IGBT单相桥式无源逆变电路

电子电力技术

       题目：IGBT单相桥式无源逆变电路的仿真分析

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摘要

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。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。本文对其波形进行了仿真和分析。

关键词：IGBG,单相桥式逆变电路，无源

一    工作原理概论

1. 1   IGBT的简述

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。IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与MOSFET相连接所构成的一种器件。其等效电路和电气符号如下：

图1  IGBT等效电路和电气图形符号

它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压所决定的。当UGE为正且大于开启电压UGE时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。由于前提到的电导调制效应，使得电阻减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的积极电流被切断，使得IGBT关断。

1.2   电压型逆变电路的特点及主要类型

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。电压型逆变电路有以下特点：

直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。

当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。又称为续流二极管。

 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。

1.3  IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析

单相逆变电路主要采用桥式接法。它的电路结构主要由四个桥臂组成，其中每个桥臂都有一个全控器件IGBT和一个反向并接的续流二极管，在直流侧并联有大电容而负载接在桥臂之间。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。可以看成由两个半桥电路组合而成。其基本电路连接图如下所示：

图2  电压型全桥无源逆变电路的电路图

由于采用绝缘栅晶体管（IGBT）来设计,如图2的单相桥式电压型无源逆变电路，此课程设计为电阻负载，故应将RLC负载中电感、电容的值设为零。此电路由两对桥臂组成，V1和V4与V2和V3两对桥臂各导通180度。再加上采用了移相调压法，所以VT3的基极信号落后于VT1的90度，VT4的基极信号落后于VT2的90度。因为是电阻负载，故晶体管均没有续流作用。输出电压和电流的波形相同，均为90度正值、90度零、90度负值、90度零… …这样一直循环下去。

二   主电路设计及参数选择

       2.1  主电路仿真图

在本次设计中，主要采用单相全桥式无源逆变电路(电阻负载)作为设计的主电路。由于软件上的电源等器件都是理想器件，故可将直流侧并联的大电容直接去掉。由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如下所示：

单相电压型全桥无源逆变电路（电阻负载）的主电路

2.2参数设计及计算

2.2.1参数设置

电阻负载，直流侧输入电压=100V, 脉宽为θ=90°的方波，输出功率为300W，电容和电感都设置为理想零状态。频率为1000Hz

2.2.2计算

由频率为1000Hz即可得出周期为T=0.001s，由于V3的基波信号比V1的落后了90度（即相当1/4个周期）。

通过换算得：

t3=0.001/4=0.00025s， 而t1=0s。     

同  理  得：

t2=0.001/2=0.0005S,  而t4=0.00075S。

由理论情况有效值：

Uo=Ud/2=50V。

又因为P=300W  所以有电阻：

R=Uo*Uo/P=8.333Ω 

则输出电流有效值：

Io=P/Uo=6A 

则可得电流幅值为

Imax=12A，Imin=-12A

电压幅值为

Umax=100V,Umin=-100V

晶闸管额定值计算，电流有效值：

Ivt=Imax/4=3A。

额定电流In额定值：

In=（1.5-2）*3=（4.5-6）A。

最大反向电压

Uvt=100V

则额定电压

Un=（2—3）*100V=（200-300）V

2.2.3设置主电路

根据以上计算的各参数即可正确设置主电路图如下，进而仿真出波形图。 

  VT1的触发电平参数设置

 VT2的触发电平参数设置

 VT3的触发电平参数设置

 VT4的触发电平参数设置

        负载参数设置

三   仿真电路结果的分析

3.1  仿真电路图

3.1.1触发电平的波形图

从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4的触发电压，幅值为5V。

3.1.2负载输出波形图

    从上到下依次为输出电流（最大值为12A），输出电压波形（最大值为100V）。

则所得的波形即是上图所示的波形。一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等，幅值的正负相反，则输出平均电压为0。同理输出平均电流也为0。

3.1.3器件IGBT的输出波形图

    从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4的输出电流和电压波形。

VT1电流波形（最大值12A,最小值0A）VT1电压波形（最大值100V,最小值0V）

VT2电流波形（最大值12A,最小值0A）VT2电压波形（最大值100V,最小值0V）

VT3电流波形（最大值12A,最小值0A）VT3电压波形（最大值100V,最小值0V）

VT4电流波形（最大值12A,最小值0A）VT4电压波形（最大值100V,最小值0V）

3.2 仿真波形分析

在接电阻负载时，采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。通过对4.1.1触发脉冲的控制得到如图4.12和4.13的波形图，4.12波形为输出电流电压的波形，由于没有电感负载，在波形图中可看出，一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等，幅值的正负相反，则输出平均电压为0。

VT1电压波形和VT2的互补，VT3电压波形和VT4的互补，但VT3的基极信号不是比VT1落后180°，而是只落后θ。即VT3、VT4的栅极信号不是分别和VT2、VT1的栅极信号同相位，而是前移了90°。输出的电压就不再是正负各为180°的的脉冲，而是正负各为90°的脉冲。由于没有电感负载，故电流情形与电压相同。

四  总结

IGBT单相电压型全桥无源逆变电路共有4个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成，采用移相调压方式后，输出交流电压有效值即可通过改变直流电压Ud来实现，也可通过改变θ来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值。

由于MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，故可将电容直接去掉。又由于在纯电阻负载中，VD1—VD4不再导通，不起续流作用，古可将起续流作用的4个二极管也去掉，对结果没有影响。

相比于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路克服了半桥逆变电路输出交流电压幅值仅为1/2Ud的缺点，且不需要有两个电容串联，就不需要控制电容电压的均衡，因此可用于相对较大功率的逆变电源。

参考文献

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