1、電力電子技術課程設計說明書單相橋式逆變電路的設計院、部學生姓名：指導教師：職稱專業：班級：學號：完成時間隨著電力電子技術的高速發展，逆變電路的應用非常廣泛，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當我們使用這些電源向交流負載供電時，就需要用到逆變電路了。本次基于MOSFET單相橋式無源逆變電路的課程設計，主要涉及IGBT的工作原理、全橋的工作特性和無源逆變的性能。本次所設計的單相全橋逆變電路采用IGBT作為開關器件，將直流電壓Ud逆變為波形電壓，并將它加到純電阻負載兩端。首先分析了單項橋式逆變電路的設計要求。確定了單項橋式逆變電路的總體方案，對主電路、保護電路、驅動電路等單元電路進行了設計和

2、參數的計算，其中保護電路有過電壓、過電流、電壓上升率、電流上升率等，選擇和校驗了IGBT、SG352駢元器件，IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS舶緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET高輸入阻抗和GTR勺低導通壓降兩方面的優點。最后利用MATLAB?真軟件建立了SIMULIN期真模型，并進行了波形仿真，仿真的結果證明了完成設計任務要求，滿足設計的技術參數要求。關鍵詞：單相；逆變；設計ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofpowerelectronicstechnology,theinvertercircuitiswidel

3、yused,batteries,drybatteries,solarcellsareDCpowersupply,whenweusethesepowersupplypowertotheACload,youneedtousetheinvertercircuit.ThistimebasedonMOSFETsinglephasebridgeinvertercircuitdesign,mainlyrelatedtotheworkprincipleofIGBT,thefullbridgeoftheworkingcharacteristicsandtheperformanceofpassiveinverte

4、r.Thesingle-phasefullbridgeinvertercircuitdesignedbyIGBTastheswitchingdevice,theDCvoltageUdinverterasthewaveformvoltage,andwillbeaddedtothepureresistanceloadatbothends.Firstly,thedesignrequirementsofthesinglebridgeinvertercircuitareanalyzed.Todeterminetheoverallschemeofsinglebridgeinvertercircuit,of

5、themaincircuit,protectioncircuit,drivingcircuitunitcircuitdesignandparametercalculation,theprotectioncircuithavevoltage,currentandvoltagerateofrise,thecurrentrateofrise,selectionandvalidationoftheIGBTandSG3525components,IGBTisbyBJT(bipolartransistor)andMOS(insulatedgatefieldeffecttransistor)composed

6、offullcontroltypevoltagedriventypepowersemiconductordevices,bothMOSFETshighinputimpedanceandGTRlowconductancethroughtheadvantagesofpressuredrop.Atlast,theMATLABsimulationsoftwareisusedtobuildtheSIMULINKmodel,andthesimulationresultsarecarriedout.Theresultsprovethatthedesigntaskisrequiredtomeetthedesi

7、gnrequirements.Keywords:singlephase;inverter;design1 緒論11.1 逆變電路的背景與意義11.2 逆變器技術的發展現狀21.3 本設計主要內容22單相橋式逆變電路主電路設計31 方案設計31.2 系統框圖31.2 主電路框圖31 逆變電路分類及特點31.3 電壓型逆變電路的特點31.3 單項全橋逆變電路的移相調壓方式41 主電路的設計41 相關參數的計算5(5) 輔助電路設計7(5) 保護電路的設計75.2 保護電路的種類75.2 保護電路的作用75.2 過電流保護電路8(5) 驅動電路的設計85.3 驅動電路的種類及作用85.3 驅動電路的

8、設計85.3 驅動電路的原理9(5) 控制電路的設計95.4 控制電路的作用95.4 控制電路原理分析9(6) 仿真分析11(6) 仿真軟件MATLA的紹11(6) 主電路仿真圖及參數計算13(6) 仿真所得波形16(6) 波形分析17結束語18參考文獻19附錄211緒論逆變電路的背景與意義隨著電力電子技術的高速發展，逆變電路的應用非常廣泛，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當我們使用這些電源向交流負載供電時，就需要用到逆變電路了。另外，交流電動機調速用變頻器，不間斷電源，感應加熱電源等電力電子設備使用非常廣泛，具電路的核心部分都是逆變電路。有人甚至說，電力電子技術早起曾處于整流器時代

9、，后來則進入逆變器時代。隨著各行各業對電氣設備控制性能要求的提高，逆變電路在許多領域獲得了越來越廣泛的應用。下面例舉的是其幾個方面的主要應用。(1)光伏發電能源危機和環境污染是目前全世界面臨的重大問題，開發利用新能源和可再生能源是21世紀經濟發展中最具有決定性影響的技術之一，充分開發利用太陽能世界各國可持續發展的能源戰略決策，其中光伏發電最受矚目。太陽能光伏發電就是將由太陽電池陣列產生的直流電，通過逆變電路變換為交流電供給負載或并入電網，供用戶使用。(2)不間斷電源系統在通信設備、醫療設備等對電源持續供電要求高的設備中都需要采用不間斷電源UPSUPS的主要構件有充電器和逆變器。在電網有電時，充

10、電器為蓄電池充電，負載由電網供電；在電網停電時，逆變器將蓄電池提供的直流電逆變成交流電供給用電設備。(3)交流電動機變頻調速采用逆變技術將普通交流電網電壓變化成電壓、頻率都可調的交流電，供給交流電動機，以便調節電動機的轉速。(4)直流輸電由于交流輸電架線復雜、損耗大、電磁波污染環境，所以直流輸電是一個發展方向，首先把交流電整流成高壓直流電，再進行遠距離輸送，然后再逆變成交流電供給用電設備。(5)風力發電風力發動機因受風力變化的影響，發出的交流電很不穩定，并網或供給用電設備都不安全，可以將其整成直流，然后再逆變成比較穩定的交流，就能安全的并到交流電網上或直接供給用電設備。逆變器技術的發展現狀逆變

11、器技術的發展始終與功率器件及其控制技術的發展緊密結合，從開始發展至今經歷了五個階段。第一階段：20世紀50-60年代，品閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的發展創造了條件。第二階段：20世紀70年代，可關斷晶閘管GTO雙極型晶體管BJT的問世，使得逆變技術得到發展和應用。第三階段：20世紀80年代，功率場效應管、絕緣柵型晶體管、MOS空制品閘管等功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發展奠定了基礎。第四階段：20世紀90年代，微電子技術的發展使新近的控制技術如矢量控制技術、多電平變換技術、重復控制、模糊控制等技術在逆變領域得到了較好的應用，極大的促進了逆變器技術的發展。第五階段：21世紀初，逆變技術的

12、發展隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的進步不斷改進，逆變技術正朝著高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向發展。現在的逆變技術可達到低至48伏的工作電壓，并且性能穩定。逆變器可用在電腦、電視、應急燈、電扇、手機充電器、錄音機等各種電器上。本設計主要內容首先分析了單項橋式逆變電路的設計要求。確定了單項橋式逆變電路的總體方案，對主電路、保護電路、驅動電路等單元電路進行了設計和參數的計算，其中保護電路有過電壓、過電流、電壓上升率、電流上升率等，選擇和校驗了IGBT、SG3525I?元器件，IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS心緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半

13、導體器件，兼有MOSFET高輸入阻抗和GTR勺低導通壓降兩方面的優點。最后利用MATLA的真軟件建立了SIMULIN期真模型，并進行了波形仿真，仿真的結果證明了完成設計任務要求，滿足設計的技術參數要求。本設計說明書共分為四章。第一章緒論介紹了逆變電路的意義及發展。第二章介紹了單相橋式逆變電路的主電路設計及相關參數計算。第三章主要介紹了輔助電路的設計，其中包括保護電路、驅動電路、控制電路的設計。第四章主要介紹了MATLA的真及波形分析。2單相橋式逆變電路主電路設計設計方案系統框圖圖1系統原理框圖整個網絡有控制電路、驅動電路、保護電路和電力電子器件為核心的主電路組成一個系統。主電路框圖圖2主電路原

14、理框圖由于我們生活日常用電都是220V、50Hz的交流電，在此增加了一個整流電路，具體參數在此并不作說明。逆變電路分類及特點逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路。本設計采用電壓型逆變電路。電壓型逆變電路的特點（1）逆變電路分為三相和單相兩大類。其中，單相逆變電路主要采用橋式接法。主要有單相半橋和單相全橋逆變電路。而三相電壓型逆變電路則是由三個單相逆變電路組成。（2）根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特點：1）直流側為電壓

15、源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻抗的情況不同而不同。3）當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側想直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。（又稱為續流二極管）2.2.2單相全橋逆變電路的移相調壓方式共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現。阻感負載

16、時，還可采用移相的方式來調節輸出電壓一一移相調壓。圖3電壓型全橋無源逆變電路的電路圖V3的基極信號比V1落后？(0?1800)。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1前移180070輸出電壓是正負各為？?的脈沖。改變？?就可調節輸出電壓。故移相調壓就是調節輸出電壓的脈寬。主電路的設計單相逆變電路主要采用橋式接法。它的電路結構主要由四個橋臂組成，其中每個橋臂都有一個全控器件IGBT和一個反向并接的續流二極管，在直流側并聯有大電容而負載接在橋臂之間。其中橋臂1,4為一對，橋臂2,3為一對。可以看成由兩個半橋電路組合而成。其基本電路連接圖如下所示：圖4主電路原理圖由于采用絕緣柵晶體管(IGBT)來設計

17、，如圖4的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設計為電阻負載，故應將RLC負載中電感、電容的值設為零。此電路由兩對橋臂組成，V1和Q與V2和為兩對橋臂各導通180度。再加上采用了移相調壓法，所以VD3的基極信號落后于VD1的90度，VD4的基極信號落后于VD2的90度。因為是電阻負載，故晶體管均沒有續流作用。輸出電壓和電流的波形相同，均為90度正值、90度零、90度負值、90度零這樣一直循環下去。有關參數計算品閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間tp才能保證其可靠關斷。tp=t5-t4應大于晶閘管的關斷時間ho為了保證可靠換流，應在負載電壓Uo過零前

18、t6=t5-t2時刻觸發VT2、VT3。t稱為觸發引前時間：ts=t丫h(1)負載電流io超前于負載電壓Uo的時間：將tcp表示為電角度中可得：io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數可得:忽略換流過程，負載電壓有效值管壓降）：式中，切為電路工作角頻率；?、P分別ty、tp是對應的電角度。中也就是負載的功率因數角。41/1-一1一一一八io=sincot+-sin3ot+-sin5t+|H（4）n35JUo和直流電壓Ud之間的關系（忽略Ld的損耗，再忽略品閘Uo：Ud=1.1lj品閘管承受的最大正向電壓和卻2跑鍍分別為cos中和J5u20Ud=0.9U2cos;將Ud=100Va=45代入（6）中

19、得取U2=150V,則品閘好隹的最U正向些為：100157V品閘管承受的最大反向電/為0.9cos：0.9cos45o當ld=1A時，可得晶閘用Ut=1414：M150V=212V通過以上計算分析，在本次課程設計中所采用的晶閘管類型為KP10-10。二極管承受的最大反向電壓為：根據分析計算，本次課題U2密制的二極50V=212VN40043輔助電路設計保護電路的設計保護電路的種類隨著電子系統的復雜性和集成度越來越高，而工作電壓越來越低，電子系統對可靠性、穩定性和安全性的要求也越來越高，電路保護設計的重要性也越來越強。保護電路主要分為三種：過電壓保護電路、過電流保護電路以及過溫保護電路。本設計采

20、用過電流保護電路。換相過電壓保護：由于品閘管或者與全控器件反并聯的續流二極管在換相結束后不能恢復阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載流子恢復，而當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而當品閘管陰陽極之間或與續流二極管反并聯的全控型器件兩端產生過電壓。換相過電壓保護電路如圖所示，其中R1為10K,C1為0.01uF,D1型號為1N4004,V1型號為KP10-10.圖5換相過電壓保護電路關斷過電壓保護：全控型器件在較高頻率工作下，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而線路電感在器件兩端感應出的過電壓。關斷電壓保護電路如圖所示，其中R1為10K,C1為0.01

21、uF,D1型號為1N4004圖6關斷電壓保護電路保護電路的作用保護電路的作用就是防止系統在外部電壓不穩定時而導致的部分器件在過電壓或過電流的情況下被燒壞以及溫度過高而引起器件失效，造成電路癱瘓而無法繼續工作。?過電流保護電路過電流保護電路用來防止流過電力電子器件的電流過大而被燒壞。過電流保護在電力電子變換和控制系統運行不正常或發生故障時，可能發生過電流造成開關器件的永久性損壞，快速熔斷器是電力電子變換器系統中常用的一種過電流保護措施。快速熔斷器的過流保護原理是基于快速熔斷器特性與器件特性的保護配合來完成的，即通過選擇快速熔斷器的短路容量約器件的熱容量，使得當發生過流時快速熔斷器先熔斷，以保護器

22、件不損壞。另一種方法是采用電流檢測、比較、判斷，在過流瞬間及時關斷電路。如圖7所示，過流保護信號取自CT2,經分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端，如圖7所示。當同相輸入端過電流檢測信號比反相輸入端參考電平高時，比較器輸出高電平，使D2從原來的反向偏置狀態轉變為正向導通，并把同相端電位提升為高電平，使電壓比較器一直穩定輸出高電平。同時，該過電流信號還送到SG3525勺月卻10。當SG3525勺月卻10為高電平時，其腳11及腳14上輸出的脈寬調制脈沖就會立即消失而成為零。圖7過電流保護電路驅動電路的設計驅動電路的種類及作用驅動電路有電流型驅動電路和電壓型驅動電路。驅動電路的作用是將控制電路輸出

23、的PW嘛沖放大到足以驅動功率晶體管一一開關功率放大作用。采用良好的驅動電路，可使電力電子器件的工作更加理想。驅動電路的設計驅動電路的設計既要考慮在功率管需要導通時，能迅速地建立起驅動電壓，又要考慮在需要關斷時，能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷，拉低驅動電壓。具體驅動電路如圖8所示，圖中才5制信號為SPWM1?圖8驅動電路驅動電路的工作原理當光耦原邊有控制電路的驅動脈沖電流流過時,光耦導通,使Q1的基極電位迅速上升，導致D2導通,功率管的柵極電壓上升，使功率管導通；當光耦原邊無控制電路的驅動脈沖電流流過時，光耦不導通，使Q1的基極電位拉低，而功率管柵極上的電壓還為高，所以導致Q1導通，功率管的

24、柵極電荷通過Q1及電阻R3迅速泄放，使功率管迅速可靠地關斷。當然，對于功率管的保護同樣重要，所以在功率管源極和漏極之間要加一個緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。控制電路的設計控制電路的作用控制電路的作用就是通過控制驅動電路運行進而控制IGBT的通斷。又因IGBT的關斷速度決定了輸出電壓的頻率。所以控制電路就是通過產生一定頻率的脈沖信號來控制驅動電路進而控制IGBT的關斷改變電流方向和電壓方向從而得到想要頻率的輸出交流電壓。控制電路原理分析圖9控制電路在這里采用2片集成函數發生器ICL8038,分別用于發生頻率一樣的正弦波和三角波，它們共同經過運放（LM311、非門（74HC04生成

25、兩路PW此號，這兩路信號分別是PWM+PWM-它們的相位差為180。然后通過芯片4528以及與門（74HC08得到兩路頻率一樣但相位相差（180-8）的SPW帔形，它們分別是SPWM1SPWM2將SPWM1成兩路接驅動電路用來控制開關V1、V4,將SPWM2成兩路接驅動電路用來控制開關V2、V3oD觸發器產生的STOP?止信號用來分別與SPWM1SPWM2與使驅動電路停止工作。從而實現逆變電路輸出波形的開與關。4仿真分析4.1仿真軟件MATLAIBT紹MATLA是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括

26、MATLAB口Simulink兩大部分。MATLAB口Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB時還可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言和程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。Simulink是MATLA最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高

27、、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。MATLA防真步驟如下：(1)打開MATLA歆件，點擊Simulink按鈕打開Simulink仿真環境，如下圖所示：圖10打開Simulink仿真環境(2)打開Simulink后，主界面如下所示：圖11Simulink主界面(3)點擊Simulink界面中的File/New/Model,建立并保存模型文件。如下圖所示：圖12保存模型文件4.2主電路仿真圖及參數計算圖13主電路仿真圖電阻負載，直流側輸入電壓二100V,脈寬為9=90

28、的方波，輸出功率為300MV電容和電感都設置為理想零狀態。頻率為1000Hz由頻率為1000Hz即可得出周期為T=0.001s,由于V2的基波信號比V1落后了90。，通過換算得：=02001/4=0.00025s,而t=0s。同理有：t=30.001/2=0.0005s,而t=0.00075s。由理論情況有效值：Uo=Ud/2=50V又因為P=300W所以有電阻：R=Uo*Uo/P=8.333Q則輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A則可得到電流幅值為：Imax=12A,Imin=-12A電壓幅值為：Umax=100VUmin=-100V品閘管額定值計算，電流有效值：Ivt=Imax/4=3A額

29、定電流In額定值：In=(1.5-2)*3=-1.5A最大反向電壓：Uvt=100V則額定電壓：Un=(2-3)*100V=-100V根據以上計算的各參數即可正確設置主電路如下，進而仿真波形圖仿真圖所調用的模塊如下：圖14IGBT模塊圖15PulseGenerator模塊圖16DCVoltageSource模塊圖17powergui模塊圖18VoltageMeasurement模塊圖19CurrentMeasurement模塊圖23Diode模塊圖20VT1的觸發電平設置圖21VT2的觸發電平設置圖22VT3的觸發電平設置圖23VT4的觸發電平設置圖24負載參數設置圖25直流電壓設置4.3仿真

30、所得波形djt口二左砧Stope圖26scope中的波形R1QmAsiaea用HrCzirAkbJtr七AMvr口田cnLJ-y甘口為1V假VT4QIOUj_iIiIiIJWWWWWWWVWRwwwvwl1:njI.:r:：i:i:ljujirublnll輸出電壓特點：Uo為電壓源經過的單項逆變器移相調壓后交流電壓幅值不變，占空比為1:4,所以電壓有效值為50V。從仿真結果波形圖觀察輸入直流電壓為100V,經過逆變電路后輸出交流電壓為50V,頻率為50Hz,符合課程設計要求。結束語這次的電力電子技術設計，讓我們有機會將我們在課堂上學到的知識運用到實際當中。通過對掌握的知識的理解以及運用，做一些

31、比較與分析。既驗證了自己所學到的理論知識，又相當于溫習了一遍之前學到的內容。做這個課程設計，也許剛開始會異常困難，但只要堅持下去，穩扎穩打的做好每一步，就一定會成功的。通過這次課程設計，我進一步鞏固并加深了對課本專業知識的理解，更熟悉了單相橋式無源電路的原理和觸發電路的設計。當然，在這個過程中我也遇到了很多困難，于是就翻閱資料，咨詢同學老師。我最后找出了自己的錯誤并加以改正，這也是我的收獲，不但使我進一步提高了我的實踐動手能力，也讓我在未來的學習工作中有了更大的信心。通過這次課程設計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合，從實踐中得出結論，從而提高了自己的實際動手

32、能力和獨立思考的能力。讓我收獲最大的是我發現了自己對以前的知識理解的不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次設計，我把以前所學的知識重新溫故，鞏固了所學知識，讓我受益匪淺。做過此次的課程設計后，我想在變頻技術這個方向努力。變頻技術及這一領域的電力電子變換裝置主要是為了這樣一個目標：即根據用戶的需求實現電能的AC-AC變換，包括實現電壓、電流、頻率、波形等主要參數的變換。到目前為止，變頻技術的主回路拓撲基本上還是以AC-DC-A嘎換為主,其中AC-DCW節以現代整流技術并配以大容量L、C來實現,而DC-A吸換則由集成化場控器件構建的主回路和經過優化設計并采用集成化、智能化、數字化控制電路來完成。變頻技

33、術及其裝置得到了極其廣泛的應用。在此，也要感謝老師這學期的悉心教導，同時對那些給予我幫助的同學表示由衷的感謝。我會繼續努力的！參考文獻1邢巖，嚴仰光.一種實現瞬時均流的UPSt余并聯新方法，清華大學學報(自然科學版),2010,43(3):333336XingYan,YanYangguang,anewmethodforrealizinginstantaneouscurrentsharingofUPSredundancyparallel,journalofTsinghuaUniversuty(Nauralscienceedition),2010,43(3):3333362邵丙衡.電力電子技術M(

34、第一版).鐵道出版社，2011.3546ShaoBingheng,powerelectronicstechnologyM(FirstEdition),RailwayPublishingHouse,2011.35463王兆安，黃俊.電力電子技術M(第四版).機械工業出版社，2009.98107WangZhaoan,HuangJun,powerelectronicstechnologyM(FourthEdition),mechanicalindustrypress,2009.981074葉斌.電力電子技術習題集M(第一版).鐵道出版社，2010.4046YeBin,powerelectronicstechnologyproblemsetsM(FirstEdition),RailwayPublishingHouse,2010.40465趙良炳.現代電力電子技術基礎M(第一版).清華大學出版社，2009.3040ZhaoLiangbing,modernpowerelectronicstechnologyM(FirstEdition),TsinghuaUniversitypress,2009.30406龍志文.電力電子技術M(第一版).機械工業出版社，2012.5559LongZhiwen,powerelectronicstechnologyM(FirstEditi