IGBT单相半桥无源逆变电路设计要点.pdf
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1、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
2、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 p
3、assive 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
4、 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 c
5、ircuit 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 ad
6、vantages 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
7、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
8、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 =
9、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,
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、 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
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- IGBT 单相 无源 电路设计 要点
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