IGBT單相電壓型半橋無(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)

本次課程設(shè)計(jì)的題目是IGBT單相半橋無(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相接時(shí)，稱為無(wú)源逆變，逆路在現(xiàn)實(shí)生活中有很廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)中主要由交流電源，整流，濾波和半橋逆變電路四部分構(gòu)成電路動(dòng)電源構(gòu)成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。設(shè)計(jì)中使用到的絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor）,關(guān)鍵詞：IGBT;半橋；無(wú)源逆變ThecoursedesignisthesubjectofIGBTsingle-phasehalf-bridgepassiveinvertercircuitdesign,whilethedesignoftriggercircuitcorresponding.Accordingtotherelatedknowledgeofpowerelectronicstechnology,single-phasebridgeinvertercircuitisacircuitcommon,comparedwiththerectifiercircuit,theDCtoACinvertercircuitbecome.WhentheACsideisconnectedtothepowergrid,calledactiveinverter;whentheACsidedirectlyandload connected,calledpassiveinverter,theinvertercircuitiswidelyappliedinreallife.ThisdesignismainlycomposedofACpower,rectifier,filterandhalf-bridgeinvertercircuitfourpartsofthemaincircuitcircuit,drivingcircuitandpowersupplycontrolcircuitinthemaincircuitofinverterbridgecommandworkproperly.Insulatedgatebipolartransistortouseindesign(Insulated-gateBipolarTransistor),theEnglishabbreviationforIGBT.Itisatypicalcontroldevice.ItcombinestheadvantagesofGTRandMOSFET,whichhasagoodcharacteristic.Hasnowbecometheleadingdevice,highpowerelectronicequipment.ThispaperanalyzedandsimulatedwaveformsofIGBTsingle-phasehalf-bridgeinvertercircuitusingpassive.Keywords:IGBT;single-phasehalf-bridge;passiveinverter第一章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及原理

系統(tǒng)方案電路。其中，交流電源、整流、濾波三個(gè)部分的功能分別由交流變壓器、全橋整流模塊和兩個(gè)串聯(lián)的電解電容實(shí)現(xiàn);半橋逆變電路由半橋逆變和緩沖電路構(gòu)成;而驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)電路則需要根據(jù)實(shí)際電路的要求進(jìn)建。電源

圖1電路原理圖1.2系統(tǒng)工作原理1.2.1逆變電路的基本工作原理時(shí)，U0為負(fù)。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，即輸出交流電的頻率。圖2逆變電路原理圖1.2.2單相半橋阻感負(fù)載逆變電路圖3電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形補(bǔ)。若負(fù)載為阻感負(fù)載，t2時(shí)刻以前，T1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，T2截止，U0=Ud/2t2時(shí)刻關(guān)斷的T1，同時(shí)給T2發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)。由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流，U0=-Ud/2。T3時(shí)刻i。降至零，D2截止，T2導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時(shí)仍然有U0=-Ud/2在t4時(shí)刻關(guān)斷T2，同時(shí)給T1發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時(shí)仍然有U0=Ud/2；t5時(shí)刻i。降至零，T1導(dǎo)通，U0=Ud/2。1.2.3單相半橋純電阻負(fù)載逆變電路圖4單相半橋純電阻負(fù)載逆變電路及IGBT脈沖波形1.3IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理1.3.1IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體管。 附于其上的電極稱為源極。P+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴，對(duì)N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓控制的，當(dāng)門極加正向電壓時(shí)，門極下方的P區(qū)中形成電子載流子到點(diǎn)溝道，電子載流子由發(fā)射極的圖6常用IGBT的電氣符號(hào) 如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過高超過柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極－發(fā)射極之間的耐壓,流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過集電極－發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會(huì)永久性損壞。1.3.2 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負(fù)偏壓-VGE和柵極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、性的關(guān)系如表1所示：表1門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系特性 Vce(on)Ton、Eontoff、Eoff 負(fù)載短路能力電流dVce/dt+VCE-VCERC------------------------動(dòng)電路提出了以下要求。VDS儺就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是，VGE并非越高越好，一般不允許超過20V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15V因此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為5～15V），使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。3）具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)極。合隔離。5）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單、實(shí)用。應(yīng)具有IGBT的完整保護(hù)，很強(qiáng)的抗干擾能力，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。1~1.2第二章硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1系統(tǒng)硬件連接2.1.1單相半橋無(wú)源逆變主電路如圖8下所示：圖8單相半橋無(wú)源逆變主電路2.2整流電路設(shè)計(jì)方案2.2.1整流變壓器的參數(shù)運(yùn)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。選擇過大設(shè)計(jì)要求，采用公式：U

由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量，則B=cosα=0.985U

1~1.2

1000.90.90.985

125 ~150V取U2=140V電壓比K=U1/U2=220/140=1.57

P

U2R

502

16.7UIS2)（880840）VA860VA

R

5016.7

3AI2Id2I0236A

.

3.82A考慮空載電流取I11.053.82A4A3器容量的計(jì)算

1I1220V4A880VA；S2U2I2140V6A840VA；S1

2.2.2整流變壓器元件選擇1）整流元件選擇二極管承受最大反向電壓U

DM

2U

2

2140V197V，考慮三倍裕量，則UTN3197V594V，取600V。該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載為純負(fù)載，所以簡(jiǎn)化計(jì)算得

D

12

.24

(1.5~2).

2..

15A2）濾波電容的選擇C0=2200FU即選用2200F、250V電容器。3）IGBT的選擇

d50V

2.2.3整流電路保護(hù)元件的選用1壓器二次側(cè)熔斷器選擇由于變壓器最大二次電流I26A，故選用10A熔芯即可滿足要求。應(yīng)選用15A250V熔斷器。2.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案 IGBT驅(qū)動(dòng)器的基本驅(qū)動(dòng)性能(1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)IGBT在硬開關(guān)方式下工作時(shí)，會(huì)在開通及關(guān)斷過程中產(chǎn)生較人的損耗。這個(gè)過化速度密切相關(guān)。IGBT的柵源特性顯非線性電容性質(zhì)，因此驅(qū)動(dòng)器須具有足夠峰，這既對(duì)主回路安全不利，也容易在控制電路中造成干擾。(2)能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艠贰GBT導(dǎo)通肝的管壓降與所加?xùn)旁措妷毫骰蚨搪?，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。因此，在的正常傳輸。信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。(6)輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)。這小儀能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后，而且能提高快速性。(7)人電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)間不能過分短，以限制di／dt所形成的2.3.2驅(qū)動(dòng)電路電路與門極驅(qū)動(dòng)電路相隔離。當(dāng)光電耦合器導(dǎo)通時(shí)，V截止，V1導(dǎo)通，IGBT導(dǎo)2.4

觸發(fā)電路設(shè)計(jì)方案通斷，通過對(duì)占空比α的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制具有一定的保護(hù)功能。路非常容易設(shè)計(jì)，只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容即可。圖10觸發(fā)電路圖第三章3.1SIMULINK仿真軟件介紹Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用 Simulink。3.2建立仿真模型真模型的步驟：②構(gòu)造控制部分進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，把電源設(shè)置為直流100V,脈沖信號(hào)周期設(shè)置為③運(yùn)行程序，打開示波器觀察完成波形觀測(cè)及分析部分。圖11單相半橋無(wú)源逆變電路仿真模型圖12電源參數(shù)設(shè)置圖13驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)參數(shù)設(shè)置3.3

仿真結(jié)果分析可得仿真結(jié)果。方向?yàn)?50V圖14單相半橋無(wú)源逆變電路仿真波形第四章，只有通過親自動(dòng)手制作，找出問題所在才能更好的掌握的理論知識(shí)。本次設(shè)計(jì)的工作過程，主要做了下面幾點(diǎn)較突出的工作：塊的相關(guān)電路結(jié)構(gòu)。電壓：Ud=100V，輸出功率：300W，輸出電壓波形：1KHz方波。三，文章給出了系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計(jì)方案,硬件結(jié)構(gòu)電路圖，各模塊的詳