电力电子课程设计IGBT单相电压型全桥无源逆变电路文档格式.docx
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它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压
所决定的。
当UGE为正且大于开启电压UGE时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应,使得电阻
减小,这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的积极电流被切断,使得IGBT关断。
2.2电压型逆变电路的特点及主要类型
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。
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。
2.3IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析
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主电路设计及参数选择
3.1主电路仿真图
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:
单相电压型全桥无源逆变电路(电阻负载)的主电路
3.2参数设计及计算
3.2.1参数设置
电阻负载,直流侧输入电压
=100V,脉宽为θ=90°
的方波,输出功率为300W,电容和电感都设置为理想零状态。
频率为1000Hz
3.2.2计算
由频率为1000Hz即可得出周期为T=0.001s,由于V3的基波信号比V1的落后了90度(即相当1/4个周期)。
通过换算得:
t3=0.001/4=0.00025s,而t1=0s。
同理得:
t2=0.001/2=0.0005S,而t4=0.00075S。
由理论情况有效值:
Uo=Ud/2=50V。
又因为P=300W所以有电阻:
R=Uo*Uo/P=8.333Ω
则输出电流有效值:
Io=P/Uo=6A
则可得电流幅值为
Imax=12A,Imin=-12A
电压幅值为
Umax=100V,Umin=-100V
晶闸管额定值计算,电流有效值:
Ivt=Imax/4=3A。
额定电流In额定值:
In=(1.5-2)*3=(4.5-6)A。
最大反向电压
Uvt=100V
则额定电压
Un=(2—3)*100V=(200-300)V
3.2.3设置主电路
根据以上计算的各参数即可正确设置主电路图如下,进而仿真出波形图。
VT1的触发电平参数设置
VT2的触发电平参数设置
VT3的触发电平参数设置
VT4的触发电平参数设置
负载参数设置
4仿真电路结果的分析
4.1仿真电路图
4.1.1触发电平的波形图
从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4的触发电压,幅值为5V。
4.1.2负载输出波形图
从上到下依次为输出电流(最大值为12A),输出电压波形(最大值为100V)。
则所得的波形即是上图所示的波形。
一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等,幅值的正负相反,则输出平均电压为0。
同理输出平均电流也为0。
4.1.3器件IGBT的输出波形图
从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4的输出电流和电压波形。
VT1电流波形(最大值12A,最小值0A)VT1电压波形(最大值100V,最小值0V)
VT2电流波形(最大值12A,最小值0A)VT2电压波形(最大值100V,最小值0V)
VT3电流波形(最大值12A,最小值0A)VT3电压波形(最大值100V,最小值0V)
VT4电流波形(最大值12A,最小值0A)VT4电压波形(最大值100V,最小值0V)
4.2仿真波形分析
在接电阻负载时,采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压。
移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。
通过对4.1.1触发脉冲的控制得到如图4.12和4.13的波形图,4.12波形为输出电流电压的波形,由于没有电感负载,在波形图中可看出,一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等,幅值的正负相反,则输出平均电压为0。
VT1电压波形和VT2的互补,VT3电压波形和VT4的互补,但VT3的基极信号不是比VT1落后180°
,而是只落后θ。
即VT3、VT4的栅极信号不是分别和VT2、VT1的栅极信号同相位,而是前移了90°
。
输出的电压就不再是正负各为180°
的的脉冲,而是正负各为90°
的脉冲。
由于没有电感负载,故电流情形与电压相同。
5总结
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。
参考文献
[1]王兆安刘进军.电力电子技术.北京:
机械工业出版社.第五版,2009.5﹒100~103
[2]黄忠霖黄京.电力电子技术MATLAB实践.北京:
国防工业出版社.2009.1.246~248
[3]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真.北京:
机械工业出版社.2010.1.100~107
1引言………………………………………………………………………………1
2工作原理概论……………………………………………………………………1
2.1IGBT的简述……………………………………………………………………1
2.2电压型逆变电路的特点及主要类型…………………………………………2
2.3IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析………………………………2
3主电路设计及参数选择…………………………………………………………3
3.1主电路仿真图…………………………………………………………………4
3.2参数设置及计算…………………………………………………………………4
3.2.1参数设置………………………………………………………………………4
3.2.2计算……………………………………………………………………………4
3.2.3设置主电路……………………………………………………………………5
4仿真电路结果的分析……………………………………………………………7
4.1仿真电路图………………………………………………………………………8
4.1.1触发电平的波形图…………………………………………………………8
4.1.2负载输出波形图……………………………………………………………8
4.1.3器件IGBT的输出波形图……………………………………………………8
4.2仿真波形分析……………………………………………………………………8
5总结………………………………………………………………………………11
参考文献………………………………………………………………………………11
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