1、 目錄摘要1第一章 系統方案設計及原理21.1、系統方案21.2、系統工作原理21.2.1、逆變電路的基本工作原理21.2.2、單相半橋阻感負載逆變電路31.2.3、單相半橋純電阻負載逆變電路41.3、IGBT的結構特點和工作原理41.3.1、IGBT的結構特點41.3.2、 IGBT對驅動電路的要求6第二章 硬件電路設計與參數計算7 2.1、系統硬件連接72.1.1、單相半橋無源逆變主電路如圖下所示72.2、整流電路設計方案8 2.2.1、整流變壓器的參數運算82.2.2、整流變壓器元件選擇92.2.3、整流電路保護元件的選用92.3、驅動電路設計方案102.3.1、IGBT驅動器的基本驅動

2、性能102.3.2、驅動電路112.4、觸發電路設計方案12第三章 系統仿真133.1、建立仿真模型133.2、仿真結果分析15第四章 小結16參考文獻17摘要電力電子技術的應用范圍十分廣泛，它不僅用于一般工業，也廣泛應用于交通運輸、電力系統、通信系統、計算機系統、新能源系統等，在照明、空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。進入新世紀后電力電子技術的應用更加廣泛。以計算機為核心的信息科學將是21世紀起主導作用的科學技術之一，有人預言，電力電子技術和運動控制一起，將和計算機技術共同成為未來科學的兩大支柱。變流技術也稱為電力電子器件的應用技術，它包括用電力電子器件構成各種電力變換電路和對這些

3、電路進行控制的技術，以及由這些電路構成電路電子裝置和電力電子系統的技術?！白兞鳌辈粌H指交直流之間的交換，也包括直流變直流和交流變交流的變換，變流電路在工作過程中不斷發生電流從一個支路向另一個支路的轉移，這就是換流。將直流電轉換為交流電的電路稱為逆變電路，根據交流電的用途可分為有源逆變和無源逆變。本課程設計主要介紹單相半橋無源逆變電路。關鍵詞：整流、無源逆變、IGBT晶閘管第一章 系統方案設計及原理1.1、系統方案系統方案如圖1所示，在電路原理框圖中，交流電源、整流、濾波和半橋逆變電路四個部分構成電路的主電路，驅動電源和驅動電路兩部分構成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。其中，交流電源、整流

4、、濾波三個部分的功能分別由交流變壓器、全橋整流模塊和兩個串聯的電解電容實現;半橋逆變電路由半橋逆變和緩沖電路構成; 而驅動電源和驅動電路則需要根據實驗電路的要求進行搭建。驅動電源驅動電路IGBT半橋逆變電 路濾 波整流交流電源 圖1 電路原理圖1.2、系統工作原理1.2.1、逆變電路的基本工作原理圖2逆變電路原理圖圖中S1S4是橋式電路的4個臂，它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓u0為正；當開關S1、S4斷開，S2、S3閉合時，u0為負。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。1.2.2、單相半橋阻感負載

5、逆變電路圖3 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形在一個周期內，電力晶體管T1和T2的基極信號各有半周正偏，半周反偏且互補。若負載為阻感負載，設t2時刻以前，T1有驅動信號導通，T2截止，則。t2時刻關斷的T1，同時給T2發出導通信號。由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導通續流， 。t3時刻i。降至零，D2截止，T2導通，i。開始反向增大，此時仍然有。在t4時刻關斷T2，同時給T1發出導通信號，由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導通續流，此時仍然有；t5時刻 i。降至零， T1導通，。 1.2.3、單相半橋純電阻負載逆變電路圖4 單相半橋純電阻負載逆變電路及IGBT

6、脈沖波形在一個周期內，電力晶體管V1和V2的基極信號各有半周正偏，半周反偏且互補。由于是純電阻負載，當V1開通時V2關斷，則負載兩端的電壓為：；當V1關斷時V2開通，則負載兩端的電壓為：。1.3、IGBT的結構特點和工作原理 1.3.1、IGBT的結構特點IGBT是雙極型晶體管（BJT）和MOSFET的復合器件，IGBT將BJT的電導調制效應引入到VDMOS的高祖漂流區，大大改善了器件的導通特性，同時它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗的特點。IGBT所能應用的范圍基本上替代了傳統的功率晶體管。 圖5 IGBT結構圖如圖5所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+ 區稱為源區，附于其

7、上的電極稱為源極。P+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannel region）。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區（Drain injector），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。 IGBT 的開關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 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基

8、極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴，對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。IGBT的開通和關斷是由門極電壓控制的，當門極加正向電壓時，門極下方的P區中形成電子載流子到點溝道，電子載流子由發射極的N+區通過導電溝道注入N-區，即為IGBT內部的PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時，為維持N-區的電平衡，P+區像N-區注入空穴載流子，并保持N-區具有較高的載流子濃度，即對N-區

9、進行電導調制，減小導通電阻，使得IGBT也具有較低的通態壓降。若門極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT就關斷。 圖6 常用IGBT的電氣符號 圖7 IGBT的等效電路 圖6為IGBT的常用電氣符號，IGBT的等效電路如圖7所示，由圖可知，若在IGBT的柵極G和發射極E之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極G發射極E間施加十幾V

10、的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。 如果IGBT柵極與發射極之間的電壓,即驅動電壓過低,則IGBT不能穩定正常地工作,如果過高超過柵極發射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極發射極之間的耐壓,流過IGBT集電極發射極的電流超過集電極發射極允許的最大電流,IGBT的結溫超過其結溫的允許值,IGBT都可能會永久性損壞。 1.3.2、 IGBT對驅動電路的要求 IGBT 的驅動條件與它的靜態和動態特性密切相關。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小，對IGBT 的通態電壓、開關時間、開關損耗、承受短

11、路能力以及dVCE/dt等參數都有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關系如表1 所示。 表1 門極驅動條件與器件特性的關系 4 特性 VDS TON、EON Tdf、Edf負載短路能力 電流dVCE/dt +VCE增大 降低 降低 降低 增加 -VCE增大 略減小 減小 RC增大 增加 增加 減小 根據IGBT的特性，其對驅動電路的要求如下： (1)提供適當的正反向電壓，使IGBT能可靠地開通和關斷。當正偏壓增大時IGBT通態壓降和開通損耗均下降，但若UGE過大，則負載短路時其IC隨UGE增大而增大，對其安全不利，使用中選UGE<<15V為好。負偏電壓可防止由于關斷時浪涌電流

12、過大而使IGBT誤導通，一般選UGE=5V為宜。 (2)IGBT的開關時間應綜合考慮?？焖匍_通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下，IGBT的開頻率不宜過大，因為高速開斷和關斷會產生很高的尖峰電壓，及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。 (3)IGBT開通后，驅動電路應提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞。 (4)IGBT驅動電路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損壞。RG的具體數據與驅動電

13、路的結構及IGBT的容量有關，一般在幾歐幾十歐，小容量的IGBT其RG值較大。 (5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。IGBT的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當的防靜電措施情況下，GE斷不能開路。第二章 硬件電路設計與參數計算2.1、系統硬件連接2.1.1、單相半橋無源逆變主電路如圖下所示圖8 單相半橋無源逆變主電路2.2、整流電路設計方案2.2.1、整流變壓器的參數運算1）變壓器二次側電壓的計算是一個重要的參數，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。根據設計要求

14、，采用公式： 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取=140V。電壓比K=/=220/140=1.57。2 ）一次、二次電流、的計算由 得考慮空載電流 取 3）變壓器容量的計算； ； ； 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，考慮三倍裕量，則，取600V。該電路整流輸出接有大電容，而且負載為純電阻性負載，所以簡化計算得 取15A。故選ZP-15A 整流二極管4只，并配15A散熱器。2） 濾波電容的選擇 濾波電容一般根據放電時間常數計算，負載越大，要求紋波系數越小，電容量越大。一般不作嚴格計算，多取2000以

15、上。因該系統負載不大，故取=2200耐壓按 取250V。即選用2200、250V電容器。3） IGBT的選擇因，取3倍裕量，選耐壓為150以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標注，且穩定電流與峰值電流間大致為4倍關系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜。為此選用1MBH50-090型IGBT。其續流二極管選擇與之配套的快速恢復二極管EDR60-100。Cl、C2為3300uF電解電容2.2.3、整流電路保護元件的選用1）變壓器二次側熔斷器選擇由于變壓器最大二次電流，故選用10A熔芯即可滿足要求。應選用15A、250V熔斷器。 2.3、驅動電路設計方案2.3.1、IGBT驅動器的基本驅

16、動性能動態驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。當IGBT在硬開關方式下工作時，會在開通及關斷過程中產生較人的損耗。這個過程越長，開關損耗越大。器件工作頻率較高時，開關損耗會大大超過IGBT通態損耗，造成管芯溫升較高。這種情況會大大限制IGBT的開關頻率和輸出能力，同時對IGBT的安全工作構成很大威脅。IGBT的開關速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關。IGBT的柵源特性顯非線性電容性質，因此驅動器須具有足夠的瞬時電流吞吐能力，才能使IGBT柵源電壓建立或消失得足夠快，從而使開關損耗降至較低的水平。另一方面，驅動器內阻也小能過小，以免驅動回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼

17、振蕩。同時，過短的開關時間也會造成回路過高的電流尖峰，這既對主回路安全不利，也容易在控制電路中造成干擾。能向IGBT提供適當的正向柵樂。IGBT導通肝的管壓降與所加柵源電壓有關，在集射電流一定的情況下，Vge越高，Vce越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發揮管子的工作能力。但是，Vge井非越高越好，Vge過大，負載短路時Ic增大，ILBT能承受短路電流的時間減少，對安全不利，一但發生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。因此，在有短路程的設備中Vge應選小些，一般選1215V。在關斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲電荷，能向IGBT提供足夠的反向柵壓?？紤]到

18、在IGBT關斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態，增加管了的功耗，重則將使裂變電路處于短路直通狀態，因此，最好給應處于截止狀態的IGBT加一反向柵壓(515V)，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設備中，IGBT與工頻電網有直接電聯系，而控制電路一般不希望如此。另外，許多電路中的IGBT的工作電位差別很大，也不允許控制電路與其直接藕合。因此驅動器具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，也有利于維修調試人員的人身安全。但這種電隔離不應影響驅動信譬的正常傳輸。具有柵壓限幅電路，

19、保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極眼電壓一般為±20V，驅動信號超出此范圍就可能破壞柵極。輸入輸出信號傳輸無延時。這小儀能夠減少系統響應滯后，而且能提高保護的快速性。人電感負載下，IGBT的開關時間不能過分短，以限制didt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。2.3.2、驅動電路IGBT的驅動電路如圖9，此IGBT門極驅動電路采用了光耦合器使信號電路與門極驅動電路相隔離。當光電耦合器導通時，V截止，IGBT導通。光電耦合器截止，V導通，導通，IGBT截止。圖9 IGBT驅動電路圖2.4、觸發電路設計方案 控制電路需要實現的功能是產生PWM信號，用于可控制電路中主功率器件的通斷，通過對

20、占空比的調節，達到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護功能。 被實驗裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內調節。在芯片的CT端和放電端間串聯一個電阻可以在較大范圍內調節死區時間。此外此外，其軟起動電路非常容易設計，只需外部接一個軟起動電容即可。圖10 觸發電路圖第三章 系統仿真MATLAB軟件語言系統是當今流行的第四代計算機語言，由于它在科學計算、數據分析、系統建模與仿真、圖形圖像處理等不同領域的廣泛應用以及自身的獨特優勢，目前MATLAB受到個研究領域的推崇和關注。本文也采用MATLA

21、B軟件對研究結果經行仿真，以驗證結果是否正確。3.1、建立仿真模型建立仿真模型的步驟：打開MATLAB，進入Simulink命令窗口建立主電路的仿真模型。 構造控制部分進行參數設置，把電源設置為直流100V,脈沖信號周期設置為0.02S，脈寬為50，相位相差180。 運行程序，打開示波器觀察完成波形觀測及分析部分。最終完成仿真模型如圖11所示：圖11 單相半橋無源逆變電路仿真模型圖12 電源參數設置 圖13 驅動脈沖信號參數設置3.2、仿真結果分析將仿真時間設為0.00s，選擇ode113的仿真算法，將絕對誤差設為1e-5，運行后可得仿真結果。如圖14所示自上而下分別為直流輸入電壓、逆變器輸出的負載交流電壓、負載電流和V1、V2的脈沖波形。交流電壓為50v的方波電壓，周期與驅動信號同為1kHz。由于選取的參考電壓方向為負方向，則V1開通V2關斷時負載電壓方向為-50V。圖14 單相半橋無源逆變電路仿真波形第四章 小結電力電子技術是一門技術基本課程，也是實用性很強的一門課程。通過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關電力電子方面的知識，能夠很好