PAGEPAGE4成績(jī)南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書(論文)題目IGBT單相全橋無源逆變電路設(shè)計(jì)目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書………………2概述……………5摘要……………51設(shè)計(jì)條件……………51.1技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求……………52單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)…………62.1主電路及工作原理………………62.2負(fù)載端輸出電壓電流波形圖……62.3換流方式………………72.4逆變電路的主要特點(diǎn)…………………73主電路各器件的參數(shù)……………………83.1電壓源參數(shù)……………83.2電阻參數(shù)………………83.3IGBT的選擇及注意事項(xiàng)………………83.4功率二極管的參數(shù)……………………93.5脈沖參數(shù)………………94觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)…………105保護(hù)電路的設(shè)計(jì)…………105.1過電壓保護(hù)……………115.2過電流保護(hù)……………126Matlab仿真電路…………127總結(jié)………………………148心得體會(huì)…………………14參考文獻(xiàn)……………………15

1．課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力與實(shí)際動(dòng)手能力；

2、加深理解《電力電子技術(shù)》課程的基本理論；

3、初步掌握電力電子電路的設(shè)計(jì)方法。2．課程設(shè)計(jì)題目及要求設(shè)計(jì)題目：IGBT單相橋式無源逆變電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）設(shè)計(jì)要求：1、輸入直流電壓：Ud=100V

2、輸出功率：300W

3、輸出電壓波形：1KHz方波3．課程設(shè)計(jì)任務(wù)及工作量的要求〔包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、圖紙、實(shí)物樣品等要求〕1、查找IGBT，電阻，逆變電路等的基本知識(shí)。畫出工作原理圖2、根據(jù)原理圖，計(jì)算各元件的參數(shù)，選擇合適的IGBT和電阻3、根據(jù)選擇的元器件設(shè)計(jì)出主電路4、對(duì)主電路進(jìn)行仿真模擬，得到電壓，電流波形5、對(duì)波形進(jìn)行分析4．主要參考文獻(xiàn)李先允主編電力電子技術(shù)北京：中國(guó)電力出版社，2006佟純厚主編電力電子學(xué)南京：東南大學(xué)出版社，2000王兆安，黃俊主編電力電子技術(shù)（第4版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004黃俊王兆安主編電力電子交流技術(shù)（第3版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994石玉王文郁主編電力電子技術(shù)題解與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20005．課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2010年12月27日－12月29日12月30日－1月6日1月7日－1月9日老師講解有關(guān)課程設(shè)計(jì)的課題選擇，設(shè)計(jì)思路自己通過上網(wǎng)查找與所選課題相關(guān)的一些資料完成住電路設(shè)計(jì)，器件選擇，計(jì)算分析，得到仿真波形，對(duì)波形進(jìn)行分析老師驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告6．成績(jī)考核辦法教研室審查意見： 教研室主任簽字：年月日院（系、部、中心）意見：主管領(lǐng)導(dǎo)簽字：年月日概述電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號(hào)檢測(cè)處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。摘要本次課程設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)帶純電阻負(fù)載的單相全橋逆變電路，然后得到負(fù)載兩端的電壓電流波形。本次所設(shè)計(jì)的單相全橋逆變電路采用IGBT作為開關(guān)器件，將直流電壓Ud逆變?yōu)轭l率為1KHZ的方波電壓，并將它加到負(fù)載電路。負(fù)載電路是由純電阻構(gòu)成的電路，通過電阻的電流波形也為方波。而IGBT的導(dǎo)通，則由脈沖電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖來觸發(fā)其導(dǎo)通。在進(jìn)行主電路的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)主電路的輸入、輸出參數(shù)來確定各個(gè)電力電子器件的參數(shù)，并進(jìn)行器件的選擇，以使設(shè)計(jì)的主電路能夠達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)。1設(shè)計(jì)條件1.1技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求技術(shù)指標(biāo)：1、輸入直流電壓：Ud=100V2、輸出功率：300W3、輸出電壓波形：1KHz方波設(shè)計(jì)要求：?jiǎn)蜗嗳珮蚰孀冸娐返脑O(shè)計(jì)繪制主電路的電路圖運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行仿真模擬分析負(fù)載兩端電壓、電流波形2單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)2.1、主電路及工作原理單相橋式逆變電路由4個(gè)全控型開關(guān)器件（本實(shí)驗(yàn)采用IGBT）、電阻構(gòu)成，直流側(cè)采用一個(gè)電容器即可，其電路圖如下圖所示：?jiǎn)蜗嗳珮蚰孀冸娐分麟娐啡匦烷_關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對(duì)橋臂，T2和T3構(gòu)成一對(duì)橋臂,T1和T4同時(shí)通、斷；T2和T3同時(shí)通、斷。當(dāng)T1、T4閉合，T2、T3斷開時(shí)，負(fù)載電壓為正；當(dāng)T1、T4斷開，T2、T3閉合時(shí)，負(fù)載電壓為負(fù)，其波形如圖a所示，因?yàn)槭羌冸娮柝?fù)載，所以電壓電流波形相同，如圖b所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)T1與T2，T3與T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要互補(bǔ)，即當(dāng)T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，T2和T3無驅(qū)動(dòng)信號(hào)；T2和T3有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，T1和T4無驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩對(duì)橋臂各交替導(dǎo)通180°。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，就可以改變輸出交流電的頻率。2.2、負(fù)載端輸出電壓電流波形圖當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)：（1）負(fù)載端電壓波形分析：當(dāng)期間，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷，這時(shí)U0=Ud當(dāng)期間,T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，這時(shí)U0=-Ud則逆變電路輸出的電壓為180°寬（）的方波，方波幅值為Ud，如圖（a）所示。將用傅里葉級(jí)數(shù)展開得:輸出方波電壓瞬時(shí)值：U0=式中：為輸出電壓基波角頻率；為輸出電壓基波頻率。輸出方波電壓有效值：U0==Ud基波分量的有效值：U01==0.9Ud圖a（2）負(fù)載端電流分析該電路為純電阻負(fù)載，所以負(fù)載電流的波形與電壓波形一樣也是方波。如圖（b）所示圖b電阻阻值的確定：電阻R的取值可以根據(jù)公式：R==與單相半橋逆變電路相比，在相同負(fù)載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。2.4、換流方式 利用全控型器件自身所具有的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流。本實(shí)驗(yàn)采用的是IGBT，所以采用的換流方式即為器件換流。2.5、逆變電路的主要特點(diǎn)直流側(cè)為電壓源，或接有大電容，相當(dāng)于電壓源。電流測(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩行波，并且與阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)電壓波形和相位因負(fù)載阻抗角而異。當(dāng)交流側(cè)為阻感性負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管。3主電路各器件的參數(shù)3.1、電壓源參數(shù)本實(shí)驗(yàn)電壓源Ud=100V3.2、電阻參數(shù)根據(jù)電壓輸出有效值U=Ud=100V，輸出功率P=300W可得R===33.33.3、IGBT的選擇及注意事項(xiàng)IGBT模塊的選擇IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源電壓緊密相關(guān)。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗也會(huì)變大。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。根據(jù)電壓波形把幅值為矩形波展開成傅里葉級(jí)數(shù)得：其中基波的幅值和基波有效值分別為：IGBT晶體管兩端電壓在一個(gè)周期內(nèi)的波形圖為：前半個(gè)周期電壓為0，后半個(gè)周期電壓為，因此，IGBT兩端承受的電壓有效值為：IGBT晶體管承受的最大電壓為：因此，計(jì)算可得IGBT的額定電壓為：其額定電流比負(fù)載電流大即可。使用中注意事項(xiàng)由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸；在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊；盡量在底板良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。此外，在柵極—發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)1.開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)2.相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力3.通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域4.輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似5.與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)3.4、功率二極管的參數(shù)1.正向平均電流（）：指功率二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定殼溫和耗散條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。2.穩(wěn)態(tài)平均電壓（）:在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3.反向重復(fù)峰值電壓（）：對(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。3.5、脈沖參數(shù)要求輸出電壓波形f=1KHZ，即T=1/f=1/1000=0.001s，調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)發(fā)生器，使得4觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)IGBT晶體管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的觸發(fā)脈沖，保證晶體管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶體管觸發(fā)電路往往包括：對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出電路。該主電路對(duì)觸發(fā)電路的要求有以下幾點(diǎn)：1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率，保證在允許的工作溫度范圍內(nèi)，對(duì)所有合格的元件都可靠觸發(fā)。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度。3）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號(hào)的要求在規(guī)定的范圍內(nèi)移動(dòng)。4）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步。如下圖所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動(dòng)電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式，輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí)，放大級(jí)采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動(dòng)電路適用于小容量的IGBT。有正負(fù)偏壓的直接驅(qū)動(dòng)電路5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在中大功率的開關(guān)電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn),已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級(jí),由于受電網(wǎng)波動(dòng)、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大,故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時(shí)除了要作降額考慮外,對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)針對(duì)影響IGBT可靠性的因素,采取相應(yīng)的保護(hù)措施。5.1、過電壓保護(hù)主電路的過電壓保護(hù)措施有：阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)、浪涌過電壓保護(hù)。阻容保護(hù)又分為交流側(cè)阻容保護(hù)和器件側(cè)阻容保護(hù)。對(duì)于晶閘管關(guān)斷過程中產(chǎn)生的尖峰狀的瞬時(shí)過電壓保護(hù)采用的就是器件側(cè)阻容保護(hù)。加上阻容后，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，變壓器電流可通過RC續(xù)流，減小，從而抑制了過電壓。各種過電壓保護(hù)電路如圖（5）所示。5.2、過電流保護(hù)通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一，不過故障電流會(huì)在這個(gè)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。降柵壓旨在檢測(cè)到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定，故障電流在這一期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。6MATLAB仿真運(yùn)用Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)出電路圖為了能夠滿足條件，對(duì)IGBT提供的脈沖，周