单相桥式逆变电路课程设计.doc

电力电子技术课程设计说明书

单相桥式逆变电路的设计

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摘 要
随着电力电子技术的高速发展，逆变电路的应用非常广泛，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当我们使用这些电源向交流负载供电时，就需要用到逆变电路了。本次基于MOSFET的单相桥式无源逆变电路的课程设计，主要涉及IGBT的工作原理、全桥的工作特性和无源逆变的性能。本次所设计的单相全桥逆变电路采用IGBT作为开关器件，将直流电压Ud 逆变为波形电压，并将它加到纯电阻负载两端。
首先分析了单项桥式逆变电路的设计要求。确定了单项桥式逆变电路的总体方案，对主电路、保护电路、驱动电路等单元电路进行了设计和参数的计算，其中保护电路有过电压、过电流、电压上升率、电流上升率等，选择和校验了IGBT、SG3525等元器件，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。最后利用MATLAB仿真软件建立了SIMULINK仿真模型，并进行了波形仿真，仿真的结果证明了完成设计任务要求，满足设计的技术参数要求。

关键词：单相；逆变；设计

ABSTRACT
With the rapid development of power electronics technology, the inverter circuit is widely used, batteries, dry batteries, solar cells are DC power supply, when we use these power supply power to the AC load, you need to use the inverter circuit. This time based on MOSFET single phase bridge inverter circuit design, mainly related to the work principle of IGBT, the full bridge of the working characteristics and the performance of passive inverter. The single-phase full bridge inverter circuit designed by IGBT as the switching device, the DC voltage Ud inverter as the waveform voltage, and will be added to the pure resistance load at both ends.
Firstly, the design requirements of the single bridge inverter circuit are analyzed. To determine the overall scheme of single bridge inverter circuit, of the main circuit, protection circuit, driving circuit unit circuit design and parameter calculation, the protection circuit have voltage, current and voltage rate of rise, the current rate of rise, selection and validation of the IGBT and SG3525 components, IGBT is by BJT (bipolar transistor) and MOS (insulated gate field effect transistor) composed of full control type voltage driven type power semiconductor devices, both MOSFET's high input impedance and GTR low conductance through the advantages of pressure drop. At last, the MATLAB simulation software is used to build the SIMULINK model, and the simulation results are carried out. The results prove that the design task is required to meet the design requirements.

Keywords: single phase; inverter; design
IV

目 录
1 绪论………………………………………………………………………………1
1.1 逆变电路的背景与意义…………………………………………………1
1.2 逆变器技术的发展现状…………………………………………………2
1.3 本设计主要内容…………………………………………………………2
2 单相桥式逆变电路主电路设计…………………………………………………3
2.1 方案设计……………………………………………………………………3
2.1.1 系统框图…………………………………………………………3
2.1.2 主电路框图………………………………………………………3
2.2 逆变电路分类及特点………………………………………………………3
2.2.1 电压型逆变电路的特点…………………………………………3
2.2.2 单项全桥逆变电路的移相调压方式……………………………4
2.3 主电路的设计……………………………………………………………4
2.4 相关参数的计算…………………………………………………………5
3 辅助电路设计……………………………………………………………………7
3.1 保护电路的设计……………………………………………………………7
3.1.1 保护电路的种类…………………………………………………7
3.1.2 保护电路的作用…………………………………………………7
3.1.3 过电流保护电路…………………………………………………8
3.2 驱动电路的设计…………………………………………………………8
3.2.1 驱动电路的种类及作用…………………………………………8
3.2.2 驱动电路的设计…………………………………………………8
3.2.3 驱动电路的原理…………………………………………………9
3.3 控制电路的设计…………………………………………………………9
3.3.1 控制电路的作用…………………………………………………9
3.3.2 控制电路原理分析………………………………………………9
4 仿真分析………………………………………………………………………11
4.1 仿真软件MATLAB介绍…………………………………………………11
4.2 主电路仿真图及参数计算………………………………………………13
4.3 仿真所得波形……………………………………………………………16
4.4 波形分析…………………………………………………………………17
结束语………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………19
附录…………………………………………………………………………………21

1 绪论
1.1 逆变电路的背景与意义
随着电力电子技术的高速发展，逆变电路的应用非常广泛，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当我们使用这些电源向交流负载供电时，就需要用到逆变电路了。另外，交流电动机调速用变频器，不间断电源，感应加热电源等电力电子设备使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。有人甚至说，电力电子技术早起曾处于整流器时代，后来则进入逆变器时代。
随着各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变电路在许多领域获得了越来越广泛的应用。下面例举的是其几个方面的主要应用。
（1）光伏发电
能源危机和环境污染是目前全世界面临的重大问题，开发利用新能源和可再生能源是21世纪经济发展中最具有决定性影响的技术之一，充分开发利用太阳能世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的直流电，通过逆变电路变换为交流电供给负载或并入电网，供用户使用。
（2）不间断电源系统
在通信设备、医疗设备等对电源持续供电要求高的设备中都需要采用不间断电源UPS。UPS的主要构件有充电器和逆变器。在电网有电时，充电器为蓄电池充电，负载由电网供电；在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成交流电供给用电设备。
（3）交流电动机变频调速
采用逆变技术将普通交流电网电压变化成电压、频率都可调的交流电，供给交流电动机，以便调节电动机的转速。
（4）直流输电
由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是一个发展方向，首先把交流电整流成高压直流电，再进行远距离输送，然后再逆变成交流电供给用电设备。
（5）风力发电
风力发动机因受风力变化的影响，发出的交流电很不稳定，并网或供给用电设备都不安全，可以将其整成直流，然后再逆变成比较稳定的交流，就能安全的并到交流电网上或直接供给用电设备。
1.2 逆变器技术的发展现状
逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始发展至今经历了五个阶段。
第一阶段：20世纪50-60年代，晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件。
第二阶段：20世纪70年代，可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世，使得逆变技术得到发展和应用。
第三阶段：20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。
第四阶段：20世纪90年代，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展。
第五阶段：21世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。现在的逆变技术可达到低至48伏的工作电压，并且性能稳定。逆变器可用在电脑、电视、应急灯、电扇、手机充电器、录音机等各种电器上。
1.3 本设计主要内容
首先分析了单项桥式逆变电路的设计要求。确定了单项桥式逆变电路的总体方案，对主电路、保护电路、驱动电路等单元电路进行了设计和参数的计算，其中保护电路有过电压、过电流、电压上升率、电流上升率等，选择和校验了IGBT、SG3525等元器件，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。最后利用MATLAB仿真软件建立了SIMULINK仿真模型，并进行了波形仿真，仿真的结果证明了完成设计任务要求，满足设计的技术参数要求。
本设计说明书共分为四章。
第一章 绪论介绍了逆变电路的意义及发展。
第二章 介绍了单相桥式逆变电路的主电路设计及相关参数计算。
第三章 主要介绍了辅助电路的设计，其中包括保护电路、驱动电路、控制电路的设计。
第四章 主要介绍了MATLAB仿真及波形分析。
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2 单相桥式逆变电路主电路设计
2.1 设计方案
2.1.1 系统框图

图1 系统原理框图
整个网络有控制电路、驱动电路、保护电路和电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
2.1.2 主电路框图

图2 主电路原理框图
由于我们生活日常用电都是220V、50Hz的交流电，在此增加了一个整流电路，具体参数在此并不作说明。
2.2 逆变电路分类及特点
逆变电路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。本设计采用电压型逆变电路。
2.2.1 电压型逆变电路的特点
(1) 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) 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：
1）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。
2）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。
3）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）
2.2.2 单相全桥逆变电路的移相调压方式
共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压——移相调压。

图3 电压型全桥无源逆变电路的电路图
V3的基极信号比V1落后q （0＜ q ＜180 °）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－q。输出电压是正负各为q 的脉冲。改变q 就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。
2.3 主电路的设计
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4 主电路原理图
由于采用绝缘栅晶体管（IGBT）来设计,如图4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VD3的基极信号落后于VD1的90度，VD4的基极信号落后于VD2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。
2.4 有关参数计算
晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使、承受一段反压时间才能保证其可靠关断。=应大于晶闸管的关断时间。
为了保证可靠换流，应在负载电压过零前= 时刻触发、。
称为触发引前时间：
（1） 负载电流超前于负载电压的时间：

（2）
将表示为电角度可得：

（3）
式中，为电路工作角频率；、分别、是对应的电角度。也就是负载的功率因数角。
忽略换流过程，可近似成矩形波，展开成傅里叶级数可得：
（4）
负载电压有效值和直流电压之间的关系（忽略Ld的损耗，再忽略晶闸管压降）：
（5）

晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和。
（6）
将Ud=100V，α=45°代入（6）中得

取=150V，则晶闸管承受的最大正向电压为：

晶闸管承受的最大反向电压为：

当Id=1A时，可得晶闸管的额定电流为：

通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为KP10-10。
二极管承受的最大反向电压为：

根据分析计算，本次课程设计所采用的二极管类型为1N4004。

3 辅助电路设计
3.1 保护电路的设计
3.1.1 保护电路的种类
随着电子系统的复杂性和集成度越来越高，而工作电压越来越低，电子系统对可靠性、稳定性和安全性的要求也越来越高，电路保护设计的重要性也越来越强。保护电路主要分为三种：过电压保护电路、过电流保护电路以及过温保护电路。本设计采用过电流保护电路。
换相过电压保护：由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而当晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。换相过电压保护电路如图所示，其中R1为10K，C1为0.01uF，D1型号为1N4004，V1型号为KP10-10.

图5 换相过电压保护电路
关断过电压保护：全控型器件在较高频率工作下，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。关断电压保护电路如图所示，其中R1为10K，C1为0.01uF，D1型号为1N4004。

图6 关断电压保护电路
3.1.2 保护电路的作用
保护电路的作用就是防止系统在外部电压不稳定时而导致的部分器件在过电压或过电流的情况下被烧坏以及温度过高而引起器件失效，造成电路瘫痪而无法继续工作。
3.1.3   过电流保护电路
过电流保护电路用来防止流过电力电子器件的电流过大而被烧坏。过电流保护在电力电子变换和控制系统运行不正常或发生故障时，可能发生过电流造成开关器件的永久性损坏，快速熔断器是电力电子变换器系统中常用的一种过电流保护措施。快速熔断器的过流保护原理是基于快速熔断器特性与器件特性的保护配合来完成的，即通过选择快速熔断器的短路容量约器件的热容量，使得当发生过流时快速熔断器先熔断，以保护器件不损坏。另一种方法是采用电流检测、比较、判断，在过流瞬间及时关断电路。如图7所示,过流保护信号取自CT2,经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端,如图7所示。当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时,比较器输出高电平,使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并把同相端电位提升为高电平,使电压比较器一直稳定输出高电平。同时,该过电流信号还送到SG3525的脚10。当SG3525的脚10为高电平时,其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。

图7 过电流保护电路
3.2 驱动电路的设计
3.2.1 驱动电路的种类及作用
驱动电路有电流型驱动电路和电压型驱动电路。驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM脉冲放大到足以驱动功率晶体管——开关功率放大作用。采用良好的驱动电路，可使电力电子器件的工作更加理想。
3.2.2 驱动电路的设计
驱动电路的设计既要考虑在功率管需要导通时,能迅速地建立起驱动电压,又要考虑在需要关断时,能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷,拉低驱动电压。具体驱动电路如图8所示，图中控制信号为SPWM1。   

 图8 驱动电路
3.2.3 驱动电路的工作原理
当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦导通,使Q1的基极电位迅速上升,导致D2导通,功率管的栅极电压上升,使功率管导通;当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦不导通,使Q1的基极电位拉低,而功率管栅极上的电压还为高,所以导致Q1导通,功率管的栅极电荷通过Q1及电阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地关断。当然,对于功率管的保护同样重要,所以在功率管源极和漏极之间要加一个缓冲电路避免功率管被过高的正、反向电压所损坏。
3.3 控制电路的设计
3.3.1 控制电路的作用
控制电路的作用就是通过控制驱动电路运行进而控制IGBT的通断。又因IGBT的关断速度决定了输出电压的频率。所以控制电路就是通过产生一定频率的脉冲信号来控制驱动电路进而控制IGBT的关断改变电流方向和电压方向从而得到想要频率的输出交流电压。
3.3.2 控制电路原理分析

图9 控制电路
在这里采用2片集成函数发生器ICL8038，分别用于发生频率一样的正弦波和三角波，它们共同经过运放（LM311）、非门（74HC04）生成两路PWM信号，这两路信号分别是PWM+、PWM-，它们的相位差为180°。然后通过芯片4528以及与门（74HC08）得到两路频率一样但相位相差（180°-θ）的SPWM波形，它们分别是SPWM1、SPWM2。将SPWM1分成两路接驱动电路用来控制开关V1、V4，将SPWM2分成两路接驱动电路用来控制开关V2、V3。D触发器产生的STOP停止信号用来分别与SPWM1、SPWM2相与使驱动电路停止工作。从而实现逆变电路输出波形的开与关。

4 仿真分析
4.1 仿真软件MATLAB介绍
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB同时还可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言和程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、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，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink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、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
MATLAB仿真步骤如下：
（1） 打开MATLAB软件，点击Simulink按钮打开Simulink仿真环境，如下图所示：

图10 打开Simulink仿真环境
（2）打开Simulink后，主界面如下所示：

图11 Simulink主界面
（3）点击Simulink界面中的File/New/Model，建立并保存模型文件。如下图所示：

图12 保存模型文件
4.2 主电路仿真图及参数计算

图13 主电路仿真图
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300MV，电容和电感都设置为理想零状态。频率为1000Hz。
由频率为1000Hz即可得出周期为T=0.001s，由于V2的基波信号比V1落后了90°，通过换算得：
=0.001/4=0.00025s，而 =0s。
同理有:
=0.001/2=0.0005s,而 =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
则可得到电流幅值为：
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=-1.5A
最大反向电压:
Uvt=100V
则额定电压：
Un=（2-3）*100V=-100V
根据以上计算的各参数即可正确设置主电路如下，进而仿真波形图。
仿真图所调用的模块如下：

图14 IGBT模块

图15 Pulse Generator模块

图16 DC Voltage Source模块

图17 powergui模块

图18 Voltage Measurement模块

图19 Current Measurement模块

图23 Diode模块

图20 VT1的触发电平设置

图21 VT2的触发电平设置

图22 VT3的触发电平设置

图23 VT4的触发电平设置

图24 负载参数设置

图25 直流电压设置
4.3 仿真所得波形

图26 scope中的波形

图27 scope1中的波形
4.4 波形分析
输入电压特点：Ud为100V的恒流电压源。
输出电流特点：Io近似正弦波，且连续，输出电流周期为0.02s，频率均为50Hz。
控制脉冲特点：控制脉冲频率为50Hz，幅值为1V，假设VT4的延迟角为0°，则由图中可得VT1的延迟角90°，VT2的延迟角为270°，VT3的延迟角为180°。
输出电压特点：Uo为电压源经过的单项逆变器移相调压后交流电压幅值不变，占空比为1:4,所以电压有效值为50V。
从仿真结果波形图观察输入直流电压为100V，经过逆变电路后输出交流电压为50V，频率为50Hz，符合课程设计要求。

结束语
这次的电力电子技术设计，让我们有机会将我们在课堂上学到的知识运用到实际当中。通过对掌握的知识的理解以及运用，做一些比较与分析。既验证了自己所学到的理论知识，又相当于温习了一遍之前学到的内容。做这个课程设计，也许刚开始会异常困难，但只要坚持下去，稳扎稳打的做好每一步，就一定会成功的。通过这次课程设计，我进一步巩固并加深了对课本专业知识的理解，更熟悉了单相桥式无源电路的原理和触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了很多困难，于是就翻阅资料，咨询同学老师。我最后找出了自己的错误并加以改正，这也是我的收获，不但使我进一步提高了我的实践动手能力，也让我在未来的学习工作中有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从实践中得出结论，从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次设计，我把以前所学的知识重新温故，巩固了所学知识，让我受益匪浅。
做过此次的课程设计后，我想在变频技术这个方向努力。变频技术及这一领域的电力电子变换装置主要是为了这样一个目标:即根据用户的需求实现电能的AC-AC变换，包括实现电压、电流、频率、波形等主要参数的变换。到目前为止，变频技术的主回路拓扑基本上还是以AC-DC-AC变换为主，其中AC-DC环节以现代整流技术并配以大容量L、C来实现,而DC-AC变换则由集成化场控器件构建的主回路和经过优化设计并采用集成化、智能化、数字化控制电路来完成。变频技术及其装置得到了极其广泛的应用。
在此，也要感谢老师这学期的悉心教导，同时对那些给予我帮助的同学表示由衷的感谢。我会继续努力的！

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