igbt單相全橋無源逆變電路課程設計

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

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

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

4、述…………………………………………………………………………… 5</p><p>　　摘要…………………………………………………………………………… 5</p><p>　　1設計條件……………………………………………………………5</p><p>　　1.1 技術指標和設計要求……………………………………………5</p><p>　　2 單

5、相全橋逆變電路的設計………………………………………… 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)電路的設計………………………………………………………… 10</p>

8、<p>　　5 保護電路的設計………………………………………………………… 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………………………………………………………………………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>　　電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業(yè)服務的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內(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體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎為半導體物理學；它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論

11、基礎，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、配套設備等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應用。</p><p><b>　　摘要</b></p

12、><p>　　本次課程設計的主要目的是設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>　　本次所設計的單相全橋逆變電路采用IGBT作為開關器件，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成的電路，通過電阻的電流波形也為方波。而IGBT的導通，則由脈沖電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖來觸發(fā)其導通。</p>&

13、lt;p>　　在進行主電路的設計時，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，以使設計的主電路能夠達到要求的技術指標。</p><p><b>　　1 設計條件</b></p><p>　　1.1 技術指標和設計要求</p><p>　　技術指標：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>　　設計要求：單相全橋逆變電路的設計</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個全控型開關器件（本實驗采用IGBT）、電阻構成，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>　　全控型開關器件T

16、1和T4構成一對橋臂，T2和T3構成一對橋臂, 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，兩對橋臂各交替導通180°。</p><p>　　這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關的切換頻率，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導通，T2、T3關斷，這時U0=Ud</p><p>　　當期間,T2、T3導通，T1、T4關斷，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>　?。?）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。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。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模塊時額定電流應大于負載電流。特別是用作高頻開關時，由于開關損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應該降等使用。</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結構，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模塊間涂抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇，當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查，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.開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V

31、以上時，開關損耗只有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)正向電流時對應的正向壓降。</p>

33、<p>　　3.反向重復峰值電壓（）：對功率二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，使用時，應當留有兩倍的裕量。</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)脈沖應有足夠的寬度。</p><p>　　3）觸發(fā)脈沖的相位應能夠根據(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 保護電路的設計</b></p><p>　　在中大功率的開關電源裝置中,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力更大,故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。在進行電路設計時,應針對影響IGBT可靠性的因素,采取相

38、應的保護措施。</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斷和降柵壓2種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關斷，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，但器件仍維持導通。降柵壓后設有固定，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，則關斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復正常的工作狀態(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</b></p><p>　　本次課程設計的內(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成。</p><p>　　另外，為了使IGBT開關管能夠兩兩工作，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>　　通過本次課程設計，加深了我對課程《電力電子技術》理論知識的理解，特別是有關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：提高了運用所學的各門知識解決問題的能力，在本次課程設計中，涉及到很多學科，包括：電力電子技術、電路原理等，學會了如何整合自己所學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、原理及應用</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、李先允主編 電力電子技術 北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　2、佟純厚主編 電力電子學 南京：東南大學出版社，2000</p><p>　　3、王兆安，黃俊主編 電力電子技術（第4版） 北京：機械工業(yè)出版社，2004<