单相半桥无源逆变器设计

电气与电子信息工程学院

计算机控制课程设计

设计题目： 单相半桥无源逆变电路设计

专业班级：电气工程及其自动化2010（专升本）班 学 号： 201020210128 姓 名： 朱 勇 同 组 人： 严康 孙希凯 指导教师： 南光群 黄松柏

设计时间： 2011/11/13～2011/11/21 设计地点： 电力电子室

电力电子 课程设计成绩评定表

指导教师签字：

2011年 12 月 20 日

《电力电子课程设计》课程设计任务书

2011 ～2012 学年 第1学期

学生姓名： 朱 勇 专业班级 电气工程及其自动化2010专升本 指导教师：南光群、黄松柏 工作部门：电气学院电气自动化教研室

一、课程设计题目：

1. 单相桥式晶闸管整流电路设计 2. 三相半波晶闸管整流电路设计 3. 三相桥式晶闸管整流电路设计 4. 降压斩波电路设计 5. 升压斩波电路设计

6. 单相半桥无源逆变电路设计 7. 单相桥式无源逆变电路设计 8. 单相交流调压电路设计 9. 三相桥式SPWM逆变器设计

二、课程设计内容

1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；

2. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数； 3. 编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告（5000字以上）。 注：详细要求和技术指标见附录。

三、进度安排

1．时间安排

2．执行要求

电力电子课程设计共9个选题，每组不得超过6人，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

四、基本要求

（1）参考毕业设计论文要求的格式书写，所有的内容一律打印；

（2）报告内容包括设计过程、电路元件参数的计算、系统仿真结果及分析； （3）要有完整的主电路原理图和控制电路原理图； （4）列出主电路所用元器件的明细表。 （5）参考文献

五、课程设计考核办法与成绩评定

根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。

六、课程设计参考资料

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2001 [2] 王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001

[3] 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，2001 [4] 石玉、栗书贤、王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导. 北京：机械工业出版社，1999

[5] 赵同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.北京：机械工业出版社，2010

指导教师：南光群、黄松柏

2011年10月8日

教研室主任签名：胡学芝

2011年10 月9日

摘要

电力电子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两个分支。

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。

如果没有晶闸管及电力晶体管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。

将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路，根据交流电的用途可分为有源逆变和无源逆变。

本课程设计主要介绍单相半桥无源逆变电路。 关键词：整流、无源逆变、晶闸管

Abstract

The application of power electronics technology has penetrated into the national economic construction, transportation, space technology, the modernization of national defense, medical, environmental protection and people in all areas of daily life. After entering the new century electric power electronic technology is used more and more widely. Take the computer as the core information science will be twenty-first Century played a dominant role in the science and technology one, somebody is fatidical, power electronics and motion control and computer technology together, will become the two pillars of the future science.

The power electronic technology is applied in power electronics technology. Specifically, is the use of power electronic devices for power conversion and control technology. Usually the power electronic technology is divided into power electronics manufacturing technology and variable flow technology in the two branch.

Converter technology is also known as the application of power electronic devices technology, it involves the use of power electronic devices of various electric power conversion circuit and the circuit control technology, as well as by the circuit circuit, electronic device and power electronic systems technology. " Flow" refers not only to the exchange between the AC and DC, including DC DC and AC AC converter. If there is no thyristor and power transistors and power electronic devices, there is no power electronic technology, power electronic technology is mainly used for power converter. It can therefore be considered, the power electronic device manufacturing technology is the power of electronic technology foundation, and converter technology is the core of power electronic technology. Manufacture technique of power electronic device is based on the theory of semiconductor physics, and converter technology is based on the theory of circuit theory.

Changing DC into AC circuit called the inverter circuit, according to current use can be divided into active and passive inverter inverter.

This course is designed to introduce a single-phase half-bridge passive inverter circuit.

Key words: passive inverter, rectifier, thyristor

目录

第一章 系统方案设计 ................................ 1

1.1 系统方案 .................................................... 1

1.2 系统工作原理 ................................................ 1

第二章 硬件电路设计与参数计算 ........................ 3

2.1 系统硬件连接图 .............................................. 3 2.2 整流电路设计方案 ............................................ 3

2.2.1 整流变压器的参数运算 .......................................... 3 2.2.2 整流变压器元件选择 ............................................. 4

2.3.3 整流电路保护元件的选用 ......................................... 5

2.2 驱动电路设计方案 ............................................ 6

2.2.1 IGBT驱动器的基本驱动性能 ....................................... 6 2.2.2 驱动电路 ....................................................... 7

2.3触发电路设计方案............................................. 8

第三章 MATLAB仿真 .................................. 9

3.1 建立仿真模型 ................................................ 9 3.2 仿真结果分析 ............................................... 10

小结 ............................................ 11 参考文献 ......................................... 12

附录一：元器件清单 ............................... 13

第一章 系统方案设计

1.1 系统方案

系统方案如图1.1所示，在电路原理框图中，交流电源、整流、滤波和半桥逆变电路四个部分构成电路的主电路，驱动电源和驱动电路两部分构成指挥主电路中逆变桥正确工作的控制电路。其中，交流电源、整流、滤波三个部分的功能分别由交流变压器、全桥整流模块和两个串联的电解电容实现;半桥逆变电路由半桥逆变和缓冲电路构成; 而驱动电源和驱动电路则需要根据实验电路的要求进行搭建。

图1.1 电路原理图 1.2 系统工作原理

图1.2 电压型半桥逆变电路及其电压电流波形

在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，

且互补。

若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则

U0

Ud2

。

t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i。

不能立即改变方向，于是D2导通续流，U0

Ud2

。

t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有

U0

Ud2

。

在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。

不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有U0

Ud2

Ud2

；

t5时刻 i。降至零， T1导通，U0

。

第二章 硬件电路设计与参数计算

2.1 系统硬件连接图

单相半桥无源逆变主电路如图2.1所示

图2.1单相半桥无源逆变主电路

2.2 整流电路设计方案

2.2.1 整流变压器的参数运算 1）变压器二次侧电压U2的计算

U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又

会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。

根据设计要求，采用公式：

U2 1~1.2

UdA B

由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=0.985

U

2

1~1.2

100

0.9 0.9 0.985

125~150V

取U2=140V。

电压比K=U1/U2=220/140=1.57。

2 ）一次、二次电流I1、I2的计算 由P

U0R

2

U0

5016.7

Ud2

得R

U0P

2

50

2

150

16.7

I0

U0R

3A

I2 Id 2I0 2 3 6A

I1

I2K

61.57

3.82A

考虑空载电流 取 I1 1.05 3.82A 4A 3）变压器容量的计算

S1 U1I1 220V 4A 880VA；

S2 U2I2 140V 6A 840VA； S

1

1

(S1 S2) 880 840）VA 860VA22

；

2.2.2 整流变压器元件选择 1） 整流元件选择

二极管承受最大反向电压UDM

2U2

2 140V 197V

，考虑三倍裕

量，则UTN 3 197V 594V，取600V。该电路整流输出接有大电容，而且负载为纯电阻性负载，所以简化计算得

IdD

12Id

12

6A 3A

ID

12

Id 4.24A

ID(AV) (1.5~2)

ID1.57

2

4.240.57

A 14.8A 取15A。

故选ZP-15A 整流二极管4只，并配15A散热器。

2） 滤波电容的选择

滤波电容C0一般根据放电时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，电

容量越大。一般不作严格计算，多取2000 F以上。因该系统负载不大，故取

C0=2200 F

耐压按 1.5U

DM

取250V。 1.5 156V 234V，

即选用2200 F、250V电容器。 3） IGBT的选择

因

U0

Ud2 50V

，取3倍裕量，选耐压为150以上的IGBT。由于IGBT

是以最大值标注，且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜。为此选用1MBH50-090型IGBT。其续流二极管选择与之配套的快速恢复二极管EDR60-100。Cl、C2为3300uF电解电容

2.3.3 整流电路保护元件的选用 1）变压器二次侧熔断器选择

由于变压器最大二次电流I2 6A，故选用10A熔芯即可满足要求。应选

用15A、250V熔断器。

2） IGBT保护电路的选择

1电容Cs的选择 ○

一般按布线电感磁场能量全部转化为电场能能量估算。即

12LbIo

2

12

Cs(Ucep Uo)

2

得Cs

LbIo

2

2

(Ucep Uo)

这里取Io为电路电压Io=3A ；为电感值Lb=L=14.7mH; Ucep为保证保护可靠， 可取稍低于IGBT耐压值为宜，这里取200V进行计算；取U0 50V； 则Cs

LbIo

2

2

(Ucep Uo)

=0.0588uF

取Cs 0.06uF，耐压300V。

2缓冲电阻R的计算 ○s

要求IGBT关断信号到来之前，将缓冲电容器所积蓄的电荷放完，以关

断信号之前放电90%为条件，其计算公式如下；

Rs

16fCs

，有Rs 5k 。

3缓冲电路二极管VDs ○

因为VDs用于高频电路中，故应选用快速恢复二极管，以保证IGBT导

通时很快关断。

VDs电流额定可按

IGBT通过电流的0.1试选，然后调试决定。

图2.2 IGBT保护电路

2.2 驱动电路设计方案

2.2.1 IGBT驱动器的基本驱动性能

l动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当○

IGBT在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较人的损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗会大大超过IGBT通态损耗，造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IGBT的开关频率和输出能力，同时对IGBT的安全工作构成很大威胁。IGBT的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使IGBT栅源电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也小能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路中造成干扰。

2能向IGBT提供适当的正向栅乐。IGBT导通肝的管压降与所加栅源电压○

有关，在集射电流一定的情况下，Vge越高，Vce越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是，Vge井非越高越好，Vge过大，负载短路时Ic增大，IL．BT能承受短路电流的时间减少，对安全不利，一但发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。因此，在有短路程的设备中Vge应选小些，一般选12～15V。

3在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，能向IGBT提供足够○

的反向栅压。考虑到在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管了的功耗，重则将使裂变电路处于短路直通状态，因此，最好给应处于截止状态的IGBT加一反向栅压(5～15V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

4有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，IGBT与工频电网有直○

接电联系，而控制电路一般不希望如此。另外，许多电路中的IGBT的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接藕合。因此驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，也有利于维修调试人员的人身安全。但这种电隔离不应影响驱动信譬的正常传输。

5具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极眼电压一般为±○

20V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。

6输入输出信号传输无延时。这小仪能够减少系统响应滞后，而且能提高○

保护的快速性。

7人电感负载下，IGBT的开关时间不能过分短，以限制di／dt所形成的○

尖峰电压，保证IGBT的安全。

2.2.2 驱动电路

IGBT的驱动电路如图4，此IGBT门极驱动电路采用了光耦合器使信号电

路与门极驱动电路相隔离。当光电耦合器导通时，V截止，V1IGBT导通。光电耦合器截止，V导通，V2导通，IGBT截止。

图2.3 IGBT驱动电路图

2.3触发电路设计方案

控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，用于可控制电路中主功率器件的通断，通过对占空比α的调节，达到控制输出电压大小的目的。此外，控制电路还具有一定的保护功能。

被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。芯片的输入电压为8V到35V。它的振荡频率可在100HZ到500KHZ的范围内调节。在芯片的CT端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。此外此外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。

图2.4 触发电路图

第三章 MATLAB仿真

MATLAB软件语言系统是当今流行的第四代计算机语言，由于它在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、图形图像处理等不同领域的广泛应用以及自身的独特优势，目前MATLAB受到个研究领域的推崇和关注。

本文也采用MATLAB软件对研究结果经行仿真，以验证结果是否正确。

3.1 建立仿真模型

建立仿真模型的步骤： ① 建立主电路的仿真模型 ② 构造控制部分

③ 完成波形观测及分析部分 最终完成仿真模型如图7所示：

图3.1 单相半桥无源逆变电路仿真模型