单相桥式逆变电路课程设计

电力电子技术课程设计说明书单相桥式逆变电路的设计院、部学生姓名：指导教师：职称专业：班级：学号：完成时间：I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IIABSTRACTWiththerapiddevelopmentofpowerelectronicstechnology,theinvertercircuitiswidelyused,batteries,drybatteries,solarcellsareDCpowersupply,whenweusethesepowersupplypowertotheACload,youneedtousetheinvertercircuit.ThistimebasedonMOSFETsinglephasebridgeinvertercircuitdesign,mainlyrelatedtotheworkprincipleofIGBT,thefullbridgeoftheworkingcharacteristicsandtheperformanceofpassiveinverter.Thesingle-phasefullbridgeinvertercircuitdesignedbyIGBTastheswitchingdevice,theDCvoltageUdinverterasthewaveformvoltage,andwillbeaddedtothepureresistanceloadatbothends.Firstly,thedesignrequirementsofthesinglebridgeinvertercircuitareanalyzed.Todeterminetheoverallschemeofsinglebridgeinvertercircuit,ofthemaincircuit,protectioncircuit,drivingcircuitunitcircuitdesignandparametercalculation,theprotectioncircuithavevoltage,currentandvoltagerateofrise,thecurrentrateofrise,selectionandvalidationoftheIGBTandSG3525components,IGBTisbyBJT(bipolartransistor)andMOS(insulatedgatefieldeffecttransistor)composedoffullcontroltypevoltagedriventypepowersemiconductordevices,bothMOSFET'shighinputimpedanceandGTRlowconductancethroughtheadvantagesofpressuredrop.Atlast,theMATLABsimulationsoftwareisusedtobuildtheSIMULINKmodel,andthesimulationresultsarecarriedout.Theresultsprovethatthedesigntaskisrequiredtomeetthedesignrequirements.Keywords:singlephase;inverter;designIII目录1绪论………………………………………………………………………………11.1逆变电路的背景与意义…………………………………………………11.2逆变器技术的发展现状…………………………………………………21.3本设计主要内容…………………………………………………………22单相桥式逆变电路主电路设计…………………………………………………32.1方案设计……………………………………………………………………32.1.1系统框图…………………………………………………………32.1.2主电路框图………………………………………………………32.2逆变电路分类及特点………………………………………………………32.2.1电压型逆变电路的特点…………………………………………32.2.2单项全桥逆变电路的移相调压方式……………………………42.3主电路的设计……………………………………………………………42.4相关参数的计算…………………………………………………………53辅助电路设计……………………………………………………………………73.1保护电路的设计……………………………………………………………73.1.1保护电路的种类…………………………………………………73.1.2保护电路的作用…………………………………………………73.1.3过电流保护电路…………………………………………………83.2驱动电路的设计…………………………………………………………83.2.1驱动电路的种类及作用…………………………………………83.2.2驱动电路的设计…………………………………………………83.2.3驱动电路的原理…………………………………………………93.3控制电路的设计…………………………………………………………93.3.1控制电路的作用…………………………………………………93.3.2控制电路原理分析………………………………………………94仿真分析………………………………………………………………………114.1仿真软件MATLAB介绍…………………………………………………114.2主电路仿真图及参数计算………………………………………………134.3仿真所得波形……………………………………………………………164.4波形分析…………………………………………………………………17IV结束语………………………………………………………………………………18参考文献……………………………………………………………………………19附录…………………………………………………………………………………2111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。21.2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。32单相桥式逆变电路主电路设计2.1设计方案2.1.1系统框图绘图1.vsd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主电路框图输入整流电路逆变电路输出图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驱动电路控制电路主电路保护电路4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