单相半桥逆变电路.docx

目录摘要 1第一章系统方案设计及原理 21.1、 系统方案 21.2、 系统工作原理 21.2.1、 逆变电路的基本工作原理 21.2.2、 单相半桥阻感负载逆变电路 31.2.3、 单相半桥纯电阻负载逆变电路 41.3、 IGBT的结构特点和工作原理 41.3.1、 IGBT的结构特点 41.3.2、 IGBT对驱动电路的要求 6第二章 硬件电路设计与参数计算 72.1、 系统硬件连接 72.1.1、 单相半桥无源逆变主电路如图下所示 72.2、 整流电路设计方案 82.2.1、 整流变压器的参数运算 82.2.2、 整流变压器元件选择 92.2.3、 整流电路保护元件的选用 92.3、 驱动电路设计方案 错误！未定义书签2.3.1、 IGBT驱动器的基本驱动性能 错误！未定义书签2.3.2、 驱动电路 错误！未定义书签2.4、 触发电路设计方案 错误！未定义书签第三章系统仿真 错误！未定义书签3.1、 建立仿真模型 错误！未定义书签3.2、 仿真结果分析 错误！未定义书签第四章小结 错误！未定义书签参考文献 错误！未定义书签摘要电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛应用于交 通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家 用电器及其他领域中也有着广泛的应用。

进入新世纪后电力电子技术的应用更加 广泛以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，有 人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学的两 大支柱变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种 电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电路电子装置 和电力电子系统的技术变流”不仅指交直流之间的交换，也包括直流变直流 和交流变交流的变换，变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个 支路的转移，这就是换流将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路，根据交流电的用途可分为有源 逆变和无源逆变本课程设计主要介绍单相半桥无源逆变电路关键词：整流、无源逆变、IGBT晶闸管第一章系统方案设计及原理1.1、系统方案系统方案如图1所示，在电路原理框图中，交流电源、整流、滤波和半桥逆 变电路四个部分构成电路的主电路，驱动电源和驱动电路两部分构成指挥主电路 中逆变桥正确工作的控制电路其中，交流电源、整流、滤波三个部分的功能分 别由交流变压器、全桥整流模块和两个串联的电解电容实现；半桥逆变电路由半 桥逆变和缓冲电路构成；而驱动电源和驱动电路则需要根据实验电路的要求进 行搭建。

图1电路原理图1.2、系统工作原理1.2.1、逆变电路的基本工作原理图2逆变电路原理图图中S1〜S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成 当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u0为正；当开关S1、S4断开， S2、S3闭合时，u0为负这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切 换频率，即可改变输出交流电的频率1・2.2、单相半桥阻感负载逆变电路电压践增1(d)电感员栽电流波形图3电压型半桥逆变电路Id, I在一个周期内，电力品体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，'半周反偏且 互补若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则U0 =-2dt2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号由于感性负载中的电流i不 能立即改变方向，于是D2导通续流，U一 一了t3时刻i降至零，D2截止，T2导通，i开始反向增大，此时仍然有U 一 U. o 2在t4时刻关断T2,同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i不 能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有U° — 了 ；t5时刻i降至零，T1导通，U—1・2.3、单相半桥纯电阻负载逆变电路图4单相半桥纯电阻负载逆变电路及IGBT脉冲波形在一个周期内，电力品体管V1和V2的基极信号各有半周正偏，半周反偏且互补。

由于是纯电阻负载，当V1开通时V2关断，u =切则负载两端的电压为：0 2 ；当V1关断时V2开通，则负载两端的电压为：Uo 一 一 2d o1.3、IGBT的结构特点和工作原理1.3.1、IGBT的结构特点IGBT是双极型品体管（BJT）和MOSFET的复合器件，IGBT将BJT的电导调 制效应引入到VDMOS的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有 MOSFET的栅极高输入阻抗的特点IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管PT尽图5 IGBT结构图图7 IGBT的等效电路如图5所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极品体管结构，N+区称为源区， 附于其上的电极称为源极P+区称为漏区器件的控制区为栅区，附于其上的 电极称为栅极沟道在紧靠栅区边界形成在漏、源之间的P型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成)，称为亚沟道区(Subchannel region)而在 漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector)，它是IGBT特有的功能区， 与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极品体管，起发射极的作用，向漏极注入空 穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电 流，使IGBT导通反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N 一沟道MOSFET， 所以具有高输入阻抗特性当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N 一层 的空穴，对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT在高电压时， 也具有低的通态电压IGBT的开通和关断是由门极电压控制的，当门极加正向 电压时，门极下方的P区中形成电子载流子到点沟道，电子载流子由发射极的 N+区通过导电沟道注入N-区，即为IGBT内部的PNP型品体管提供基极电流，从 而使IGBT导通此时，为维持N-区的电平衡，P+区像N-区注入空穴载流子，并 保持N-区具有较高的载流子浓度，即对N-区进行电导调制，减小导通电阻，使 得IGBT也具有较低的通态压降若门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失， PNP型品体管的基极电流被切断，IGBT就关断EC图6常用IGBT的电气符号图6为IGBT的常用电气符号，IGBT的等效电路如图7所示，由图可知，若 在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP 品体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和 发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得品 体管截止。

IGBT与MOSFET 一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E 间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常 地工作，如果过高超过栅极一发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样， 如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极一发射极之间的耐压，流 过IGBT集电极一发射极的电流超过集电极一发射极允许的最大电流,IGBT的结 温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏1.3.2、 IGBT对驱动电路的要求IGBT的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关栅极的正偏压+VGE、负 偏压-VGE和栅极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、 承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响门极驱动条件与器件特 性的关系如表1所示表1门极驱动条件与器件特性的关系4特性VDSTON、 EONTdf、 Edf负载短路 能力电 流dVCE/dt+VCE增大 降低 降低 降低 增加-VCE增大略减小减小RC增大 增加增加 减小根据IGBT的特性，其对驱动电路的要求如下:(1) 提供适当的正反向电压，使IGBT能可靠地开通和关断。

当正偏压增大时 IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若UGE过大，则负载短路时其IC随UGE增 大而增大，对其安全不利，使用中选UGE<<15V为好负偏电压可防止由于关断 时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般选UGE=-5V为宜2) IGBT的开关时间应综合考虑快速开通和关断有利于提高工作频率，减 小开关损耗但在大电感负载下，IGBT的开频率不宜过大，因为高速开断和关 断会产生很高的尖峰电压，及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿3) IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常 工作及过载情况下不致退出饱和而损坏4) IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于 抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗； RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏RG的具体数据与驱动 电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧〜几十欧，小容量的IGBT其RG值 较大5) 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能IGBT的控制、 驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措 施情况下，G—E断不能开路。

第二章硬件电路设计与参数计算2.1、 系统硬件连接2.1.1、 单相半桥无源逆变主电路如图下所示图8单相半桥无源逆变主电路2.2、整流电路设计方案2.2.1、整流变压器的参数运算1）变压器二次侧电压"2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压选择过大又 会造成延迟角a加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本根据设计要求，采用公式:U2 = G 〜1.2)Ab由表查得A=2.34；取£ =0.9； a角考虑10°裕量，则B=cosa =0.9851 .2 )1000.9 x 0.9 x 0.985=125150 V「 U2P = —0-由 R】身=167 = 3A取U2=140V电压比 K= U1 /U2=220/140=1.572）一次、二次电流】1、】2的计算=16.7QU c U2 502=—R = —0 = 2 得 P 150I2 = Id = 2I0 = 2 x 3 = 6A1.57=3.82A考虑空载电流 取I1 =1-05 x 3.82A = 4A3) 变压器容量的计算£ = U,] = 220V x 4A = 880VA ；S2 = U212 = 140V x 6A = 840VA ；1 1 , 、 -S = 2(S] + S2) = -(880 + 840)VA = 860VA2.2.2、整流变压器元件选择1）整流元件选择二极管承受最大反向电压Udm x 140V = 197V，考虑三倍裕量，则Utn = 3X197V = 594V，取600V。

该电路整流输出接有大电容，而且负载为纯 电阻性负载，所以简化计算得I =— I =—x 6 A = 3 AdD 2 d 2I =-L I = 4.24 A d <2 d一 I 4.24Id（ av）=（1.5~2宜=2 X 。