单相半桥无源逆变器设计.doc

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1、 1 电气与电子信息工程学院电气与电子信息工程学院 计算机控制课程设计计算机控制课程设计 设计题目：设计题目： 单相半桥无源逆变电路设计 专业班级：专业班级：电气工程及其自动化 2010（专升本）班 学学号：号： 201020210128 姓姓 名：名： 朱 勇 同同 组组 人：人： 严康 孙希凯 指导教师：指导教师： 南光群 黄松柏 设计时间：设计时间： 2011/11/132011/11/21 设计地点：设计地点： 电力电子室 2 电力电子 课程设计成绩评定表 姓 名 朱 勇学 号201020210128 课程设计题目： 单相半桥无源逆变电路设计 课程设计答辩或质疑记录： 1、单相半桥无源

2、逆变电路的原理是什么？ 答：见图 1.2。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。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。t3 时刻 i。降至零，D2 截止，T2 导通，i。 开始反向增大。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；t5 时刻 i。降至零， T1 导通。 2、将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路，根据交流电

3、的用途可分为哪几类？ 答：有源逆变和无源逆变。 成绩评定依据： 课程设计考勤情况（20）： 课程设计答辩情况（30）： 完成设计任务及报告规范性（50）： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2011 年 12 月 20 日 3 电力电子课程设计电力电子课程设计课程设计任务书课程设计任务书 2011 2012 学年 第 1 学期 学生姓名：学生姓名： 朱朱 勇勇 专业班级专业班级 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 20102010 专升本专升本 指导教师：指导教师：南光群、黄松柏南光群、黄松柏 工作部门：工作部门：电气学院电气自动化教研室电气学院电气自动化教研室

4、 一、课程设计题目：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

5、报告（5000 字以上） 。 注：详细要求和技术指标见附录。 三、进度安排三、进度安排 1时间安排 序 号内 容学时安排（天） 1方案论证和系统设计1 2主电路设计1 3保护电路设计1 4驱动电路设计1 4 5设计答辩1 合 计5 设计指导答辩地点：电力电子室 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

6、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。 评定项目 基本内涵分值 设计过程 考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20 分 设计报告 完成设计任务、报告规范性等情况50 分 答 辩回答问题情况30 分 90100 分：优；8089 分：良；7079 分：中；6069 分，及格；60 分以下：不及 格 六、课程设计参考资料六、课程设计参考资料 1 王兆安，黄俊.电力电子技术（

7、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：胡学芝胡学芝 2011 年 10 月 9 日 5 摘要摘要 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

8、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

9、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 6 Abstract The application of power electronics technology has penetrated into the nat

10、ional 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 co

11、re 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 i

12、n 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

13、 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 r

14、efers 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 conside

15、red, 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

16、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,

17、 rectifier, thyristor 7 目录目录 第一章第一章 系统方案设计系统方案设计.1 1 1.1 系统方案 .1 1.2 系统工作原理 .1 第二章第二章 硬件电路设计与参数计算硬件电路设计与参数计算.3 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 第三章第三章 MATLABMATLAB 仿真仿真 .9 9

18、3.1 建立仿真模型 .9 3.2 仿真结果分析 .10 小结小结.1111 参考文献参考文献.1212 附录一：元器件清单附录一：元器件清单.1313 1 第一章第一章 系统系统方案设计方案设计 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

19、 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 2 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 。 2 U U d 0 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， 。 2 U U d 0 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 。 2 U U d 0 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。

20、不能立即改变方向，D1 先导通续流，此时仍然有； 2 U U d 0 t5 时刻 i。降至零， T1 导通，。 2 U U d 0 3 第二章第二章 硬件硬件电路设计与参数计算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 整流变压器的整流变压器的参数运算参数运算 1）变压器二次侧电压的计算 2 U 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 2 U 会造成延迟角 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： BA U U

21、 d 2 . 11 2 由表查得 A=2.34；取 =0.9； 角考虑 10裕量，则 B=cos=0.985 VU150125 985.09.09.0 100 2.11 2 取=140V。 2 U 4 电压比 K=/=220/140=1.57。 1 U 2 U 2 ）一次、二次电流、的计算 1 I 2 I 由 得 R U P 2 0 2 U U d 0 16.7 150 50 P U R 22 0 3A 16.7 50 R U I 0 0 A632I2II 0d2 A82 . 3 57 . 1 6 K I I 2 1 考虑空载电流 取 A4A82 . 3 05 . 1 I1 3）变压器容量的计

22、算 ； VA880A4V220 111 IUS ； VA840A6V140 222 IUS ； VA860VA840880 2 1 )( 2 1 21 ）（SSS 2.2.2 整流变压器元件选择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，考虑三倍裕197V140V2U2U 2DM 量，则，取 600V。该电路整流输出接有大电容，而且负594V197V3UTN 载为纯电阻性负载，所以简化计算得 AAId D 36 2 1 2 1 Id AId D 24 . 4 2 1 I 取 15A。AA I I D AVD 8 . 14 57 . 0 24 . 4 2 57 . 1 )25

23、 . 1 ( )( 故选 ZP-15A 整流二极管 4 只，并配 15A 散热器。 5 2） 滤波电容的选择 滤波电容一般根据放电时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小， 0 C 电容量越大。一般不作严格计算，多取 2000以上。因该系统负载不大，故F 取=2200 0 CF 耐压按 取 250V。，234VV1565 . 11.5UDM 即选用 2200、250V 电容器。F 3） IGBT 的选择 因，取 3 倍裕量，选耐压为 150 以上的 IGBT。由于 IGBT V50 2 U U d 0 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

24、 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，故选用 10A 熔芯即可满足要求。应选A6I2 用 15A、250V 熔断器。 2） IGBT 保护电路的选择 电容的选择 1 s C 一般按布线电感磁场能量全部转化为电场能能量估算。即 22 11 () 22 boscepo L IC UU 得 2 2 () bo s cepo L I C UU 这里取为电路电压=3A

25、 ；为电感值=14.7mH; 为保证保护可靠， o I o I b LL cep U 可取稍低于 IGBT 耐压值为宜，这里取 200V 进行计算；取；V50U0 则=0.0588uF 2 2 () bo s cepo L I C UU 6 取，耐压 300V。uF06 . 0 Cs 缓冲电阻的计算 2 s R 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； ，有。 1 6 s s R fC k5Rs 缓冲电路二极管 3 s VD 因为用于高频电路中，故应选用快速恢复二极管，以保证 IGBT s VD 导通时很快关断。 s

26、VD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驱动器的基本驱动性能 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 l 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 7 变化速度密切

27、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。 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 2 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 I

28、c 增大，ILBT 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 1215V。 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 3 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(515V)，使 IGBT 在栅极出现开关噪声时 仍

29、能可靠截止。 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 4 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。 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 5 20V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。 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 6 保护的快速性。 人电感负载下，IGBT 的开关时间不能过分短，以限制 didt 所形成的

30、 7 尖峰电压，保证 IGBT 的安全。 2.2.2 驱动电路驱动电路 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，IGBT 导通。光电 1 V 8 耦合器截止，V 导通，导通，IGBT 截止。 2 V 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 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

31、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 9 第三章第三章 MATLAB 仿真仿真 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：

32、 建立主电路的仿真模型 构造控制部分 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 10 3.2 仿真结果分析 将仿真时间设为0.00s，选择ode113的仿真算法，将绝对误差设为1e-5，运 行后可得仿真结果。 如图8所示自上而下分别为逆变器输出的交流电压、电流和直流侧电流波形。 交流电压为100V的方波电压，周期与驱动信号同为1kHz。由于负载为纯电阻负 载，则直流电流无波动。 图3.2 单相半桥无源逆变电路仿真波形 11 小结小结 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电力电子方面的知识， 在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一

33、次的思考，一遍又一遍的 检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。 实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正， 不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善 莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题， 最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中， 一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所 在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的 道路上劈荆斩棘，而不

34、是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也 永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契， 在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽 的配合才能换来最终完美的结果。 此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教 或上网查询，要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获 颇丰。 12 参考文献参考文献 1王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 2王兴贵，陈伟，现代电力电子技术（M）, 机械工业出版社2010 3电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版

35、社2006 4李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007 5汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析， 现代电子技术2008年 第1期总第264期。 6王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001 7 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 8 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 9 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 13 附录一：元器件清单附录一：元器件清单 元器件明细表 序 号元器件型 号个数 1IGBT1MBH50-0902 2 整流二极管 ZP-15A4 3 续流二极管 EDR60-1002 4 熔断器 RLS-15A1 5 滤波电容 1 6 缓冲电容 s C 2 7 缓冲电阻 s R 2 8 缓冲二极管 s VD 2