MOSFET單相全橋無源逆變電路要點

-.z.電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書MOSFET單相橋式無源逆變電路設(shè)計（純電阻負(fù)載）院、部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生：指導(dǎo)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(shè)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(shè)計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(jié)果輸出。設(shè)計主要是對電阻負(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：單相；全橋；無源；逆變；MOSFET;目錄1MOSFET的介紹及工作原理12電壓型無源逆變電路的特點及主要類型22.1電壓型與電流型的區(qū)別22.2逆變電路的分類32.3有源與無源的區(qū)別33電壓型無源逆變電路原理分析34主電路設(shè)計及參數(shù)選擇44.1主電路仿真圖54.2參數(shù)計算54.3參數(shù)設(shè)置65仿真電路結(jié)果與分析95.1觸發(fā)電平的波形圖95.2電阻負(fù)載輸出波形圖95.3器件MOSFET的輸出波形圖105.4仿真波形分析116總結(jié)12參考文獻(xiàn)13致141MOSFET的介紹及工作原理MOSFET的原意是：MOS（MetalO*ideSemiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（FieldEffectTransistor場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。功率場效應(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（MetalO*ideSemiconductorFET）,簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）。其特點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。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)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)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(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)計采用N溝道增強(qiáng)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(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(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)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因為負(fù)載阻抗的情況不同而不同。當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)想直流側(cè)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(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)?一頻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(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?？梢钥闯捎蓛蓚€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(yīng)晶體管（MOSFET）來設(shè)計,如圖1的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設(shè)計為電阻負(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。此電路由兩對橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對橋臂各導(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(fù)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(fù)值、90度零……這樣一直循環(huán)下去。4主電路設(shè)計及參數(shù)選擇4.1主電路仿真圖在本次設(shè)計中，主要采用單相全橋式無源逆變電路(電阻負(fù)載)作為設(shè)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(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單相全橋無源逆變電路（電阻負(fù)載）電路4.2參數(shù)計算電阻負(fù)載，直流側(cè)輸入電壓=100V,脈寬為θ=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的基波信號比V1的落后了90度（即相當(dāng)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=8.333Ω則輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A則可得電流幅值為Ima*=12A，Imin=-12A電壓幅值為Uma*=100V,Umin=-100V晶閘管額定值計算，電流有效值：Ivt=Ima*/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）V4.3參數(shù)設(shè)置根據(jù)以上計算的各參數(shù)即可正確設(shè)置主電路圖如下，進(jìn)而仿真出波形圖。圖3VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖4VT2的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖5VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖6VT4的觸發(fā)電平參數(shù)設(shè)置圖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）波形。圖9電阻負(fù)載輸出波形圖由圖9所示波形可得：一個周期的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負(fù)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0V）5.4仿真波形分析在接電阻負(fù)載時，采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)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(fù)載，在波形圖中可看出，一個周期的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負(fù)相反，則輸出平均電壓為0。VT1電壓波形和VT2的互補(bǔ)，VT3電壓波形和VT4的互補(bǔ)，但VT3的基極信號不是比VT1落后180°，而是只落后θ。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(fù)各為180°的的脈沖，而是正負(fù)各為90°的脈沖。由于沒有電感負(fù)載，故電流情形與電壓相同。6總結(jié)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(diào)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θ來調(diào)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(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個二極管也去掉，對結(jié)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(xiàn)[1]王兆安進(jìn)軍.電力電子技術(shù).：機(jī)械工業(yè).第五版，2009.5﹒100~103[2]黃忠霖黃京.電力電子技術(shù)MATLAB實踐.：國防工業(yè).2009.1.246~248[3]洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真.：機(jī)械工業(yè).2010.1.100~107[4]同賀等.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用.：機(jī)械工業(yè)，2010[5]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.：中國電力，2009致這次電力電子技術(shù)設(shè)計，讓我們有機(jī)會將課堂上所學(xué)的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合運用，進(jìn)行必要的分析、比較。從而進(jìn)一步驗證了所學(xué)的理論知識。同時，這次課程設(shè)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(shù)課程設(shè)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(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計過程中，我更進(jìn)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(shè)計。當(dāng)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(zhǔn)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(jìn)一步提高了我們的實踐能力，也讓我們在以后的工作學(xué)習(xí)有了更大的信心。通過這次課程設(shè)計使