IGBT模块单相半桥逆变电路设计与应用
1 引言
本次课程设计的题目是IGBT单相电压型半桥无源逆变电路设计，根据电力电子技术的相关知识，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。
电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其目的是训练学生综合运用学过的各种变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
2 工作原理概论
2.1 IGBT单相电压型半桥无源逆变电路
2.1.1单相电压型逆变电路
（1）半桥逆变电路结构及其工作原理
V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，二者互补。输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，输出电流io波形随负载而异，感性负载时，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。
图1 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
优点：简单，使用器件少。缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。
2.1.2 IGBT绝缘栅双极型晶体管
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
2.2 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。
2.3 根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图；
设计条件：
1.电源电压：直流Ud=100V
2.输出功率：300W
3.输出电压波行1KHz方波，脉宽
4.阻感负载
计算内容：
1.有效电压：Ud=U/2
2.R=Ud2/P = 25/3Ω
3.L为3h
2.1.2 IGBT绝缘栅双极型晶体管
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
2.2 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。
2.3 根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图；
设计条件：
1.电源电压：直流Ud=100V
2.输出功率：300W
3.输出电压波行1KHz方波，脉宽
4.阻感负载
计算内容：
1.有效电压：Ud=U/2
2.R=Ud2/P = 25/3Ω
3.L为3h
图2 电压型逆变电路设计原理图
3 主电路设计
3.1 MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图
在本次设计中，主要采用单相半桥式无源逆变电路(阻感负载)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：
3.1 MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图
在本次设计中，主要采用单相半桥式无源逆变电路(阻感负载)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：
图3 MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图
3.2示波器观察电源电压、控制信号、负载电压的波形图
电源电压、控制信号、负载电压的波形图
4 仿真电路结果的分析
波形图分别为负载电压、电源电压、控制信号的波形图。打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真（Simulation）按钮，仿真参数(Simulation Parameters)命令设定有关仿真参数，设定停止时间(Stop Time)为0.1秒，仿真算法选择可变步长(Variable-step)积分算法函数其，他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示模块（scope）就能显示其信号波形。
波形图分别为负载电压、电源电压、控制信号的波形图。打开新建模型窗口，将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名，设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型，设置好各模块参数，点击下拉菜单仿真（Simulation）按钮，仿真参数(Simulation Parameters)命令设定有关仿真参数，设定停止时间(Stop Time)为0.1秒，仿真算法选择可变步长(Variable-step)积分算法函数其，他参数用默认值。然后点击启动仿真按钮，则开始仿真，双击显示模块（scope）就能显示其信号波形。
