IGBT单相半桥无源逆变电路设计要点.pdf

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 I 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-gate 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。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 II ABSTRACT The course design is the subject of IGBT single-phase half-bridge passive inverter circuit design, while the design of trigger circuit corresponding. According to the related knowledge of power electronics technology, single-phase bridge inverter circuit is a circuit common, compared with the rectifier circuit, the DC to AC inverter circuit become. When the AC side is connected to the power grid, called active inverter; when the AC side directly and load connected, called passive inverter, the inverter circuit is widely applied in real life. This design is mainly composed of AC power, rectifier, filter and half-bridge inverter circuit four parts of the main circuit circuit, driving circuit and power supply control circuit in the main circuit of inverter bridge command work properly. Insulated gate bipolar transistor to use in design (Insulated-gate Bipolar Transistor), the English abbreviation for IGBT. It is a typical control device. It combines the advantages of GTR and MOSFET, which has a good characteristic. Has now become the leading device, high power electronic equipment. This paper analyzed and simulated waveforms of IGBT single-phase half-bridge inverter circuit using passive. Keywords:IGBT; single-phase half-bridge; passive inverter 1 第一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 交流 电 源 整 流 滤 波 IGBT 半桥 逆变 电 路 驱动 电路 驱动 电源 2 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。 3 图 4 单相半桥纯电阻负载逆变电路及IGBT 脉冲波形 1.3 IGBT 的结构特点和工作原理 1.3.1 IGBT 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 5 IGBT 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（ Subchannel region ） 。而在 漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区（Drain injector） ， 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 4 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 7 IGBT 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。 1.3.2 IGBT 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 5 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20 V，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+15 V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 515 V） ，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 +20 V， 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。 6 第二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 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： BA U U d 2. 11 2 由表查得 A=2.34 ；取=0.9；角考虑 10°裕量，则 B=cos=0.985 VU150125 985.09.09.0 100 2.112 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 R U P 2 0 2 U U d 0 得 16.7 150 50 P U R 22 0 7 3A 16.7 50 R U I 0 0 A632I2II 0d2 A82.3 57.1 6 K I I 2 1 考虑空载电流取 A4A82.305.1I1 3 ）变压器容量的计算 VA880A4V220 111 IUS ； VA840A6V140 222 IUS ； VA860VA840880 2 1 )( 2 1 21 ）（SSS ； 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 197V140V2U2U 2DM ，考虑三倍裕量， 则 594V197V3UTN ，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 AAI dD 36 2 1 2 1 Id AId D 24. 4 2 1 I AA I I D AVD 8 .14 57.0 24.4 2 57.1 )25.1 ( )( 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 0 C 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 F 以上。因该系统负载不大，故取 0 C =2200 F 8 耐压按 ，234VV1565.11.5U DM 取 250V。 即选用 2200 F 、250V电容器。 3） IGBT 的选择 因 V50 2 U U d 0 ，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 A6I2 ，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 2.3.1 IGBT 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 9 有短路程的设备中Vge应选小些，一般选1215V。 (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 (515V)， 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。 图 9 IGBT 驱动电路图 10 2.4 触发电路设计方案 控制电路需要实现的功能是产生PWM 信号，用于可控制电路中主功率器 件的通断，通过对占空比 的调节，达到控制输出电压大小的目的。此外，控制 电路还具有一定的保护功能。 被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。芯片的输入电 压为 8V到 35V 。它的振荡频率可在100HZ到 500KHZ的范围内调节。 在芯片的 CT 端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。此外此外，其软起 动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。 图 10 触发电路图 第三章系统仿真 3.1 SIMULINK仿真软件介绍 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Simulink 。 11 3.2 建立仿真模型 建立仿真模型的步骤： 打开 MATLAB，进入 Simulink 命令窗口建立主电路的仿真模型。 构造控制部分进行参数设置，把电源设置为直流100V,脉冲信号周期设置为 0.02S，脉宽为 50，相位相差 180。 运行程序，打开示波器观察完成波形观测及分析部分。 最终完成仿真模型如图11 所示： 图 11 单相半桥无源逆变电路仿真模型 图 12 电源参数设置 12 图 13 驱动脉冲信号参数设置 13 3.3 仿真结果分析 将仿真时间设为 0.00s ，选择 ode113 的仿真算法，将绝对误差设为1e-5， 运行后可得仿真结果。 如图 14 所示自上而下分别为直流输入电压、逆变器输出的负载交流电压、 负载电流和 V1、V2的脉冲波形。交流电压为50 v 的方波电压， 周期与驱动信号 同为 1kHz。由于选取的参考电压方向为负方向，则V1 开通 V2关断时负载电压 方向为 -50V。 图 14 单相半桥无源逆变电路仿真波形 14 第四章小结 电力电子技术是一门技术基本课程，也是实用性很强的一门课程。 通过此次 课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电力电子方面的知识，能够很好的把课堂 上所学的知识运用到实际中解决实际问题。虽然在设计过程中虽然遇到了一些问 题， 但经过自己一次又一次的思考， 一遍又一遍的仔细检查终于找出了原因所在， 同时也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践是检验真理的唯一 标志，只有通过亲自动手制作，找出问题所在才能更好的掌握的理论知识。 总结本次设计的工作过程，主要做了下面几点较突出的工作： 一、拿到课题后由于知识点比较疏散不知道从何下手，通过查阅大量的相关 资料，详细了解了逆变电路的工作原理和IGBT的原理及其使用方法，清楚地了 解了逆变电路与IGBT的优点，明确了研究目标，结合系统的特点按模块化设计 各个模块的相关电路结构。 二，本文设计的 IGBT单相半桥无源逆变电路设计（纯电阻负载）输入直流 电压： Ud=100V ，输出功率： 300W ，输出电压波形： 1KHz方波。 三，文章给出了系统具体的硬件设计方案, 硬件结构电路图，各模块的详细 介绍，软件流程图和具体汇编语言程序设计。 四，在这次课程设计的过程中学会了MATLAB 的基本使用，利用 MATLAB 仿真 感到MATLAB 是一个实用性的强的软件。 15 参考文献 1王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 2王兴贵，陈伟，现代电力电子技术（M ）, 机械工业出版社 2010 3黄忠霖、黄京，电力电子技术的MATLAB 实践，国防工业出版社， 2009 4李维波， MATLAB 在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007 5王文郁 . 电力电子技术应用电路 . 北京：机械工业出版社，2001 6 李宏. 电力电子设备用器件与集成电路应用指南. 北京：机械工业出版 社，2001 7 石玉、栗书贤、王文郁 . 电力电子技术题例与电路设计指导. 北京： 机械工业出版社， 1999