MOSFET單相橋式無源逆變電路設(shè)計

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"MOSFET和電壓型無源逆變電路簡介 1MOSFET簡介 1\o"CurrentDocument"電壓型無源逆變電路簡介 1\o"CurrentDocument"主電路圖設(shè)計和參數(shù)計算 2主電路圖設(shè)計 2\o"CurrentDocument"相關(guān)參數(shù)計算 2\o"CurrentDocument"驅(qū)動電路的設(shè)計和選型 4\o"CurrentDocument"驅(qū)動電路簡介 4\o"CurrentDocument"驅(qū)動電路的選用 4\o"CurrentDocument"電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計 5\o"CurrentDocument"過電壓保護(hù) 5過電流保護(hù) 7\o"CurrentDocument"保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計算 8\o"CurrentDocument"MATLAB仿真 10\o"CurrentDocument"主電路圖以及參數(shù)設(shè)定 10\o"CurrentDocument"仿真結(jié)果 14\o"CurrentDocument"總結(jié)與體會 15\o"CurrentDocument"附錄:電路圖 16、MOSFET和電壓型無源逆變電路的介紹1.MOSFET簡介金屬-氧化層半導(dǎo)體場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effecttransistor)oMOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為“N型”與“P型”的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，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。2.電壓型無源逆變電路簡介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。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(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給負(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。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(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。二、主電路圖設(shè)計和參數(shù)計算1.主電路圖設(shè)計圖一：主電路圖電路采用全橋接法。它的電路結(jié)構(gòu)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(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，橋臂2,3為一對。由于課程設(shè)計要求負(fù)載為純電阻負(fù)載，則右端負(fù)載中沒有電感和電容，且續(xù)流二極管中無電流流過。電路中V與匕有驅(qū)動信號時，V和七無驅(qū)動信號；V2與V有驅(qū)動信號時，V和V無驅(qū)動信號。兩對橋臂各導(dǎo)通180：，這樣就把直流一…3.一 .一 1 4電轉(zhuǎn)換成了交流電。2.相關(guān)參數(shù)計算輸入直流電壓U^=100V，輸出功率為200W，輸出電壓波形為1KHz方波。該電路所有元件均視為理想器件，且每個MOS管在半個周期內(nèi)電壓為0，半個周期內(nèi)承受的電壓為ud，所以有：U=Ud=100V又因?yàn)镻=200W，所以有電阻：U2R=—=500P則輸出電流有效值：I= =2AUo晶閘管額定值計算。電流最大值:Imax=1=2A額定電流取大于Imax即可。最大反向電壓：U=100V則額定電壓：UN=(2~3)X100=200~300V三、驅(qū)動電路的設(shè)計和選型1.驅(qū)動電路簡介驅(qū)動電路一一主電路與控制電路之間的接口?使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。?對器件或整個裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：一路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。?對半控型器件只需提供開通控制信號。?對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。?光隔離一般采用光耦合器?磁隔離的元件通常是脈沖變壓器a) b) c)圖2：光耦合器的類型及接法

a）普通型b）高速型c）高傳輸比型2.驅(qū)動電路的選用電力MOSFET是電壓驅(qū)動型器件。電力MOSFET的柵源極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻。使電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取10?15V。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電源（一般取-5?-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。本次課程設(shè)計的驅(qū)動電路采用如下電路。

圖3：驅(qū)動電路該驅(qū)動電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當(dāng)無輸入信號時高速放大器A輸出負(fù)電平，V導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓。當(dāng)有輸入信號時A輸出正電平，V導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。32四、電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計1.過電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：?操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓。?雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：?換相過電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復(fù)，因而其恢復(fù)了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。?關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。Sdc圖4：過電壓抑制措施及配置位置圖4所示出了各種保護(hù)措施及其配置位置，各電力電子裝置可見具體情況只采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施。在抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路是最為常見的，其典型聯(lián)結(jié)方式見圖4。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱為閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。對于大容量電力電子裝置，可采用圖6所示的反向阻斷式RC電路。有關(guān)保護(hù)電路的參數(shù)計算可參照相關(guān)的工程手冊。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。

RaRdcII—CdeRaRdcII—Cde4a) b)圖5：RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式$電力電子裝置$電力電子裝置圖6：反向阻斷式過電壓抑制用RC電路2.過電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。圖5-4給出了各種過電流保護(hù)措施及其配置位置，其中采用快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常見的措施。一般電力電子裝置均采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。

圖7：過電流保護(hù)措施及配置位置采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快速熔斷器時應(yīng)考慮：?電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。?電流容量應(yīng)按其在主電路的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。?快熔的12t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。?為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間-電流特性。3.保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計算對于MOSFET管用RC吸收電路進(jìn)行過電壓保護(hù)。保護(hù)電路圖如圖8所示。RC吸收電路RC吸收電路圖8:根據(jù)前面計算，It(郡廣2A。C=(2?4)X10-3七(時)pF=4?8nFR=(10?30)。電容可選瓷片電容，電阻對于MOSFET管用快速熔斷器進(jìn)行過電流保護(hù)。由于電路簡單、功率小且只有純電阻負(fù)載，故可以將快速熔斷器與電源串聯(lián)接在主回路中。1max"2A快速熔斷器額定電流INT=(1.3~1.5)XIMAX=2.6~3A額定電壓Unt=1.1Umax=1.1x100=110V熔斷器可選RLS-10，額定電流為3A。五、MATLAB仿真Matlab被譽(yù)為三大數(shù)學(xué)軟件之一，它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值方面首屈一指。Matlab可以進(jìn)行矩陣、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域，受到各個研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLAB軟件對研究結(jié)果經(jīng)行仿真，以驗(yàn)證結(jié)果是否正確。1.主電路圖以及參數(shù)設(shè)定主電路圖如圖9所示。pcvwigulDCVnknge如口心pcvwigulDCVnknge如口心圖9：仿真電路各元件參數(shù)設(shè)置：?DCVoltageSource:訴：BlockParameters:DCVoltageSource Iff?DCVcltagsScixrce■sazkj《Im；IdealDCv-cj.tas,esauroe_日二岳t§工言IDO^EaEUT€Z]Entejsone- 、 _0E Csncel Help Apply?SeriesRLCBranch:SeriesE1CBTanshSask/(link)Izjplen&iitia.g&ri&EtranchDfRLCelezj&ntz.Usethe：Eianch.typez^azaoetertoadduireus-ve-elementsfr-o-zithehrajish.Psraset^rEBianchtype:R tRes￡stance；jhzas,i:50l?eaE_LLrementeJJciie ▼OE ^ancel Kelp 主p;"/?PulseGeneratore_EEY[t)=0erdPulsedsteiziinestheca-zsputati^nslteshLii^ueLised.71Z3e~taze1isxeDcze=ndedfc-xuseKithavariablestepEalveij^hileSampletaEecisrecozEsendsdf-QTueewithafizedstepeclvexdiKittiinidiEcret&dottionofsnodelusinzs.variableEt&DeqIpet.?&TSI1Et￡TETOC\o"1-5"\h\zPulsatypa:Tizsaca=ad. =Tiae(t):UseEinulaticztima ▼AzaplltLls:Perio-d :0.MI1?ulsel?idth(%ofperia-d:□GPliaselelay(^ecs}:(0.D01;3iD)AOIntc-Tprs-tvfi-cterrIntc-Tprs-tvfi-cterrparasa-ts-TEss1_D?PulseGenerator1￥(t：=■0?PulseGenerator1￥(t：=■0endFuZb*tppisdeterzsin-sthe□cz3futati-o-ns.1teEhniq.j.eLLsec..Tiat-tasei1aT&cc^tnded.Idxlls己wl:Iiavai'LaDlee1&￡■aclveijwMleSamplebasedisx&DnzizendelusewithiHiedstepsnivelciwltiilnailscxetEportionoraaaslelushie-&vaxiaizl=-stepe<31ver.pETEZDetersPlIegtype:Tisiebised /Tisie(t):UseEisLilatic-ntzine tAzaplitude:Per1-ed{ske■:awiPu,1e&Uidth'%c-fpa-Tic-d}-50Phasedelay;e^de):(0.Q01/.3€0}^1BG0Intexpxstve-ct-o-xpi*azz±te-x3 1-D」I Hi IhHelp?PulseGenerator2Puls*tFpedstthezuLnpLLtaticn.E.1te^lxniq.j.ellsciI.I12it-tastdlaxecc^endedroiusewl'havailables;epaolverjwhileSamplebaselisTeccDzenlelIdiuse￥lt?iaUsedste^solvezdxisltJilna￡11serepcrtlcnoranauel■isiriE'evaTlaizle-stepsclver.PlTEZ3€t€rSPulegtype:iizaebised ▼I13G(t):ITseEiaLLiaticntziae ▼Anplitilde:Ferl-cd(5ke;:D-MlPlIeo-iff-idtn.'%c-fpfl-TiodJ,:50PhasedeZa?:(Q.QO1/.3€￡|>^1BGp^|Zntex^xstve-ct-o-xpAzszsste-xaq1-DrrrOK Cancel Help?PulseGenerator3elE&￥(t)=0endFuIzet^ps-deteiziiaesthecozxjli:ati^nslteshtii^ieLized.72Z3e~tazeiisrecczo=ndEdfc-xuse"ffithavariablestepecIveIj^hileSampleta^ecisrEca^endid.usewithafizedstepee-IvsxmeTithinzdiEcrs-tEjKJZticno:aix>celusin^avariablestepsilv&i.ParausteTZPulse