單相橋式電壓逆變器的設(shè)計(jì)

1、單相橋式電壓逆變器的設(shè)計(jì)1.1方案概述本次課程設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，是設(shè)計(jì)一個單相橋式電壓逆變電路。同時(shí)要設(shè)計(jì)相應(yīng)的觸發(fā)電路和過電流過電壓保護(hù)電路。根據(jù)電力電子技術(shù)的相關(guān)知識，單相橋式逆變電路是一種常見的逆變電路模型，在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。它的電路結(jié)構(gòu)主要是由四個橋臂組成，其中每個橋臂都有一個全控器件IGBT和一個反向并接的續(xù)流二極管，在直流側(cè)并聯(lián)有大電容而負(fù)載接在橋臂之間。而IGBT的導(dǎo)通控制需要觸發(fā)電路，通過資料的查詢，找到相關(guān)的觸發(fā)電路圖，從中進(jìn)行選擇，最終確定方案?？梢杂眯酒M(jìn)行觸發(fā)也可以用下面章節(jié)介紹的使用D觸發(fā)器為主體設(shè)計(jì)出來的觸發(fā)電路，根據(jù)D觸發(fā)器的特性，使換流能夠?qū)嵭?。最后設(shè)置

2、過電流過電壓保護(hù)電路，采用didt抑制電路和緩沖電路構(gòu)成的過電壓過電流保護(hù)電路，通過查閱資料，在仿真軟件中連接出電路圖，將觸發(fā)電路接入，設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行仿真，觀察波形，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。1.2 逆變電路及換流原理介紹與整流電路相比較，把直流電變成交流電的電路成為逆變電路。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載相接時(shí)，稱為無源逆變。在不加說明時(shí)，逆變電路一般指無源逆變。逆變電路在現(xiàn)實(shí)生活中有很廣泛的應(yīng)用。交流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉(zhuǎn)移，這稱為換流。換流是實(shí)現(xiàn)逆變的基礎(chǔ)。通過控制開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來控制電流通過的支路，這就是實(shí)現(xiàn)換流的基本原理。換流

3、有多種方式，其中主要分為器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流和強(qiáng)迫換流四種方式。1.3 電壓型逆變電路的特點(diǎn)及主要類型 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)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(diǎn)：1） 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2） 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因?yàn)樨?fù)載阻抗的情況不同而不同。3） 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)想直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，

4、逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。又稱為續(xù)流二極管。 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。最常用的是三相橋式逆變電路。1.4電壓型單相橋式逆變電路的主電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相全橋式逆變電路作為設(shè)計(jì)的主電路。其主電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖1-1 單相全橋逆變電路主電路結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，單相全橋逆變電路主要有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對。每個橋臂由一個可控器件IGBT以及一個反并聯(lián)的二極管組成。在直流側(cè)接有足夠大的電容，負(fù)載接在橋

5、臂之間。它的具體工作過程如下：設(shè)最初時(shí)刻t1時(shí)，給IGBT Q1、Q4觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通。則電流通過橋臂1，負(fù)載，橋臂4構(gòu)成一個導(dǎo)通回路。當(dāng)t2時(shí)刻時(shí)，給Q2,Q3觸發(fā)信號，給Q1,Q4關(guān)斷信號。但由于負(fù)載電感較大，通過它的電流不能突變，所以二極管D2,D3導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)電流逐漸減小為0，橋臂1,4關(guān)斷，橋臂2,3導(dǎo)通，構(gòu)成一個回路，從而實(shí)現(xiàn)換流。2.1 IGBT介紹絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor）,英文簡寫為IGBT。它是一種典型的全控器件。它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。現(xiàn)已成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件

6、。IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。它可以看成是一個晶體管的基極通過電阻與MOSFET相連接所構(gòu)成的一種器件。它的開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓uGE所決定的。當(dāng)uGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而是IGBT導(dǎo)通。由于前面提到的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)山脊與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的積極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。2.2 D觸發(fā)器介紹D觸發(fā)器如圖所示如下:圖 2-1 D觸發(fā)器觸發(fā)器的邏輯功能可以用邏輯表達(dá)式來描述，稱為觸發(fā)

7、器的特征方程。D觸發(fā)器的特征方程如下： Qn+1=D 式 2-1以觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和輸入信號為變量，以次態(tài)為函數(shù)，描述它們之間邏輯關(guān)系的真值表稱為觸發(fā)器的特性表。D觸發(fā)器的特性表如下表所示，表中對觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)Q n和輸入信號D的每種組合都列出了相應(yīng)的次態(tài)Q n+1。Q n D Q n+1 Q n D Q n+1 0 0 0 1 0 0 0 11 1 1 1表 2-1 D觸發(fā)器的特性表2.3 觸發(fā)電路圖及原理介紹圖2-1 觸發(fā)電路觸發(fā)電路圖如上圖所示。其原理如下: 將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或脈沖群，用這些脈沖控制無源逆變電路中的功率開關(guān)元件的通斷，以控制逆變器輸出電壓和頻率的電路。主要應(yīng)用于變

8、頻調(diào)速裝置或不停電電源的逆變器中。它的一般功能是：根據(jù)控制信號的要求產(chǎn)生相應(yīng)頻率的輸出脈沖；確定逆變器各功率開關(guān)的驅(qū)動信號間的相位關(guān)系；產(chǎn)生足夠的驅(qū)動功率以驅(qū)動功率開關(guān)元件；完成功率開關(guān)元件和控制電路之間的電隔離。 頻率發(fā)生器將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖電壓以觸發(fā)脈沖分配器，使其按一定的規(guī)律將開關(guān)信號分配給各個通道的脈沖輸出器。脈沖輸出器將此開關(guān)信號放大，經(jīng)電隔離后驅(qū)動功率開關(guān)元件。上圖即為單相全橋逆變電路的脈沖觸發(fā)電路。頻率發(fā)生器產(chǎn)生一固定頻率的脈沖送到D觸發(fā)器的時(shí)鐘端CLK，以觸發(fā)D觸發(fā)器組成的脈沖分配器。D觸發(fā)器的輸出Q和Q是互差180的方波脈沖。晶體管G1、G2和變壓器T1、T2分別

9、組成兩個通道的脈沖輸出器，驅(qū)動單相逆變器的功率開關(guān)元件。逆變器的輸出頻率取決于頻率發(fā)生器，頻率發(fā)生器通常由單結(jié)晶體管、晶體管、運(yùn)算放大器、門電路等構(gòu)成。在恒壓恒頻電源的逆變器觸發(fā)電路中，常采用晶體振蕩器和分頻器組成頻率發(fā)生器，以保證逆變器有較高頻率精度的輸出電壓。在變頻調(diào)速電源的逆變器觸發(fā)電路中，要求頻率發(fā)生器的頻率隨控制信號變化，常采用壓控振蕩器構(gòu)成頻率發(fā)生器。壓控振蕩器的輸出頻率隨控制電壓改變而改變。脈沖分配器由環(huán)形計(jì)數(shù)器組成。脈沖輸出器的通道數(shù)決定環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)數(shù)。單相逆變電路常用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而三相橋式逆變電路常用六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器可由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、JK觸發(fā)器或D

10、型觸發(fā)器組成。圖3是用JK觸發(fā)器構(gòu)成的六進(jìn)制環(huán)形計(jì)數(shù)器。Q1Q6為脈寬180、互差60的方波、頻率發(fā)生器作為環(huán)形分配器的時(shí)鐘，每來一個脈沖，環(huán)形分配器移位一次，Q1Q6依次進(jìn)行高低電平變化，用以控制三相逆變橋的開關(guān)通斷。在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、dudt保護(hù)、didt保護(hù)也是十分必要的。圖3-1 保護(hù)電路本次課程設(shè)計(jì)所采用的過電壓過電流保護(hù)電路如上圖所示。該電路又稱為緩沖電路。它的作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓或者過電流。從而減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為dudt抑

11、制電路，用于吸收器件關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制dudt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為didt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和didt，減小器件開通損耗?？蓪㈥P(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起，構(gòu)成復(fù)合緩沖電路。還可以用另外的分類方式：緩沖電路中的儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則被稱為耗能式緩沖電路；如果緩沖電路將其儲能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，則稱為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路。若無特殊說明，通常講緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路叫做didt抑制電路。圖3-2 didt抑制電路圖3-3 緩沖電路上圖所示為一種緩沖電路和didt抑制電路電路圖。在無緩沖電

12、路的情況下，絕緣柵雙擊晶體管V開通時(shí)電流急劇上升，didt很大，關(guān)斷時(shí)的dudt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。在有緩沖電路的情況下，V開通時(shí)緩沖電容C先通過RS向V放電，是電流iC先上一個臺階，以后因?yàn)橛衐idt抑制電路的Li, iC的上升速度減慢。Ri, VDi是V關(guān)斷時(shí)為Li中的磁場能量提供放電回路而設(shè)置的。在V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了dudt和過電壓。4.1工作過程和波形分析在接阻感負(fù)載時(shí)，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在圖2-1所示的單相全橋逆變電路圖中，各個IGBT的柵極信

13、號仍為180正偏，180反偏，并且V1、V2的柵極信號互補(bǔ)，V3, V4的柵極信號互補(bǔ)，但V3的基極信號不是比V1落后180，而是只落后。也就是說，V3、V4的柵極信號不是分別和V2、V1的柵極信號同相位，而是前移了180-。這樣，輸出的電壓就不再是正負(fù)各為180的的脈沖，而是正負(fù)各為的脈沖，其波形如圖5-1所示。圖 4-1 輸出波形分析其工作過程：設(shè)在t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓u0為Ud，t1時(shí)刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負(fù)載電感中電流不能突變，V3不立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)續(xù)流。因?yàn)閂1和VD3同時(shí)道童，所以輸出電壓為0。到t2時(shí)刻V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V

14、2不能立刻導(dǎo)通，VD2續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓-Ud。到負(fù)載電流過零并開始反向時(shí)，VD2和VD3截止，V2和V3開始同時(shí)導(dǎo)通，u0仍然為-Ud。在t3時(shí)刻V3和V4柵極信號再次反相，V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，u0再次為0。以后的過程與前面類似。4.2參數(shù)設(shè)置和計(jì)算參數(shù)設(shè)置：直流側(cè)輸入電壓Ud=120V, =60，R=10，電容和電感都設(shè)置為理想狀態(tài)下。則所得的波形即是上圖所示的波形。計(jì)算：根據(jù)波形可得，一個周期內(nèi)的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，而幅值的正負(fù)相反，則輸出平均電壓為0。同理輸出平均電流和有功功率都是0。輸出的電壓幅值為Ud=120V,- Ud=-

15、120V。電容設(shè)為無窮大，即是直流側(cè)電壓不變。5應(yīng)用舉例逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要把這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電動機(jī)調(diào)速用的變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。有人說，電力電子技術(shù)早期曾處在整流電路時(shí)代，后來則進(jìn)入了逆變器時(shí)代，可見逆變電路在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的作用之大和應(yīng)用之廣泛。而電壓型單相橋式逆變器作為逆變電路中最主要的一種，它在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中也占有重要地位，電壓型逆變電路主要用于兩方面：1）籠式交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于逆變電路只具有單方向傳遞

16、電能的功能，故比較適用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、無需頻繁起制動和加、減速的場合。2)不停電電源。該電源在逆變?nèi)攵瞬⒔有铍姵?，類似于電壓源。下面簡單介紹一下電壓型單相全橋逆變器的一種應(yīng)用：采用單相全橋逆變電路，可以設(shè)計(jì)出車載逆變電源，實(shí)現(xiàn)把直流電源（12v）轉(zhuǎn)換成交流電源（320V，50HZ），并對負(fù)載進(jìn)行供電。達(dá)到的性能要求就是轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的工頻電源，供給給汽車上的一些電器如車燈，音像等使用。 車載電源的DC/AC部分，采用單相全橋逆變電路，由4個IRF740構(gòu)成橋式逆變電路，IRF740最高耐壓400V，電流10A，功耗125W，利用半橋驅(qū)動器IR2110提供驅(qū)動信號，其輸入波形由SG3524提供，同理可調(diào)

17、節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動波形的D50，保證逆變的驅(qū)動方波有共同的死區(qū)時(shí)間。6小結(jié)體會通過本次課程設(shè)計(jì)，對電力電子技術(shù)的知識有了更具體的理解和直觀的認(rèn)識。通過設(shè)計(jì)單相橋式逆變電路，并對其工作原理和輸入輸出情況進(jìn)行分析，將理論和實(shí)踐聯(lián)系在一起。在設(shè)計(jì)過程中，需要應(yīng)用到的數(shù)電等方面的知識，通過此次設(shè)計(jì)也讓我將這些知識進(jìn)行了復(fù)習(xí)。而通過對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和計(jì)算，提高了自身的計(jì)算能力和理解能力?？傊ㄟ^課程設(shè)計(jì)，我有了很多收獲。不但讓自己的知識結(jié)構(gòu)更加合理，也讓自己的知識面更加廣泛。通過此次課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識到了自己的不足并作出了彌補(bǔ)，讓自身得到了提高。7參考資料1 王兆安、劉進(jìn)軍主編，電力電子技術(shù)（第五版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20092 康華光主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版），北京：高等教育出版社， 20053 林渭勛主編，現(xiàn)代電力電子技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20064 陳伯時(shí)主編，