南京信息工程大学
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错误!未找到引用源。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，使得电阻错误!未找到引用源。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，直流侧输入电压错误!未找到引用源。=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。
