单相桥式逆变电路课程设计(编辑修改稿)

单相桥式逆变电路课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

2) 电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流。 3) 负载换流 由负载提供换流电压称为负载换流。 3 4) 强迫换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。 3. 单相电压型逆变电路 1) 半桥逆变电路 a b 图 03 单相半桥电压型逆变电路及其波形 半桥逆变电路原理图如图 03a 所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。 在直流侧接有两个互相串联的电容，两个电容的联结节点就是直流电源的中点。 设开关器件 V1 和 V2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。 当负载为感性时，其工作波形如图 03b 所示。 输出电压 U0 为矩形波，其幅值为 Um=Ud/2。 输出电流 i0 波形随负载的情况而异。 设 t2 时刻以前 V1为通态， V2 为断态。 t2 时刻给 V1 关断信号，给 V2 开通信号，则 V1 关断，但感性负载中的电流 i0 不能立即改变方向，于是 VD2 导通续流。 当 t3 时刻 i0 降为零时， VD2 截止， V2 开通， i0 开始反向。 同样， t4 时刻给 V2 关断信号，给 V1 开通信号，则 V2 关断， VD1 先导通续流， t5 时刻 V1 才开通。 半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。 其缺点是输出交流电压的幅值，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。 2) 全桥逆变电路 a b 4 图 04 单相全桥电压型逆变电路及其波形 电压型全桥逆变电路的原理图如图 04a 所示，它共有 4 个桥臂，可以看成由两个半桥电路组和而成。 把桥臂 1 和 4 作为一对，桥臂 2 和 3 作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180176。 其输出电压 U0 的波形和图 03b的半桥电路的波形 U0 形状一样，但电压幅值高出一倍， Um=Ud。 在直流电压和负载都一样的情况下，输出电流 i0 的波形和图 03b 的半桥电路的 i0 波形形状一样，仅幅值增加一倍。 5 第 1章 方案设计 我这次所选的课题是 单相桥式逆变电路的设计。 设计的内容是 已知直流输入电压 100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在 30～ 60HZ，电压 30～ 50V范围可调，其它性能指标自定。 根据课题和内容，以及上述的介绍选择全桥电压型逆变电路，负载采用阻感负载，利用移相调压来调节输出电压的有效值。 由于 这里给出的是输入为 100V的直流电压， 但 在我们的日常生活中用电都是 220V、 50HZ 的交流电，所以还需要接入一个整流稳压的电路。 要实现 电压 30～ 50V 范围可调 ，则要利用移相调压。 要得到 交流输出电压频率范围在 30～ 60HZ，还需要用到 PWM 控制技术，实现对开关的开关速度控制得到符合输出频率要求的电压信号。 系统框图 主电路控制电路驱 动 电 路保 护 电 路 图 11 系统原理框图 整个网络由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 主电路框图 逆变电路整流电路输 入 输 出 图 12 主电路原理框图 由于 我们的日常生活中用电都是 220V、 50 HZ 的交流电 ，在此加了一个整流电路，具体参数在此并不作说明。 在下面的设计中将省略这一步。 6 主电路原理图 图 13 主电路原理图 图中 1 椭圆虚线里面的为整流电路，稳压为 100V。 图中 2 矩形虚线框里面的则是电压型逆变电路，起到将直流变交流的作用。 7 第 2章 主电路设计 主电路原理图 主电路采用电压型逆变电路其原理图如下图 21： 图 21 主电路原理图 主电路 原理分析 电压型全桥逆变电路如图 21 所示，它共有 4 个桥臂，可以看成由两个半桥电路组和而成。 把桥臂 1 和 4 作为一对，桥臂 2 和 3 作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180176。 其输出电压 U0 的波形和图 03b 的半桥电路的波形 U0 形状一样，但电压幅值高出一倍， Um=Ud。 在直流电压和负载都一样的情况下，输出电流 i0 的波形和图 03b 的半桥电路的 i0 波形形状一样，仅幅值增加一倍。 把幅值为的矩形波展开成傅里叶级数得： (1) 其中基波的幅值 和基波的有效值 分别为 : (2) (3) 8 器件的选择 绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管（ Insulatedgate Bipolar Transistor） ,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 ： (a) (b) 图 22 IGBT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 UGE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 RN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。 电力二极管 电力二极管（ Power Diode）自 20 世纪 50 年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器（ Semiconductor Rectifier— SR） ,其结构和原 理简单，工作可靠，仍然大量应用于许多电设备中。 电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体 PN 结为基础的。 由 N 型半导体和P型半导体结合构成 PN结。 其 结构 和电气符号如下 ： 9 图 23 a)结构和 b)电气符号 当 PN 结外加正向电压，即外加电压的正端接 P区、负端接 N区时，外加电场与 PN 结自建电场方向相反，在外带电路上形成自 P 区流入从 N区流出的电流，这就是 PN 结的正向导通状态。 当 PN 结外加反向电压时，外加电场与 PN 结自建电场方向相同，在外带电路上形成自 N区流入从 P区流出的电流，称之为反向电流。 因此反向偏置的 PN 结表现为高阻态，几乎没有电流通过，这就是反向截止状态。 元件参数 电感电抗： （ 4） 干路电流有效值： （ 5） 已知： 交流输出电压频率范围在 30～ 60HZ，电压 Ud=100V。 又因晶闸管和 IGBT 的导通电流不宜过大，导通电流一般约为 10mA。 代入公式（ 5）得： Ω 选择最高频率 60HZ,代入公式（ 4）得： 使整个电路负载呈感性则有： XR。 电阻选择 3000Ω。 因此 X=6000Ω。 将 X=6000Ω代入公式（ 4）得： 10 所以选择电阻 R=3000Ω ,电感 L=。 第 3章 驱动电路的设计 驱动电路 原理图设计 图 31 驱动电路 原理图 驱动电路的种类 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 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。 采用良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。 11 驱动电路的选择 驱动电路的选择与使用的电力电子器件相关。 在这里我们需要控制 IGBT 的开关，因为 IGBT 是电压型驱动器件所以选择电压型 驱动电路。 常见驱动电力的混合集成电路有三菱公司的 M57918L 芯片。 同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。 图 32 给出了 M57962L 的原理和接线图。 这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断 IGBT，并向外部电路给出故障信号。 M57962L 输出的正驱动电压均为 +15V，左右，负驱动电压为 10V。 图 32 M57962L型 IGBT驱动器的原理和接线图 12 第 4章 控制电路设计 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。 控制电路原理图设计 13 图 41 控制电路原理图 控制电路 原理分析 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 1801。