单相桥式逆变电路的设计

《电力电子技术》课程设计说明书单相桥式逆变电路的设计

学院：电气信息与工程学院

学生姓名：刘子豪

指导教师：肖文英职称副教授

专业：电气工程及其自动化

班级：电气1505班

学号：150********

完成时间：2018年6月

湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书

学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化专业\自动化专业

摘要

在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要把这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。

本次设计采用的是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。

在本次设计中我主要负责设计过程中搜集资料、数据的计算以及相关文档的整理。

关键词：逆变电路；PWM控制技术；换流

目录

1 绪论 (1)

2 课程设计的方案 (2)

2.1概述 (2)

2.2系统组成方案 (2)

2.2.1 单相桥式整流电路的结构 (2)

2.2.2 单相桥式无源逆变电路的结构 (3)

3 主电路设计 (4)

3.1单相桥式整流主电路 (4)

3.1.1 单相桥式整流主电路图 (4)

3.1.2 工作原理 (4)

3.2单相桥式无源逆变电路主电路 (5)

3.2.1 单相桥式整流电路主电路图 (5)

3.2.2 工作原理 (6)

3.3主要元器件的选择 (6)

4 控制电路设计 (9)

4.1单相桥式整流电路控制 (9)

4.1.1 触发电路 (9)

4.1.2 保护电路 (10)

4.2单相桥式无源逆变电路控制电路 (11)

4.2.1 驱动电路 (11)

4.2.2 保护电路 (12)

5 MATLAB仿真 (14)

5.1单相桥式整流电路的仿真 (14)

5.2单相桥式无源逆变电路的仿真 (17)

6 课程设计总结 (19)

参考文献 (20)

1.绪论

整流电路就把交流电转换为直流电的电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定，其作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。另外，还有采用全控型器件的电路，其主要控制方式为PWM脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），随着全控型电力电子器件的发展，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。

逆变电路与整流电路相对应，是把直流电变成交流电的电路。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；而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。另外，逆变电路输出电压基波方均根值随外加控制信号电压的大小作连续调节。逆变电路的基本功能固然是将直流电能改变成所需频率的交流电能，但含逆变电路的工业特殊交流电源，除了必须具备变频功能之外，还要求其出端电压在一定范围内连续可调。例如：交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。再例如，为了防止交流电动机磁路饱和，用于变频调速的电源输出电压需要与工作频率同步调节,以保持U/f值为常数（其中U 为电源输出基波电压方均根值,f为工作频率）。为了适应不同工件和工艺规范的需要，用于感应加热的电源输出功率需要在一定范围内连续可调（相当于电源输出电压可调）。为了在电网和负载波动条件下维持输出电压恒定，各种恒压电源（如不停电电源等）必须具备输出电压快速调节的功能等等。

2.课程设计的方案

2.1概述

本次设计主要设计单相桥式整流电路和单相全桥无源逆变电路。这两个电路在电力电子这门课程中算是比较简单的电路，但同时也是基础型的电路。这次设计不仅可以更直观的了解电路的工作情况和各个器件的工作原理，使自己对电力电子知识的掌握更加清晰、牢固。同时可以通过对比来分辨两个电路的不同作用。

整流电路要求输入单相电网220V，输出电压0~100V，电阻性负载，，R=20欧姆，通过设计整流电路并按照要求参数进行仿真，可以得到相应的波形。逆变电路要求单相全桥无源逆变，输出功率200W，输出电压100Hz方波，应采用无源方波逆变电路，通过对参数的正确设置，就可以仿真出所求波形。

2.2系统组成总体结构

2.2.1单相桥式整流电路的结构

单相桥式整流电路在输入单相电源后经过变压器带动驱动电路使晶闸管处于通状态来控制整流电路的通断，整流电路与负载相连得到整流后的波形，保护电路在整个过程中保证电路的正常运行，防止过压或过流情况的发生。

图2.1 单相桥式整流电路的结构

2.2.2单相全桥无源逆变电路的结构

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。直流侧与电源相接，通过滤波电路得到需要的电压范围，整流电路将直流电压转换成交流电，输出给负载，控制电路全程逆变控制电路的通断。

图2.2 单相桥式无源逆变电路的结构

3.主电路设计

3.1单相桥式整流电路主电路

3.1.1单相桥式整流主电路图

Rd

图3.1 单相桥式整流主电路图

3.1.2工作原理

如上图所示，晶闸管VT1和VT2组成一对桥臂，晶闸管VT4和VT3组成另一对桥臂。当u2为正半周时，在ωt=α瞬间给VT1和VT4以触发脉冲，则电流i2从a→VT1→Rd→VT4→b,VT2和VT3均承受反向电压而关断；在电源电压u2的负半周期时，仍在控制角α时刻触发VT2和VT3，电流i2从b→VT3→Rd→VT2→a,如此一个个周期周而复始地重复、循环。

由于单相桥式整流电路直流电压在一个周期内有两个波头，故整流电压平均值可

()2

/cos 129.0)sin 22(Ud 0

αωωπ

+==?U t d t

U

当α=0°时，晶闸管全导通，相当二极管的不可控整流，Ud=0.9U2为最大值； 当α=90°时，U d =0，为最小值，可见，其移相范围为90°。

对电路来说,晶闸管的选取会影响到电路的功能和输出,因此,晶闸管的参数的选取十分重要,决定晶闸管性能的主要参数有:主要电压参数包括断态重复峰值电压,反向重复峰值电压,反向击穿电压,通态平均电压和断态电压临界上升率。主要电流包括通态平均电流，断态平均电流，维持电流，掣住电流和浪涌电流等。

因此，出于对电路输出的考虑，选取KP1型晶闸管，其主要参数为：通态正向平均电流It 为1av,断态正反向重复峰值电压Udrn,Udrrm 为50～160V ，门极触发电压Vgt 为≤2.5V ，门极触发电流Igt 为 ≤20mA 。

根据以上参数可求得晶闸管承受的最大正、反向电压都是2U2。

流过每个晶闸管的电流平均值和有效值公式分别为

d Id Id v

I 5.0Idvt 22==

=

π

ππ

θ

Id Id Id v 2

122Idvt =

==π

ππ

θ

3.2 单相桥式无源逆变电路主电路

3.2.1 单相桥式无源逆变主电路图

图3.2 单相桥式无源逆变主电路图

VD3

VD4

3.2.2 工作原理

单相桥式无源逆变电路如上图所示，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度。其工作过程如下：

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，Uo =-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Uo=+Ud 。

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0u=+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0u=-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，0u=-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0u 展开成傅立叶级数，得

πωωω/......5sin 3sin sin *4Ud Uo 51

31）

（+++=t t t 其中，基波分量的幅值Uolm 和有效值Uol 分别为： Uolm=1.27Ud Uol=0.9Ud

3.3 主要元器件选择

单相桥式全控主电路中最重要的元器件是晶闸管，晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier--SCR ），晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。其外型有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A 、阴极K 和门极（或称栅极）G 三个联接端。

选择时主要考虑其参数和选取原则： 晶闸管的主要参数如下： ①额定电压m U

通常取DRM U 和RRM U 中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压

（1）

②额定电流I T(AV)

I T(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值TM I ≤Im ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。

Tn I ：额定电流有效值，根据管子的I T(AV) 换算出，

)(AV T I 、TM I Im 三者之间的关系：

（2）

（3）

波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值I 与平均值d I 之比称为该波的波形系数，用f K 表示:

（4）

额定状态下， 晶闸管的电流波形系数: （5）

晶闸管承受最大电压为V V U U TM 157111222=?==考虑到2倍裕量，取

400V.

晶闸管的选择原则：

Ⅰ、所选晶闸管电流有效值Tn I 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。

Ⅱ、选择时考虑（1.5～2）倍的安全余量。即Tn I ＝1.57 I T(AV) ＝（1.5～I TM

（6）

因为,则晶闸管的额定电流为()AV T I =10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于

Im

5.02Im/)()sin (Im 2/10

2===?π

ωωπt d t I Tn Im 318.0Im /)(sin Im 2/10

)(===?πωωππ

t td I AV T 57

.12

)

(==

=

π

AV T Tn f I I K d

f I I

K =

57.1)2~5.1()(TM AV T I I ≥{}

RRM DRM Tn U U U ,min =

20A.

（7）

在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.

2）变压器的选取

根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2V·A

4. 控制电路设计

4.1 单相桥式整流电路控制电路

4.1.1 单相桥式整流电路触发电路

1.电路图

图4.1 单相桥整流电路触发电路图

2.晶闸管触发电路工作原理 （1）由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM 和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。

（2）当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。

（3）VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM 释放其储存的能量而设的。

（4）为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 晶闸管触发电路应满足下列要求： A 、触发脉冲的宽度应该保证晶闸管的可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的启动，双星型带平衡电抗器电路的触发脉冲应该宽于30°，三相全控桥式电路应小于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。 B 、脉冲触发应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3—5倍，脉冲前沿的陡度也要增加。一般需达1-2A/us

所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压、电流和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。并且应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的电气隔离。

4.1.2 单相桥式整流电路保护电路

1.工作原理

设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的电压保护的方法是采用电子电路进行保护。

2.电路图

图4.2 单相桥式整流保护电路图

)

1

ln(

C R T

e

4.2单相桥式逆变电路控制电路的设计

4.2.1驱动电路

1.功能介绍

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。

IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579 系列（如M57962L 和M57959L）和富士公司的EXB 系列（如EXB840、EXB841、EXB850 和EXB851）。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。下图给出了M57962L 的接线图和引脚图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L 输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。

2.电路图

M57962L 的接线图：

图4.3 单相桥式逆变驱动电路图

M57962L 的引脚图：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

图4.4 M57962L 的引脚图

3.工作原理

当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通， A 点电位迅速下降至VEE，使IC2A的2脚输出为高电平Vcc ，则三极管V2、V4导通，V3、V5截止，使V7导通，Vcc加到R17上，同时由R18/ (R17+ R18)大于R16/(R15+ R16)，导致IC2D 的13脚为低电位，V6 截止，R4/(R3 +R4)大于R16(R15 + R16)使IC2B 的13 脚截至，故IC2的14脚为高电平V1，截止，M57962L 的8脚不输出故障信号。

在M57962L输入端13和14无电流时，IC1截止，A点电位上升使IC2A的2脚变为低电位，则使V3、V5导通，V2、V4截止。lGBT的门极(GATE)通过V5导通到VEE，而使IGBT关断。IC2C的14脚输出为低电平，使V1、V7导通，使IC2B、IC2D保持原先状态不变。

4.2.2保护电路

1.功能介绍

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt 保护和di/dt 保护也是必要的。这里主要讲述IGBT 的过电压保护。

2.电路图

图4.5 单相桥式逆变保护电路图

3.工作原理

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：

1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。

2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。

可采用图4.5所示的反向阻断式RC 电路。有关保护电路的参数计算可参照相关的工程手册。采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。

5. MATLAB仿真

Matlab 被誉为三大数学软件之一，它在数学类科技应用软件中在数值方面首屈一指。Matlab 可以进行矩阵、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域，受到各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。

5.1单相桥式整流电路的仿真

1.整流仿真电路图

要求电路单相电网220V，输出电压0~100V，电阻性负载，，R=20欧姆，设置参数如下：交流电网为220V，脉冲幅值为20，脉冲周期0.02s,占空比为20%，延迟时间的设置根据公式（触发角/360）*0.02来设置。

图5.1 单相桥式整流仿真电路图

2.仿真波形

当触发角=30度时，波形如下图：

图5.2 单相桥式整流触发角为30度电路图

当触发角=60度时，波形如下图：

图5.3 单相桥式整流触发角为60度电路图当触发角=90度时，波形如下图

图5.4 单相桥式整流触发角为90度电路图