单相桥式逆变电路的设计

《电力电子技术》课程说明书 单相桥式逆变电路的设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师：桂友超职称  副教授 专    业：  电气工程及其自动化 班    级： 完成时间：2014年6月  电力电子技术》课程设计任务书 1、课程设计的目的 通过课程设计达到以下目的 1、加强和巩固所学的知识，加深对理论知识的理解； 2、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献； 3、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力； 4、培养学生综合运用知识的能力和工程设计能力； 5、培养学生运用仿真软件的能力和； 6、培养学生科技写作水平。 2、课程设计的主要内容 1、关于本课程学习情况简述 2、主电路的设计、原理分析和器件的选择； 3、控制电路的设计； 4、保护电路的设计； 5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。 三、课程设计的要求 1、通过查阅资料，确定自己的设计； 2、按学号尾数定课题，即课题一的学号尾数为1，以此类推。自拟参数不能雷同； 3、要求最后图纸是的CAD图； 4、课程设计在第18周五前交上来。 4、课题 1、课题一：单相桥式可控整流电路的设计 已知单相交流输入交流电压220V，负载自拟，要求整流电压在0~100V连续可调，其它性能指标自定。 2、课题二：三相半波可控整流电路的设计 已知三相交流输入线电压380V，要求整流电压在0~100V连续可调，负载自拟，其它性能指标自定。 3、课题三：三相桥式可控整流电路的设计 已知三相交流输入线电压380V，要求整流电压在0~100V连续可调，负载自拟，其它性能指标自定。 4、课题四：直流降压斩波电路的设计 已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在50~100V可调，其它性能指标自定。 5、课题五：直流升压斩波电路的设计 已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在300~400V可调，其它性能指标自定。 6、课题六：直流升降压斩波电路的设计 已知直流输入电压200V，负载自拟，要求输出电压在100~300V连续可调，其它性能指标自定。 7、课题七：单相桥式逆变电路的设计 已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30~60HZ，电压在30~50V范围可调，其它性能指标自定。 8、课题八：单相交流调压电路设计 已知单相交流输入交流电压220V，负载自拟，要求输出交流电压在0~220V可调，其它性能指标自定。 9、课题九：三相交流调压电路的设计 已知三相交流输入交流线电压380V，负载自拟，要求输出交流电压在0~200V可调，其它性能指标自定。 10、课题十：三相桥式逆变电路的设计 已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30~60HZ，电压在30~50V范围可调，其它性能指标自定。 注意：若已经按上课时我讲解的内容和安排的课题进行了设计，则不必再更改。 五、格式要求 1、格式严格按照教务处规定的毕业设计格式； 2、文档内容： 1）绪言：主要介绍对本课程学习情况；本设计内容的掌握情况；拟出设计任务书。 2）主电路设计： （1）电路原理图：用CAD绘制电路； （2）原理分析：用自己的语言； （3）参数计算：请用公司编辑器； （4）器件选择 3）控制电路设计： （1）电路原理框图 （2）电路原理图 （3）原理分析 （4）主要器件介绍 4）保护电路及其它辅助电路的设计 （1）保护电路的作用； （2）电路原理图； （3）原理分析 5）仿真分析 （1）仿真模型的建立方法 （2）仿真电路模型； （3）仿真效果图； （4）仿真结果分析。 6）设计总结 用自己的语言介绍如何完成本次设计的，通过设计自己有哪些方面提高，对本课程教学有什么建议等。 7）附录：系统总图 目  录 一 前言………………………………………………………………………… 1 1.1电力电子简介…………………………………………………………  1 二 单相桥式逆变电路………………………………………………………… 2 2.1电压型与电流型的区别……………………………………………… 2 2,2电压型逆变电路……………………………………………………… 2 三单相桥式PWM逆变主电路设计…………………………………………… 4 3.1逆变控制电路的设计…………………………………………………4 3.2主电路仿真图的设计…………………………………………………5 3.3有关参数计算………………………………………………………… 5 四 驱动和保护电路的设计…………………………………………………… 6 4.1过电流保护……………………………………………………………6 4.2驱路的设计……………………………………………………………7   五 仿真实验……………………………………………………………………  8 5.1  单相桥式PWM逆变主电路原理图…………………………………8 5.2 控制电路原理图……………………………………………………9 5.3  仿真所得波形……………………………………………………… 10 5.4  波形分析…………………………………………………………… 12  六设计总结…………………………………………………………………… 13 七 参考文献…………………………………………………………………… 14 八致谢………………………………………………………………………… 15 摘要 本次基于MOSFET的单相桥式无源逆变电路的课程设计，主要涉及IGBT的工作原理、全桥的工作特性和无源逆变的性能。本次所设计的单相全桥逆变电路采用IGBT作为开关器件，将直流电压Ud 逆变为波形电压，并将它加到纯电阻负载两端。 本次课程设计的原理图仿真是基于MATLZB的SIMULINK，由于MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，使得仿真电路相对较为简便，不影响结果输出。设计主要是对电阻负载输出电流、电压与器件IGBT输出电压的波形仿真。 关键字：单相；全桥；逆变；IGBT ABSTRACT Control circuit with MCU as main components, inverter, voltage, frequency stabilized output power protection equipment. SPWM wave using the equivalent area, and single chip microcomputer as the leading factor, output triangle and sine wave and the two wave of superposition trigger output SPWM wave to control the inverter circuit, the variable frequency AC to DC programming Keywordsinverted circuitsine wavepulse triggering 一 前言 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。 随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本次课程设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。 二单相桥式逆变电路特点及主要类型 2.1 电压型与电流型的区别 根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。又称为续流二极管。 2.2 电压型逆变电路 2.2.1 电压型逆变电路的特点： (1)根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点： (2)直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 (3)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。 (4)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。又称为续流二极管。 (5) 逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。 2.2.2 单相全桥逆变电路的移相调压方式： 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压——移相调压。 图一电压型全桥无源逆变电路的电路图 V3的基极信号比V1落后θ（0＜θ＜180 °）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－θ。输出电压是正负各为θ?的脉冲。改变θ?就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。 三 单相桥式逆变主电路设计 3.1 逆变控制电路的设计 单相逆变电路主要采用桥式接法。它的电路结构主要由四个桥臂组成，其中每个桥臂都有一个全控器件IGBT和一个反向并接的续流二极管，在直流侧并联有大电容而负载接在桥臂之间。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。可以看成由两个半桥电路组合而成。其基本电路连接图如下所示： 图2.电压型全桥无源逆变电路的电路图 由于采用绝缘栅晶体管（IGBT）来设计,如图2的单相桥式电压型无源逆变电路，此课程设计为电阻负载，故应将RLC负载中电感、电容的值设为零。此电路由两对桥臂组成，V1和V4与V2和V3两对桥臂各导通180度。再加上采用了移相调压法，所以VT3的基极信号落后于VT1的90度，VT4的基极信号落后于VT2的90度。因为是电阻负载，故晶体管均没有续流作用。输出电压和电流的波形相同，均为90度正值、90度零、90度负值、90度零……这样一直循环下去。 3.2主电路仿真图的设计 在本次设计中，主要采用单相全桥式无源逆变电路(电阻负载)作为设计的主电路。由于软件上的电源等器件都是理想器件，故可将直流侧并联的大电容直接去掉。由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如下所示： 图3单相全桥无源逆变电路（电阻负载）电路 3.3有关参数计算 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t，t = t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。 为保证可靠换流，应在uo过零前t = t5- t2时刻触发VT2、VT3 。. t 为触发引前时间： io超前于uo的时间 ： 表示为电角度： 为电路工作角频率； 、 分别是t 、t 对应的电角度。 忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数： 基波电流有效值： 负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）： 四 驱动和保护电路的设计 4.1   过电流保护 过电流保护在电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能发生过电流造成开关器件的永久性损坏，快速熔断器是电力电子变换器系统中常用的一种过电流保护措施。快速熔断器的过流保护原理是基于快速熔断器特性与器件特性的保护配合来完成的，即通过选择快速熔断器的短路容量约器件的热容量，使得当发生过流时快速熔断器先熔断，以保护器件不损坏。另一种方法是采用电流检测、比较、判断，在过流瞬间及时关断电路。如图11所示,过流保护信号取自CT2,经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端,如图11所示。当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时,比较器输出高电平,使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并把同相端电位提升为高电平,使电压比较器一直稳定输出高电平。同时,该过电流信号还送到SG3525的脚10。当SG3525的脚10为高电平时,其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。 图4过电流保护电路 4.2驱动电路的设计  驱动电路的设计既要考虑在功率管需要导通时,能迅速地建立起驱动电压,又要考虑在需要关断时,能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷,拉低驱动电压。具体驱动电路如图12所示    图5 驱动电路 其工作原理是： 当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦导通,使Q1的基极电位迅速上升,导致D2导通,功率管的栅极电压上升,使功率管导通;当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦不导通,使Q1的基极电位拉低,而功率管栅极上的电压还为高,所以导致Q1导通,功率管的栅极电荷通过Q1及电阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地关断。当然,对于功率管的保护同样重要,所以在功率管源极和漏极之间要加一个缓冲电路避免功率管被过高的正、反向电压所损坏。 五  仿真实验 5.1 单相桥式逆变主电路原理图 图6单相桥式逆变主电路原理图 5.2  控制电路原理图 图7控制电路原理图 5.3 仿真所得波形 IGBT1/IGBT4触发脉冲波形 图8 IGBT2/IGBT3触发脉冲 图9 DC/AC逆变波形 图10 当f=30Hz时，波形如图11.图12所示 图11 图12 当f=40Hz时，波形如图13.图14所示 图13 图14 当f=50Hz时，波形如图15.图16所示 图15 图16 当f=60Hz时，波形如图25.图26所示 图17 图18 5.4 波形分析 从上图中可以很清晰地看出产生的波形频率为10HZ，可以通过改变信号波的频率来改变IGBT的触发脉冲，从而改变逆变交流电源的频率，实现变频逆变。 IGBT单相电压型全桥无源逆变电路共有4个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成，采用移相调压方式后，输出交流电压有效值即可通过改变直流电压Ud来实现，也可通过改变θ来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值。 由于MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，故可将电容直接去掉。又由于在纯电阻负载中，VD1—VD4不再导通，不起续流作用，古可将起续流作用的4个二极管也去掉，对结果没有影响。 相比于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路克服了半桥逆变电路输出交流电压幅值仅为1/2Ud的缺点，且不需要有两个电容串联，就不需要控制电容电压的均衡，因此可用于相对较大功率的逆变电源。 六设计总结 通过此次实验设计，熟悉并掌握电力电子器件的实用，对一些常用的主电路或保护电路等有深入的了解。大致上了解了单相桥式PWM逆变电路的设计，基本掌握了单相桥式PWM逆变电路的工作原理，通过仿真对电路和工作原理进一步理解，在设计以及仿真过程中所遇到的问题能过综合运用所学知识，或者在网上找些资料解决在单相桥式全控整流电路和系统设计中的一些问题，因此对单相桥式PWM逆变电路的拓扑，控制的方法，系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，元器件的选择计算方法等有比较深刻的体会，间接培养了一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。 参考文献 【1】 孙树朴等、电力电子技术（第一版）、中国矿业大学出版社、1999 【1】Sun Shupu, power electronics technology (First Edition), China University of Mining and Technology press, 1999 【2】 邵丙衡、电力电子技术（第一版）、铁道出版社、1997 【2】Shao Bingheng, power electronics technology (First Edition), Railway Publishing House, 1997 【3】 王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版）、机械工业出版社、2008 【3】Wang Zhaoan, Huang Jun, power electronics technology (Fourth Edition),mechanical industry press, 2008 【4】 叶斌、电力电子技术习题集（第一版）、铁道出版社、1995 【4】Ye Bin, power electronics technology problem sets (First Edition), Railway Publishing House, 1995 【5】 赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版）、清华大学出版社、1995 【5】Zhao Liangbing, modern power electronics technology (First Edition), Tsinghua University press, 1995 致谢 这次电力电子技术设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识 运用到实际中。并通过对知识的综合运用，进行必要的分析、比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在刚开始会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。 通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理 论知识的学习，在此次课程设计过程中，我更进一步地熟悉了单相桥式无源电路 的原理和触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，查阅资料，相互通过讨论。我准确地找出了我们的错误并纠正了错误，这更是我们的收获，不但使我们进一步提高了我们的实践能力，也让我们在以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从实践中得出结论，从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计中遇到了不少困难，但也让我学到了一些课本上没有的知识，进一步的提高了我的能力。让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次，我把以前所学的知识重新温故，巩固了所学知识，让我受益菲浅。在此，也要感谢老师这学期的悉心教导，同时对那些给予我帮助的同学表示真心感谢。以后我会再接再厉，学得更认真，做得更好。