IGBT单相桥式无源逆变电路

南京信息工程大学电子电力技术题目：IGBT单相桥式无源逆变电路的仿真分析姓名：学号：专业：院系：指导老师：摘要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。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。本文对其波形进行了仿真和分析。关键词：IGBG,单相桥式逆变电路，无源一工作原理概论1.1IGBT的简述绝缘栅双极晶体管（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。IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与MOSFET相连接所构成的一种器件。其等效电路和电气符号如下：图1IGBT等效电路和电气图形符号它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压错误!未找到引用源。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。由于前提到的电导调制效应，使得电阻错误!未找到引用源。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。1.2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。1.3IGBT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。二主电路设计及参数选择2.1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2.2参数设计及计算2.2.1参数设置电阻负载，直流侧输入电压错误!未找到引用源。=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1000Hz2.2.2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）V2.2.3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三仿真电路结果的分析3.1仿真电路图3.1.1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。3.1.2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。3.1.3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）3.2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。四总结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