MOSFET單相全橋無(wú)源逆變電路要點(diǎn)說(shuō)明

1、期由2孽比電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書MOSFET單相橋式無(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)純電阻負(fù)載院、部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：王翠職稱副教授專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：自本1004班完成時(shí)間：2021-5-24本次基于MOSFET的單相橋式無(wú)源逆變電路的課程設(shè)計(jì),主要涉及MOSFET的工作原理、全橋的工作特性和無(wú)源逆變的性能.本次所設(shè)計(jì)的單相全橋逆變電路采用MOSFET作為開關(guān)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(fù)載兩端.本次課程設(shè)計(jì)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(duì)較為簡(jiǎn)便,不影響結(jié)果輸出.

2、設(shè)計(jì)主要是對(duì)電阻負(fù)載輸出電流、電壓與器件MOSFET輸出電壓的波形仿真.關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗啵蝗珮?；無(wú)源；逆變；MOSFET;1MOSFET的介紹及工作原理42電壓型無(wú)源逆變電路的特點(diǎn)及主要類型52.1 電壓型與電流型的區(qū)別52.2 逆變電路的分類52.3 有源與無(wú)源的區(qū)別53電壓型無(wú)源逆變電路原理分析64主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇74.1 主電路仿真圖74.2 參數(shù)計(jì)算84.3 參數(shù)設(shè)置85仿真電路結(jié)果與分析115.1 觸發(fā)電平的波形圖115.2 電阻負(fù)載輸出波形圖125.3 器件MOSFET的輸出波形圖125.4 仿真波形分析146總結(jié)15參考文獻(xiàn)16致謝171MOSFET的介紹及工作原理MOSFET的

3、原意是：MOSMetalOxideSemiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體,FETFieldEffectTransistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管,即以金屬層M的柵極隔著氧化層O利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)限制半導(dǎo)體S的場(chǎng)效應(yīng)晶體管.功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型MetalOxideSemiconductorFET,簡(jiǎn)稱功率MOSFETPowerMOSFET.結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管StaticInductionTransistorSIT.具特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)限制漏極電流,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,需要的驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度快,工作頻率高,熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR,但其電流

4、容量小,耐壓低,一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置.功率MOSFET的種類：按導(dǎo)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(qiáng)型,當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型；對(duì)于NP溝道器件,柵極電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型；功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型.本次設(shè)計(jì)采用N溝道增強(qiáng)型.2電壓型無(wú)源逆變電路的特點(diǎn)及主要類型2.1 電壓型與電流型的區(qū)別根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的那么稱為電流型逆變電路.電壓型逆變電路有以下特點(diǎn)：直流側(cè)為電壓源,或并聯(lián)有大電容,相當(dāng)于電壓源.直流側(cè)電壓根本無(wú)

5、脈動(dòng),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(cè)輸出電壓波形為矩形波,并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān).而交流側(cè)輸出電流波形和相位由于負(fù)載阻抗的情況不同而不同.當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率,直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用.為了給交流側(cè)想直流側(cè)反應(yīng)的無(wú)功能量提供通道,逆變橋各臂都并聯(lián)了反應(yīng)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：?jiǎn)蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮蚰孀冸娐?而三相電壓型逆變電路那么是由三個(gè)單相逆變電路組成.2.3 有源與無(wú)源的區(qū)別如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上,把直流電逆變成同

6、頻率的交流電反送到電網(wǎng)去,稱為有源逆變.無(wú)源逆變是指逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接,而是直接接到負(fù)載,即將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供應(yīng)負(fù)載.它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛,是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容.3電壓型無(wú)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(jié)構(gòu)主要由四個(gè)橋臂組成,其中每個(gè)橋臂都有一個(gè)全控器件MOSFET和一個(gè)反向并接的續(xù)流二極管,在直流側(cè)并聯(lián)有大電容而負(fù)載接在橋臂之間.其中橋臂1,4為一對(duì),橋臂2,3為一對(duì).可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成.其根本電路連接圖如下所示：圖1電壓型全橋無(wú)源逆變電路的電路圖由于采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MO

7、SFET來(lái)設(shè)計(jì),如圖1的單相橋式電壓型無(wú)源逆變電路,此課程設(shè)計(jì)為電阻負(fù)載,故應(yīng)將IGBT用MOSFET代替,RLC負(fù)載中電感、電容的值設(shè)為零.此電路由兩對(duì)橋臂組成,V1和V4與V2和V3兩對(duì)橋臂各導(dǎo)通180度.再加上采用了移相調(diào)壓法,所以VT3的基極信號(hào)落后于VT1的90度,VT4的基極信號(hào)落后于VT2的90度.由于是電阻負(fù)載,故晶體管均沒(méi)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(fù)值、90度零這樣一直循環(huán)下去.4主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇4.1 主電路仿真圖在本次設(shè)計(jì)中,主要采用單相全橋式無(wú)源逆變電路電阻負(fù)載作為設(shè)計(jì)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

8、流側(cè)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2MOSFET單相全橋無(wú)源逆變電路電阻負(fù)載電路4.2 參數(shù)計(jì)算電阻負(fù)載,直流側(cè)輸入電壓Ud=100V,脈寬為8=90°的方波,輸出功率為300W,電容和電感都設(shè)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(hào)比V1的落后了90度(即相當(dāng)1/4個(gè)周期).通過(guò)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.又由于P=300W所以

9、有電阻：R=Uo*Uo/P=8.333Q那么輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A那么可得電流幅值為Imax=12A,Imin=-12A電壓幅值為Umax=100V,Umin=-100V品閘管額定值計(jì)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那么額定電壓Un=(23)*100V=(200-300)V4.3 參數(shù)設(shè)置根據(jù)以上計(jì)算的各參數(shù)即可正確設(shè)置主電路圖如下,進(jìn)而仿真出波形圖.Pulsetype:TimebasedTime(t):UseexternalsignalAmplitude;Period(sec

10、s):口.001PulseWidth(%ofperiod):Phasedelay(secs):O圖3VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置Pulsetype:TimebasedTime(t):UsssimulationtimeAmplitude：5Period(secs):0.001PulseWidth(%ofperiod):PhatedelaySecs):0,0005回Interpretvectorparametersas1-DTimebasedPulsetype:Time(t):Usesimulationtime,Amplitude:5Period(secs):0.001PulseWidth(%ofpe

11、riod):50Phasedelay(secs):0700025回Interpretvectorparaibetersas1-D圖5VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置Pulsetype:TinebasedTimeCt):UsesimulationtimeAmplitude:5Period(sees):0.001PulseWidth(%ofperiod):50Phasedelay(sec2):,00075回InterpretvectorparameterEas1-DTmSeriesRLCBranchCmask)(link)IiLplejiLentsaseriesbranchofRLCelements.Us

12、ethe7Branchtype"parametertoaddorremoveelementsfronthebranch.ParametersEranchtype:RResistance(Ohms):3.333MeasurementsNonevOKCancelMelpApply圖7電阻負(fù)載參數(shù)設(shè)置5仿真電路結(jié)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(fù)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波圖9電阻負(fù)載輸出波形圖由圖9所示波形可得：一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)半個(gè)周期的輸出電壓

13、值大小相等,幅值的正負(fù)相反,那么輸出平均電壓為00同理輸出平均電流也為005.3 器彳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10VT1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11VT2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12VT3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13VT4電流波形最大值12A,最小值0A,VT4電壓波形最大值100V,最小值0V5.4仿真波形分析在接電阻負(fù)載時(shí),采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓.移相調(diào)壓

14、實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度.通過(guò)對(duì)圖8觸發(fā)脈沖的限制得到如圖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(méi)有電感負(fù)載,在波形圖中可看出,一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)半個(gè)周期的輸出電壓值大小相等,幅值的正負(fù)相反,那么輸出平均電壓為00VT1電壓波形和VT2的互補(bǔ),VT3電壓波形和VT4的互補(bǔ),但VT3的基極信號(hào)不是比VT1落后180°,而是只落后8.即VT3、VT4的柵極信號(hào)不是分別和VT2、VT1的柵極信號(hào)同相位,而是前移了900o輸出的電壓就不再是正負(fù)各為180°的的脈沖,而是正負(fù)各為90°的脈沖.由于沒(méi)有電感負(fù)載,故電流情形與電壓相同.6總

15、結(jié)MOSFET單相橋式無(wú)源逆變電路共有4個(gè)橋臂,可以看成兩個(gè)半橋電路組合而成,采用移相調(diào)壓方式后,輸出交流電壓有效值即可通過(guò)改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn),也可通過(guò)改變9來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來(lái)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(fù)載中,VD1-VD4不再導(dǎo)通,不起續(xù)流作用,古可將起續(xù)流作用的4個(gè)二極管也去掉,對(duì)結(jié)果沒(méi)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(diǎn),且不需要有兩個(gè)電容串聯(lián),就不需要限制電容電壓的均衡,因此可用于相對(duì)較大功率的逆變電源.參考文獻(xiàn)1王兆安劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).北京

16、：機(jī)械工業(yè)出版社.第五版,2021.5.1001032黃忠霖黃京.電力電子技術(shù)MATLAB實(shí)踐.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2021.1.2462483洪乃剛.電力電子、電機(jī)限制系統(tǒng)的建模和仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2021.1.1001074趙同賀等.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20215林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京：中國(guó)電力出版社,2021致謝這次電力電子技術(shù)設(shè)計(jì),讓我們有時(shí)機(jī)將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中.并通過(guò)對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用,進(jìn)行必要的分析、比擬.從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識(shí).同時(shí),這次課程設(shè)計(jì),還讓我知道了最重要的是心態(tài),在剛開始會(huì)覺(jué)得困難,但是只要充滿信心,就肯定會(huì)完成的.通過(guò)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì),我加深了對(duì)課本專業(yè)知識(shí)的理解,平常都是理論知識(shí)的學(xué)習(xí),在此次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,我更進(jìn)一步地熟悉了單相橋式無(wú)源電路的原理和觸發(fā)電路的設(shè)計(jì).當(dāng)然,在這個(gè)過(guò)程中我也遇到了困難,查閱資料,相互通過(guò)討論.我準(zhǔn)確地找出了我們的錯(cuò)誤并糾正了錯(cuò)誤,這更是我們的收獲,不但使我們進(jìn)一步提升了我們的實(shí)踐水平,也讓我們?cè)谝院蟮墓ぷ鲗W(xué)習(xí)有了更大的信心.通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合,從實(shí)踐中得出結(jié)論,從而提升了自己的實(shí)際