一個脈沖</b></p><p><b>　　第二個脈沖</b></p><p>　　負載兩端電壓電流波形如下圖：</p><p><b>　　負載兩端電壓波形</b></p><p><b>　　負載兩端電流波形</b></p>

43、<p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計的內(nèi)容是IGBT單相全橋逆變電路，了解了逆變電路的工作原理，對單相全橋逆變電路在純負載時做了詳細的分析。</p><p>　　該單相全橋逆變電路最大的特點是：在原有的單相全橋逆變電路的基礎(chǔ)上，通過改變驅(qū)動IGBT的脈沖，將直流電壓Ud 逆變成頻率為1KHZ的方波電壓，并將它加到負載電路兩

44、端。而負載電路則由純電阻電路構(gòu)成。</p><p>　　另外，為了使IGBT開關(guān)管能夠兩兩工作，驅(qū)動其工作的兩個脈沖之間必須要有延遲。</p><p><b>　　6 心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，加深了我對課程《電力電子技術(shù)》理論知識的理解，特別是有關(guān)逆變電路方面的知識。同時也培養(yǎng)了以下幾點能力：</p>

45、<p>　　第一：提高了自己完成課程設(shè)計報告水平，提高了自己的書面表達能力。具備了文獻檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻資料。</p><p>　　第二：提高了運用所學(xué)的各門知識解決問題的能力，在本次課程設(shè)計中，涉及到很多學(xué)科，包括：電力電子技術(shù)、電路原理等，學(xué)會了如何整合自己所學(xué)的知識去解決實際問題。</p><p>　　第三：深刻理解了單相全橋逆變電路的

46、原理及應(yīng)用</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、李先允主編 電力電子技術(shù) 北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　2、佟純厚主編 電力電子學(xué) 南京：東南大學(xué)出版社，2000</p><p>　　3、王兆安，黃俊主編 電力電子技術(shù)（第4版） 北京：機械工業(yè)出版社，2004<