IGBT单相半桥无源逆变电路设计概要.docx
- 文档编号:24718854
- 上传时间:2023-05-31
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:209.12KB
IGBT单相半桥无源逆变电路设计概要.docx
《IGBT单相半桥无源逆变电路设计概要.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《IGBT单相半桥无源逆变电路设计概要.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
IGBT单相半桥无源逆变电路设计概要
《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:
电子与信息工程学院
学生姓名:
指导教师:
职称:
博士
专业:
自动化
班级:
完成时间:
2013年5月20日
摘要
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。
根据电力电子技术的相关知识,单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路,与整流电路相比较,把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。
当交流侧接在电网上,称为有源逆变;当交流侧直接和负载相接时,称为无源逆变,逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。
本次设计中主要由交流电源,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控制电路。
设计中使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MOSFET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。
本文对使用的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
ABSTRACT
ThecoursedesignisthesubjectofIGBTsingle-phasehalf-bridgepassiveinvertercircuitdesign,whilethedesignoftriggercircuitcorresponding.Accordingtotherelatedknowledgeofpowerelectronicstechnology,single-phasebridgeinvertercircuitisacircuitcommon,comparedwiththerectifiercircuit,theDCtoACinvertercircuitbecome.WhentheACsideisconnectedtothepowergrid,calledactiveinverter;whentheACsidedirectlyandloadconnected,calledpassiveinverter,theinvertercircuitiswidelyappliedinreallife.
ThisdesignismainlycomposedofACpower,rectifier,filterandhalf-bridgeinvertercircuitfourpartsofthemaincircuitcircuit,drivingcircuitandpowersupplycontrolcircuitinthemaincircuitofinverterbridgecommandworkproperly.Insulatedgatebipolartransistortouseindesign(Insulated-gateBipolarTransistor),theEnglishabbreviationforIGBT.Itisatypicalcontroldevice.ItcombinestheadvantagesofGTRandMOSFET,whichhasagoodcharacteristic.Hasnowbecometheleadingdevice,highpowerelectronicequipment.ThispaperanalyzedandsimulatedwaveformsofIGBTsingle-phasehalf-bridgeinvertercircuitusingpassive.
Keywords:
IGBT;single-phasehalf-bridge;passiveinverter
第1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际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
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。
图2逆变电路原理图
1.2.2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,t2时刻以前,T1有驱动信号导通,T2截止,U0=Ud/2。
t2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,U0=-Ud/2。
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U0=-Ud/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U0=Ud/2;
t5时刻i。
降至零,T1导通,U0=Ud/2。
1.2.3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,则负载两端的电压为:
Uo=Ud/2;当V1关断时V2开通,则负载两端的电压为:
U0=-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
1.3.1IGBT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沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构,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(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,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,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型晶体管提供基极电流,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的栅极G和发射极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,使得晶体管截止。
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-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-发射极之间的耐压,流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-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。
1.3.2IGBT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
特性
Vce(on)
Ton、Eon
toff、Eoff
负载短路能力
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的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化,因而驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常工作。
为使IGBT能可靠工作。
IGBT对其驱动电路提出了以下要求。
1)向IGBT提供适当的正向栅压。
并且在IGBT导通后。
栅极驱动电路提供给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,栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。
IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下,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能力。
但是,VGE并非越高越好,一般不允许超过20V,原因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提供足够的反向栅压。
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加一反向栅压f幅值一般为5~15V),使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
3)具有栅极电压限幅电路,保护栅极不被击穿。
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。
要求有足够的输人、输出电隔离能力。
所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离,一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。
5)IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。
应具有IGBT的完整保护功能,很强的抗干扰能力,且输出阻抗应尽可能的低。
第2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
2.2.1整流变压器的参数运算
1)变压器二次侧电压U2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α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:
由表查得A=2.34;取ε=0.9;α角考虑10°裕量,则B=cosα=0.985
取U2=140V。
电压比K=U1/U2=220/140=1.57。
2)一次、二次电流I1、I2的计算
由
得
考虑空载电流取
3)变压器容量的计算
;
;
;
2.2.2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
,考虑三倍裕量,则
,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
取15A。
故选ZP-15A整流二极管4只,并配15A散热器。
2)滤波电容的选择
滤波电容
一般根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2000
以上。
因该系统负载不大,故取
=2200
耐压按
取250V。
即选用2200
、250V电容器。
3)IGBT的选择
因
,取3倍裕量,选耐压为150以上的IGBT。
由于IGBT是以最大值标注,且稳定电流与峰值电流间大致为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IGBT。
其续流二极管选择与之配套的快速恢复二极管EDR60-100。
Cl、C2为3300uF电解电容
2.2.3整流电路保护元件的选用
1)变压器二次侧熔断器选择
由于变压器最大二次电流
,故选用10A熔芯即可满足要求。
应选用15A、250V熔断器。
2.3驱动电路设计方案
2.3.1IGBT驱动器的基本驱动性能
(1)动态驱动能力强,能为IGBT栅极提供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。
这种情况会大大限制IGBT的开关频率和输出能力,同时对IGBT的安全工作构成很大威胁。
IGBT的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。
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能力,才能使IGBT栅源电压建立或消失得足够快,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与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,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。
(2)能向IGBT提供适当的正向栅乐。
IGBT导通肝的管压降与所加栅源电压有关,在集射电流一定的情况下,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能力。
但是,Vge井非越高越好,Vge过大,负载短路时Ic增大,IL.BT能承受短路电流的时间减少,对安全不利,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提供足够的反向栅压。
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(5~15V),使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
(4)有足够的输入输出电隔离能力。
在许多设备中,IGBT与工频电网有直接电联系,而控制电路一般不希望如此。
另外,许多电路中的IGBT的工作电位差别很大,也不允许控制电路与其直接藕合。
因此驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作,也有利于维修调试人员的人身安全。
但这种电隔离不应影响驱动信譬的正常传输。
(5)具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。
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。
这小仪能够减少系统响应滞后,而且能提高保护的快速性。
(7)人电感负载下,IGBT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的安全。
2.3.2驱动电路
IGBT的驱动电路如图9所示,此IGBT门极驱动电路采用了光耦合器使信号电路与门极驱动电路相隔离。
当光电耦合器导通时,V截止,V1导通,IGBT导通。
光电耦合器截止,V导通,V2导通,IGBT截止。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- IGBT 单相 无源 电路设计 概要