单相桥式无源逆变电路

黄石理工学院课程设计1绪论电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。此技术的应用已深入到国家经济建设，交通运输，空间技术，国防现代化，医疗，环保和人们日常生活的各个领域。进入新世纪后电力电子技术的应用更加广泛。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学的两大支柱。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。通常把电力电子技术分为电力电子制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。其中，变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电路电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不仅指交直流之间的交换，也包括直流变直流和交流变交流的变换。将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路，本课程设计主要介绍单相桥式无源逆变电路。黄石理工学院课程设计21逆变器的性能指标与分类1.1有源逆变的基本定义及其应用如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。1.2无源逆变电路的基本定义及应用无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。1.3逆变器的性能指标1.3.1谐波系数HF谐波系数HF定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即UHFnU1（1-1）式中n=1、2、3…，表示谐波次数，n=1时为基波。1.3.2总谐波系数THD总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THD定义为THD1U12Unn2,3.4(1-2)1.4无源逆变电路的主要功能及工作原理主要功能是将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。基本的单相桥式无源逆变电路的工作原理如图1所示，图中Ud为直流电压电源，R为逆变器输出负载，T1～T1为四个高速开关。该电路有两种工作状态（1）当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压u0=Ud；（2）当开关T1、T4断开，T2、T3闭合时，逆变器输出电压u0=－Ud；黄石理工学院课程设计3当以频率fs交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fs，这样，就将直流电压E变成了交流电压u0。u0含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图1-1中主电路开关T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。图1-1单相桥式无源逆变电路的工作原理黄石理工学院课程设计4o2主电路的设计采用全控型器件——绝缘栅晶体管（IGBT）取代上图的T1，得到如下图2-1所示的单相桥式无源逆变电路。从图中可看出，它由两对桥臂组合而成，VT1和VT4构成一对导电臂，VT2和VT3构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通180，其输出电压、输出负载波形如下所示。工作过程如下：t=0时刻以前，VT2、VT3导通，VT1、VT4关断，电源电压反向加在负载上，u0=-Ud。在t=0时刻，负载电流上升到负的最大值，此时关断VT2、VT3，同时驱动VT1、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向，负载电流经VD1、VD4续流，此时，由于VD1、VD4导通，VT1、VT4受反压而不能导通。负载电压u0=+Ud图2-1单相桥式无源逆变电路图2-2输出电压、输出电流黄石理工学院课程设计50在t=t1时刻，负载电流下降到0，VD1、VD4自然关断，VT1、VT4在正向电压作用下开始导通。负载电流正向增大，负载电压u0=+Ud。在t=t2时刻负载电流上升到正的最大值，此时关断VT1、VT4，并驱动VT2、VT3，同样，由于负载电流不能立即换向，负载电流经VD2、VD3续流，负载电压u0=-Ud。在t=t3时刻，负载电流下降到0，VD2、VD3自然关断，VT2、VT3开通，负载电流反向增大时，u0=-Ud。在t=t4时刻，负载电流上升到负的最大值，完成一个工作周期。从图2-2知，单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将u0展开成傅立叶级数，得4U11udsinsin3tsin5t35（2-1）其中，基波分量的幅值Uolm和有效值Uol分别为：U4Ud1.27Udolm（2-2）U22Ud0.9Udol（2-3）黄石理工学院课程设计63驱动电路的设计3.1电力电子器件驱动电路概述电力电子器件的驱动电路时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。采用性能良好的驱动电路，可使电流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、可靠性和安全都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离和磁隔离。光隔离一般采用光耦合器。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。其类型有普通、高速和高传输比三种，内部电路和基本接法分别如图3-1所示。图3-1光耦合器的类型及接法a）普通型b）高速型c）高传输比型按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类。晶闸管虽然属于电流驱动型器件，但是它是半控型器件。晶闸管的驱动电路通常称为触发电路。对于典型的全控型器件GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT，则将按电流驱动型和电压驱动型。GTO、GTR是电流驱型动器件，电力MOSFET、IGBT时电压驱动型器件。GTO和GTR是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是黄石理工学院课程设计7单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常成为Bi—MOS器件。绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。3.2IGBT的介绍及工作原理IGBT—绝缘栅双极晶体管，将MOSFET和GTR优点集于一身，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此，发展很快，在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域倍受青睐。在功率MOSFET的基础上,IGBT增加了一个P层发射极，形成ＰＮ结J1，并由此引出集电极Ｃ、栅极Ｇ和发射极Ｅ。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR。Ｎ沟道IGBT的图形符号如图2-1所示。P沟道IGBT图形符号中的箭头方向恰好相反。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P区注入到N区的空穴（少子）对N区进行电导调制，减小N区的电阻Rdr，使高电压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。图3-2IGBT等效电路、电气符号黄石理工学院课程设计83.3IGBT的基本特性（1）静态特性包括转移特性和输出特性。图2-2（b）所示为IGBT的转移特性，它是描述集电极电流Ic与栅极电压UGE之间关系，开启电压UGEth时IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGEth随温度升高而略有下降，温度每升高1℃，其值下降5Mv左右，在+25℃时，UGEth的值一般为2～6V。当栅极电压UGE小于开启电压UGEth时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分范围内，Ic与UGE呈线性关系。图3-3IGBT的输出特性、转移特性（a）输出特性（b）转移特性图3-3（b）所示为IGBT输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅极电压为参考变量时，集电极电流Ic与集射级间电压UGE之间的关系，它与GTR的输出特性基本相似，也分为饱和区、放大区、击穿区和截止区。当UGEUGEth时IGBT处于截止区，仅有极小的漏电流存在。当UGEUGEth时IGBT处于放大区，在该区中，Ic与UGE几乎呈线性关系而与UCE无关，故又称线性区。饱和区是指输出特性比较明显弯曲的部分，此时集电极电流Ic与栅极电压UGE不再呈线性关系。（2）动态特性IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分。黄石理工学院课程设计9IGBT的开通时间ton由开通延迟时间tdon和电流上升时间tr两部分组成。通常开通时间为0.5～1.2s。IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET工作的。只是在集-射极电压UCE下降过程后期（tfv2），PNP晶体管才由放大区转到饱和区，因而增加了一段延缓时间，使集-射电压UCE波形分成两段tfv1和tfv2。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态过程。关断过程所需要的时间为关断时间toff。toff包括关断延迟时间td(off)和电流下降时间tf两部分，在tf内，集电极电流的波形分为两段tfi1和tfi2对应IGBT内部MOSFET的关断过程，两段时间内Ic下降较快；tfi2对应于IGBT内PNP晶体管的关断过程，由于MOSFET关断后，PNP晶体管中的储存电荷难以迅速消除，所以这段时间内Ic下降较慢，造成集电极电流较长的尾部时间。通常关断时间为0.55～1.5s。图3-4IGBT的动态开关特性3.4IGBT主要参数及容量（1）额定电压IGBT的额定电压由逆变器（交-直-交逆变器）的交流输入电压决定，因为它决定了后面的环节可能出现的最大电压峰值。再考虑两倍裕量，即：元件的额定电压=2ⅹ2ⅹ电网电压（单相为相电压，三相为线电压）交流黄石理工学院课程设计10输入电压与IGBT额定电压的关系如下表2.1所示：表3-1交流输入电压/V180～220380～440IGBT额定电压/V6001000～1200（2）电流额定值IGBT的额定电流取决于逆变器的容量，而逆变器的容量与其所驱动的电动机密切相关。设电动机的输出功率为P，则逆变器的容量为：式中，cos为电动机功率因数。SP/cos（3-1）由上式可得逆变器的电流有效值为：IS3U式中，U为交流电源电压的有效值。（3-2）由于IGBT是工作在开关状态，故计算其电流额定值时，应考虑其在整个运行过程中可能承受的最大峰值电流ICM为：ICM2IK1K2（3-3）式中，K1为过载系数（裕量），取K1=2；K2为考虑电网电压波动等因素，取K2=1.2。综合上述式子得ICMP2K1K23Ucos（3-4）逆变器所接交流电源电压为220V，该逆变器向3.7kW电动机供电，电动机功率因数cos=0.75，则该逆变器中的IGBT的最大峰值电流ICM为：ICM3.7103221.244.5(A)32200.75则该逆变器中IGBT的容量为600V、50A。型号为2MB150N-6