MOSFET單相全橋無源逆變電路.doc

電力電子技術課程設計說明書電力電子技術課程設計說明書 MOSFET 單相橋式無源逆變電路設計 純電阻負載 院 部 電氣與信息工程學院 學生姓名 指導教師 王翠 職稱 副教授 專 業(yè) 自動化 班 級 自本 1004 班 完成時間 2013 5 24 摘 要 本次基于 MOSFET 的單相橋式無源逆變電路的課程設計 主要涉及 MOSFET 的工作原理 全橋的工作特性和無源逆變的性能 本次所設計的單相全橋逆變 電路采用 MOSFET 作為開關器件 將直流電壓 Ud 逆變?yōu)轭l率為 1KHZ 的方波電 壓 并將它加到純電阻負載兩端 本次課程設計的原理圖仿真是基于 MATLZB 的 SIMULINK 由于 MATLAB 軟件中 電源等器件均為理想器件 使得仿真電路相對較為簡便 不影響結果輸出 設 計主要是對電阻負載輸出電流 電壓與器件 MOSFET 輸出電壓的波形仿真 關鍵詞 單相 全橋 無源 逆變 MOSFET 目 錄 1 MOSFET 的介紹及工作原理 1 2 電壓型無源逆變電路的特點及主要類型 2 2 1 電壓型與電流型的區(qū)別 2 2 2 逆變電路的分類 3 2 3 有源與無源的區(qū)別 3 3 電壓型無源逆變電路原理分析 3 4 主電路設計及參數(shù)選擇 4 4 1 主電路仿真圖 5 4 2 參數(shù)計算 5 4 3 參數(shù)設置 6 5 仿真電路結果與分析 9 5 1 觸發(fā)電平的波形圖 9 5 2 電阻負載輸出波形圖 9 5 3 器件 MOSFET 的輸出波形圖 10 5 4 仿真波形分析 11 6 總結 12 參考文獻 13 致謝 14 1 MOSFET 的介紹及工作原理的介紹及工作原理 MOSFET 的原意是 MOS Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導體 FET Field Effect Transistor 場效應晶體管 即以金屬層 M 的柵極隔 著氧化層 O 利用電場的效應來控制半導體 S 的場效應晶體管 功率場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型 但通常主要指絕緣柵型中的 MOS 型 Metal Oxide Semiconductor FET 簡稱功率 MOSFET Power MOSFET 結型功率場效應晶體管一般 稱作靜電感應晶體管 Static Induction Transistor SIT 其特點是用柵極電壓來控制漏極 電流 驅動電路簡單 需要的驅動功率小 開關速度快 工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR 但其電流 容量小 耐壓低 一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置 功率 MOSFET 的種類 按導電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道 按柵極電壓 幅值可分為耗盡型和增強型 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的 稱為耗盡型 對于 N P 溝道器件 柵極電壓大于 小于 零時才存在導電 溝道的稱為增強型 功率 MOSFET 主要是 N 溝道增強型 本次設計采用 N 溝道 增強型 2 電壓型無源逆變電路的特點及主要類型 2 1 電壓型與電流型的區(qū)別 根據(jù)直流側電源性質的不同可分為兩種 直流側是電壓源的稱為電壓型逆 變電路 直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路 電壓型逆變電路有以下特 點 直流側為電壓源 或并聯(lián)有大電容 相當于電壓源 直流側電壓基本無脈 動 直流回路呈現(xiàn)低阻抗 由于直流電壓源的鉗位作用 交流側輸出電壓波形 為矩形波 并且與負載阻抗角無關 而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻 抗的情況不同而不同 當交流側為阻感負載時需要提供無功功率 直流側電容 起緩沖無功能量的作用 為了給交流側想直流側反饋的無功能量提供通道 逆 變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管 又稱為續(xù)流二極管 2 2 逆變電路的分類 把直流電變成交流電稱為逆變 逆變電路分為三相和單相兩大類 其中 單相逆變電路主要采用橋式接法 主要有 單相半橋和單相全橋逆變電路 而 三相電壓型逆變電路則是由三個單相逆變電路組成 2 3 有源與無源的區(qū)別 如果將逆變電路的交流側接到交流電網(wǎng)上 把直流電逆變成同頻率的交流 電反送到電網(wǎng)去 稱為有源逆變 無源逆變是指逆變器的交流側不與電網(wǎng)連接 而是直接接到負載 即將直 流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載 它在交流電機變頻調速 感應加熱 不停電電源等方面應用十分廣泛 是構成電力電子技術的重要內容 3 電壓型無源逆變電路原理分析 單相逆變電路主要采用橋式接法 它的電路結構主要由四個橋臂組成 其 中每個橋臂都有一個全控器件 MOSFET 和一個反向并接的續(xù)流二極管 在直流側 并聯(lián)有大電容而負載接在橋臂之間 其中橋臂 1 4 為一對 橋臂 2 3 為一對 可以看成由兩個半橋電路組合而成 其基本電路連接圖如下所示 圖 1 電壓型全橋無源逆變電路的電路圖 由于采用功率場效應晶體管 MOSFET 來設計 如圖 1 的單相橋式電壓型無 源逆變電路 此課程設計為電阻負載 故應將 IGBT 用 MOSFET 代替 RLC 負載 中電感 電容的值設為零 此電路由兩對橋臂組成 V1 和 V4 與 V2 和 V3 兩對 橋臂各導通 180 度 再加上采用了移相調壓法 所以 VT3 的基極信號落后于 VT1 的 90 度 VT4 的基極信號落后于 VT2 的 90 度 因為是電阻負載 故晶體管 均沒有續(xù)流作用 輸出電壓和電流的波形相同 均為 90 度正值 90 度零 90 度負值 90 度零 這樣一直循環(huán)下去 4 主電路設計及參數(shù)選擇 4 1 主電路仿真圖 在本次設計中 主要采用單相全橋式無源逆變電路 電阻負載 作為設計的 主電路 由于軟件上的電源等器件都是理想器件 故可將直流側并聯(lián)的大電容 直接去掉 由以上工作原理概論的分析可得其主電路仿真圖如下所示 圖 2 MOSFET 單相全橋無源逆變電路 電阻負載 電路 4 2 參數(shù)計算 電阻負載 直流側輸入電壓 100V 脈寬為 90 的方波 輸出功率 為 300W 電容和電感都設置為理想零狀態(tài) 頻率為 1000Hz 由頻率為 1000Hz 即可得出周期為 T 0 001s 由于 V3 的基波信號比 V1 的 落后了 90 度 即相當 1 4 個周期 通過換算得 t3 0 001 4 0 00025s 而 t1 0s 同 理 得 t2 0 001 2 0 0005S 而 t4 0 00075S 由理論情況有效值 Uo Ud 2 50V 又因為 P 300W 所以有電阻 R Uo Uo P 8 333 則輸出電流有效值 Io P Uo 6A 則可得電流幅值為 Imax 12A Imin 12A 電壓幅值為 Umax 100V Umin 100V 晶閘管額定值計算 電流有效值 Ivt Imax 4 3A 額定電流 In 額定值 In 1 5 2 3 4 5 6 A 最大反向電壓 Uvt 100V 則額定電壓 Un 2 3 100V 200 300 V 4 3 參數(shù)設置 根據(jù)以上計算的各參數(shù)即可正確設置主電路圖如下 進而仿真出波形圖 圖 3 VT1 的觸發(fā)電平參數(shù)設置 圖 4 VT2 的觸發(fā)電平參數(shù)設置 圖 5 VT3 的觸發(fā)電平參數(shù)設置 圖 6 VT4 的觸發(fā)電平參數(shù)設置 圖 7 電阻負載參數(shù)設置 5 仿真電路結果與分析 5 1 觸發(fā)電平的波形圖 從上到下依次為 VT1 VT2 VT3 VT4 的觸發(fā)電壓 幅值為 5V 圖 8 觸發(fā)電平的波形圖 5 2 電阻負載輸出波形圖 從上到下依次輸出電流 最大值為 12A 與輸出電壓 最大值為 100V 波 形 圖 9 電阻負載輸出波形圖 由圖 9 所示波形可得 一個周期內的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等 幅值的正負相反 則輸出平均電壓為 0 同理輸出平均電流也為 0 5 3 器件 MOSFET 的輸出波形圖 從上到下依次為 VT1 VT2 VT3 VT4 的輸出電流和電壓波形 圖 10 VT1 電流波形 最大值 12A 最小值 0A VT1 電壓波形 最大值 100V 最小值 0V 圖 11 VT2 電流波形 最大值 12A 最小值 0A VT2 電壓波形 最大值 100V 最小值 0V 圖 12 VT3 電流波形 最大值 12A 最小值 0A VT3 電壓波形 最大值 100V 最小值 0V 圖 13 VT4 電流波形 最大值 12A 最小值 0A VT4 電壓波形 最大值 100V 最小值 0V 5 4 仿真波形分析 在接電阻負載時 采用移相的方式來調節(jié)逆變電路的輸出電壓 移相調壓 實際上就是調節(jié)輸出電壓脈沖的寬度 通過對圖 8 觸發(fā)脈沖的控制得到如圖 9 和 5 3MOSFET 的輸出波形圖 圖 9 波形為輸出電流電壓的波形 由于沒有電感 負載 在波形圖中可看出 一個周期內的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等 幅值的正負相反 則輸出平均電壓為 0 VT1 電壓波形和 VT2 的互補 VT3 電壓波形和 VT4 的互補 但 VT3 的基極信 號不是比 VT1 落后 180 而是只落后 即 VT3 VT4 的柵極信號不是分別和 VT2 VT1 的柵極信號同相位 而是前移了 90 輸出的電壓就不再是正負各為 180 的的脈沖 而是正負各為 90 的脈沖 由于沒有電感負載 故電流情形 與電壓相同 6 總結 MOSFET 單相橋式無源逆變電路共有 4 個橋臂 可以看成兩個半橋電路組合 而成 采用移相調壓方式后 輸出交流電壓有效值即可通過改變直流電壓 Ud 來 實現(xiàn) 也可通過改變 來調節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來改變其有效值 由于 MATLAB 軟件中電源等器件均為理想器件 故可將電容直接去掉 又由 于在純電阻負載中 VD1 VD4 不再導通 不起續(xù)流作用 古可將起續(xù)流作用的 4 個二極管也去掉 對結果沒有影響 相比于半橋逆變電路而言 全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電 壓幅值僅為 1 2Ud 的缺點 且不需要有兩個電容串聯(lián) 就不需要控制電容電壓 的均衡 因此可用于相對較大功率的逆變電源 參考文獻 1 王兆安 劉進軍 電力電子技術 北京 機械工業(yè)出版社 第五版 2009 5 100 103 2 黃忠霖 黃京 電力電子技術 MATLAB 實踐 北京 國防工業(yè)出版社 2009 1 246 248 3 洪乃剛 電力電子 電機控制系統(tǒng)的建模和仿真 北京 機械工業(yè)出版社 2010 1 100 107 4 趙同賀等 新型開關電源典型電路設計與應用 北京 機械工業(yè)出版社 2010 5 林飛 杜欣 電力電子應用技術的 MATLAB 仿真 北京 中國電力出版社 2009 致謝 這次電力電子技術設計 讓我們有機會將課堂上所學的理論知識 運用到實 際中 并通過對知識的綜合運用 進行必要的分析 比較 從而進一步驗證了 所學的理論知識 同時 這次課程設計 還讓我知道了最重要的是心態(tài) 在剛 開始會覺得困難 但是只要充滿信心 就肯定會完成的 通過電力電子技術課程設計 我加深了對課本專業(yè)知識的理解 平常都是 理 論知識的學習 在此次課程設計過程中 我更進一步地熟悉了單相橋式無源 電路 的原理和觸發(fā)電路的設計 當然 在這個過程中我也遇到了困難 查閱資 料 相互通過討論 我準確地找出了我們的錯誤并糾正了錯誤 這更是我們的 收獲 不但使我們進一步提高了我們的實踐能力 也讓我們在以后的工作學習 有了更大的信心 通過這次課程設