IGBT单相半桥无源逆变电路设计.docx

单片机技术课程设计说明书模板IGBT单相半桥无源逆变电路设计院、部：电子及信息工程学院学生姓名：指导老师：职称：博士专业：自动化班级：完成时间：2019年5月20H本次课程设计的题目是IGBT单相半桥无源逆变电路设计，同时设计相应的触发电路。依据电力电子技术的相关学问，单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路，及整流电路相比较，把宜流电变成沟通电的电路成为逆变电路。当沟通侧接在电网上，称为有源逆变：当沟通侧干脆和负载相接时，称为无源逆变，逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。本次设计中主要由沟通电源，整流，滤波和半桥逆变电路四部分构成电路的主电路，驱动电路和驱动电源构成指挥主电路中逆变桥正确工作的限制电路。设计中运用到的绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor),英文简写为IGBT。它是一种典型的全控器件。它综合了GTR和VOSFET的优点，因而具有良好的特性。现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件本文对运用的IGBT单相半桥无源逆变电路进行了波形的仿真和分析。关键词：IGBT;单相半桥：无源逆变ABSTRACTThecoursedesignisthesubjectofIGBTsingle-phasehalf-bridgepassiveinvertercircuitdesign,WhiIethedesignoftriggercircuitcorresponding.Accordingtotherelatedknowledgeofpowerelectronicstechnology,single-phasebridgeinvertercircuitisacircuitcommon,comparedwiththerectifiercircuit,theDCtoCinvertercircuitbecome.WhentheACsideisconnectedtothepowergrid,calledactiveinverter;whentheACsidedirectlyandloadconnected,calledpassiveinverter,theinvertercircuitiswidelyappliedinreallife.ThisdesignismainlycomposedofCpower,rectifier,filterandhalf-bridgeinvertercircuitfourpartsofthemaincircuitcircuit,drivingcircuitandpowersupplycontrolcircuitinthemaincircuitofinverterbridgecommandworkproperly.Insulatedgatebipolartransistortouseindesign(Insulated-gateBipolarTransistor),theEnglishabbreviationforIGBT.Itisatypicalcontroldevice.ItcombinestheadvantagesofGTRandMOSHET,whichhasagoodcharacteristic.Hasnowbecometheleadingdevice,highpowerelectronicequipment.ThispaperanalyzedandsimulatedwaveformsofIGBTsingle-phasehalf-bridgeinvertercircuitusingpassive.Keywords:IGBT:single-phasehalf-bridge;passiveinverter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，沟通电源、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限制电路。其中，沟通电源、整流、漉波三个部分的功能分别由沟通变压器、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须要依据实际电路的要求进行搭建。逆变电路的基本工作原理以图2的单相桥式逆变电路说明逆变电路最基本的工作原理。图2中SlS4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其协助电路组成。当开关S1.S4闭合，S2、S3断开时，负载电压Uo为正：当开关Sl、S4断开，S2、S3闭合时，UO为负。这样，就把直流电变成了沟通电，变更两组开关的切换频率，即可变更输出沟通电的频率。图2逆变电路原理图单相半桥阻感负载逆变电路图3电压型半桥逆变电路及其电压电流波形在一个周期内，电力晶体管Tl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，t2时刻以前，Tl有驱动信号导通，T2截止，UO=Ud/2。t2时刻关断的Tl,同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i.不能马上变更方向，于是D2导通续流，UO=-Ud/2。T3时刻i°降至零，D2截止，T2导通，i0起先反向增大，此时仍旧有U0=-Ud2o在t4时刻关断T2,同时给Tl发出导通信号，由于感性负载中的电流io不能马上变更方向，Dl先导通续流，此时仍旧有U0=Ud2；t5时刻io降至零，Tl导通，U0=Ud2。单相半桥纯电阻负载逆变电路如图4所示在一个周期内，电力晶体管VI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VI开通时V2关断，则负载两端的电压为：Uo=Ud/2；当Vl关断时V2开通，则负载两端的电压为：UO=-Ud/2。图4单相半桥纯电阻负载逆变电路及IGBT脉冲波形1.3IGBT的结构特点和工作原理IGBT的结构特点IGBT是双极型晶体管(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。图5IGBT结构图如图5所示为一个N沟道增加型绝缘栅双极晶体管结构，"区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+区称为漏区。器件的限制区为栅区，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区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannelregion)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Draininjector),它是IGBT特有的功能区,及漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起放射极的作用，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晶体管供应基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消退沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需限制输入极N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限制的，当门极加正向电压时，门极下方的P区中形成电F载流子到点沟道，电子载流子由放射极的N+区通过导电沟道注入N-区，即为IGBT内部的PNp型晶体管供应基极电流，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-区具有较高的教流广浓度，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内的沟道消逝，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT就关断。图6常用IGBT的电气符号图7IGBT的等效电路图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的栩极G和放射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C及基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和放射极之间电压为OV,则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供应，使得晶体管截止。IGBT及MOSFET一样也是电压限制型器件，在它的栅极G放射极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。假如IGBT栅极及放射极之间的电压，即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作，假如过超群过栅极一放射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样,假如加在IGBT集电极及放射极允许的电压超过集电极一放射极之间的耐压,流过IGBT集电极一放射极的电流超过集电极一放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。IGBT对驱动电路的要求IGBT的驱动条件及它的静态和动态特性亲密相关。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、承受短路实力以及CIVCEdt等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件及器件特性的关系如表1所示：表1门极驱动条件及器件特性的关系特性Vce(on)Ton»Eontoff、Eoff负载短路实力电流dVce/dt+VCE增大降低降低降低增加-VCE减小略减小减小RC增大增加增加减小由于IGBT的开关特性和平安工作区随着栅极驱动电路的变更而变更，因而驱动电路性能的好坏将干脆影响IGBT能否正常工作。为使IGBT能牢靠工作。IGBT对其驱动电路提出了以下要求。1）向IGBT供应适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路供应应IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路供应的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。IGBT导通后的管压降及所加栅源电压有关，在漏源电流肯定的状况下，VGE越高，VDS傩就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作实力。但是，VGE并非越高越好，一般不允许超过20V,嫁由是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15V为宜。2）能向IGBT供应足够的反向栅压。在IGBT关断期间,由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的IGBT加反向栅压f幅值一般为515V）,使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能牢靠截止。3）具有栅极电压限幅电路，爱护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为+20V,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。4）由于IGBT多用于高压场合。要求有足够的输入、输出电隔离实力。所以驱动电路应及整个限制电路在电位上严格隔离，一般采纳高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。5）IGRT的栅极驱动电路应尽可能的简洁、好用。应具有IGBT的完整爱护功能，很强的抗干扰实力，且输出阻抗应尽可能的低。第二章硬件电路设计及参数计算2.1 系统硬件连接单相半桥无源逆变主电路如图8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2.3 2.1整流变压器的参数运算1)变压器二次侧电压U2的计尊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。加大，功率因数变坏，整流元件的耐压上升，增加了装置的成本。依据设计要求，采纳公式：由表查得A=2.34；取£=0.9；角考虑】0°裕量，则B=Cos=0.985取U2=140Vo电压比K=UlU2=220140=l.57。2 )一次、二次电流II、12的计算由p*u-=UiIr=T=,67考虑空载电流取1.=lO53.82A=4A3)变压器容量的计算整流变压器元件选择D整流元件选择:极管承受最大反向电压UDM=®2=&X14()V=197V,考虑三倍裕量，则Utn=3x97V=例V,取60ol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wavi=(l.5*-2)-=2-A=I4.84取15owav,1.570.57故选ZPT5A整流二极管4只，井配15A散热滞。2)源波电容的选择滤波电容C一般依据放电时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，电容量越大。一般不作严格计算，多取2000F以上。因该系统负载不大，故取C"=2200"F耐压按1.5Ur)M=1.5x156V=234V.取250丫。即选用2200渡、250V电容器。3 )IGBT的选择Un=义=5OV因2,取3倍裕量，选耐压为150以上的IGBTo由于IGBT是以最大值标注，且稳定电流及峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜。为此选用1MBH50-090型IGBTo其续流二极管选择及之配套的快速复原二极管EDR60TO0。CKC2为3300UF电解电容整流电路爱护元件的选用1)变压器二次侧熔断器选择由于变压器最大二次电流1.=6A,故选用IoA熔芯即可满意要求。应选用15A、250V熔断器。2.3 驱动电路设计方案IGBT驱动器的基本驱动性能(1)动态驱动实力强，能为IGBT栅极供应具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IGBT在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较人的损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗会大大超过IGBT通态损耗，造成管芯温升较高。这种状况会大大限制IGBT的开关频率和输出实力，同时对IGBT的平安工作构成很大威遍。IGBT的开关速度及其栅极限制信号的变更速度亲密相关。IGBT的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐实力，才能使IGBT栅源电压建立或消逝得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也小能过小，以免驱动回路的杂散电感及栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成回路过高的电流尖峰，这既对主回路平安不利，也简洁在限制电路中造成干扰。(2)能向IGBT供应适当的正向栅乐。IGBT导通肝的管压降及所加栅源电压有关，在集射电流肯定的状况卜，Vge越高，VCe越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作实力。但是，Vge并非越高越好,Vge过大，负载短路时IC增大，I1.BT能承受短路电流的时间削减，时平安不利，一但发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。因此，在有短路程的设备中Vge应选小些，一般选12-15V(3)在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，能向IGBT供应足够的反向栅压。考虑到在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管了的功耗，重则将使裂变电路处于短路直通状态，因此，最好给应处于截止状态的IGBT加一反向栅压(515V),使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能牢靠截止。(4)有足够的输入输出电隔离实力。在很多设备中，IGBT及工频电网有干脆电联系，而限制电路一般不希望如此。另外，很多电路中的IGBT的工作电位差别很大，也不允许限制电路及其干脆藕合。因此驱动器具有电隔离实力可以保证设备的正常工作，也有利于修理调试人员的人身平安。但这种电隔离不应影响驱动信警的正常传输。(5)具有栅压限幅电路，爱护栅极不被击穿。IGBT栅极极眼电压一般为±20V,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6)输入输出信号传输无延时;这小仪能够削减系统响应滞后，而且能提高爱护的快速性。(7)人电感负载下，1GBT的开关时间不能过分短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的平安。驱动电路IGBT的驱动电路如图9所示，此IGBT门极驱动电路采纳了光耦合器使信号电路及门极驱动电路相隔离。当光电耦合器导通时，V截止，Vl导通，IGBT导通。光电耦合器截止，V导通，V2导通，IGBT截止。图9IGBT驱动电路图2.4 触发电路设计方案限制电路须要实现的中主功率器件的通断，通过小的目的。此外，限制电路被试验装置的限制电片的输入电压为8V到35V。围内调整。在芯片的CT端，内调整死区时间。此外此外接个软起动电容即可。图10触发电路图第三章系统仿真3.1SlMu1.lNK仿真软件介绍Simulink是MAT1.AB最重要的组件之一，它供应一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只须要通过简洁宜观的鼠标操作，就可构造出困难的系统。SimUIink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高.、敏捷等优点，并基于以上优点SimUIink已被广泛应用于限制理论和数字信号处理的困难仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件nJ应用于或被要求应用Simulinko3.2 建立仿真模型建立仿真模型的步骤：打开MAT1.AB,进入Simulink吩咐窗口建立主电路的仿真模型。构造限制部分进行参数设置，把电源设置.为直流100V,脉冲信号周期设置为002S,脉宽为50,相位相差180。运行程序，打开示波器视察完成波形观测及分析部分。最终完成仿真模型如图11所示：图11单相半桥无源逆变电路仿真模型图12电源参数设置图13驱动脉冲信号参数设置3.3 仿真结果分析将仿真时间设为0OOs,选择。dell3的仿真算法，将肯定误差设为le-5,运行后可得仿真结果。如图14所示自上而下分别为直流输入电压、逆变器输出的负载沟通电压、负载电流和VI、V2的脉冲波形。沟通电压为50丫的方波电压，周期及驱动信号同为IkHZ。由于选取的参考电压方向为负方向，则Vl开通V2关断时负载电压方向为-501.图14单相半桥无源逆变电路仿真波形第四章小结电力电子技术是一门技术基本课程，也是好用性很强的一门课程。通过此次课程设计，使我更加扎实的驾驭了有关电力电子方面的学问，能够很好的把课堂上所学的学问运用到实际中解决实际问题。虽然在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过I1I己一次又一次的思索，一遍又一遍的细致检查最终找出了缘由所在，同时也暴露出了前期我在这方面的学问欠缺和阅历不足。实践是检验真理的唯一标记，只有通过亲自动手制作，找出问题所在才能更好的驾驭的理论学问。总结本次设计的工作过程，主要做了卜面几点较突出的工作：一、拿到课题后由于学问点比较疏散不知道从何下F，通过查阅大量的相关资料，具体了解了逆变电路的工作原理和IGBT的原理及其运用方法，清晰地了解了逆变电路及IGBT的优点，明确了探讨目标，结合系统的特点按模块化设计各个模块的相关电路结构。二，本文设计的IGBT单相半桥无源逆变电路设计(纯电阻负载)输入直流电压：Ud=100V,输出功率：300W,输出电压波形：IKHz方波。三，文章给出了系统具体的硬件设计方案，硬件结构电路图，各模块的具体介绍，软件流程图和具体汇编语言程序设计。四，在这次课程设计的过程中学会了MAT1.AB的基本运用，利用MAT1.AB仿真感到MAT1.AB是一个好用性的强的软件。参考文献王兆安,刘进军，电力电子技术，机械工业出版社,2009.52王兴贵，陈伟，现代电力电子技术(M),机械工业出版社20193黄忠霖、黄京，电力电子技术的MAT1.AB实践，国防工业出版社,20094李维波，VAT1.AB在电气工程中的应用，中国电力出版社，20195王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，20196李宏.电力电子设备用器件及集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，20197石玉、栗有贤、王文郁.电力电子技术题例及电路设计指导.北京：机械工业出版社，2019