MOSFET单相全桥无源逆变电路要点.doc

电力电子技术课程设计说明书电力电子技术课程设计说明书 MOSFET 单相桥式无源逆变电路设计 纯电阻负载 院 部 电气与信息工程学院 学生姓名 指导教师 王翠 职称 副教授 专 业 自动化 班 级 自本 1004 班 完成时间 2013 5 24 摘 要 本次基于 MOSFET 的单相桥式无源逆变电路的课程设计 主要涉及 MOSFET 的工作原理 全桥的工作特性和无源逆变的性能 本次所设计的单相全桥逆变 电路采用 MOSFET 作为开关器件 将直流电压 Ud 逆变为频率为 1KHZ 的方波电 压 并将它加到纯电阻负载两端 本次课程设计的原理图仿真是基于 MATLZB 的 SIMULINK 由于 MATLAB 软件中 电源等器件均为理想器件 使得仿真电路相对较为简便 不影响结果输出 设 计主要是对电阻负载输出电流 电压与器件 MOSFET 输出电压的波形仿真 关键词 单相 全桥 无源 逆变 MOSFET 目 录 1 MOSFET 的介绍及工作原理 1 2 电压型无源逆变电路的特点及主要类型 2 2 1 电压型与电流型的区别 2 2 2 逆变电路的分类 3 2 3 有源与无源的区别 3 3 电压型无源逆变电路原理分析 3 4 主电路设计及参数选择 4 4 1 主电路仿真图 5 4 2 参数计算 5 4 3 参数设置 6 5 仿真电路结果与分析 9 5 1 触发电平的波形图 9 5 2 电阻负载输出波形图 9 5 3 器件 MOSFET 的输出波形图 10 5 4 仿真波形分析 11 6 总结 12 参考文献 13 致谢 14 1 MOSFET 的介绍及工作原理的介绍及工作原理 MOSFET 的原意是 MOS Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体 FET Field Effect Transistor 场效应晶体管 即以金属层 M 的栅极隔 着氧化层 O 利用电场的效应来控制半导体 S 的场效应晶体管 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型 但通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型 Metal Oxide Semiconductor FET 简称功率 MOSFET Power MOSFET 结型功率场效应晶体管一般 称作静电感应晶体管 Static Induction Transistor SIT 其特点是用栅极电压来控制漏极 电流 驱动电路简单 需要的驱动功率小 开关速度快 工作频率高 热稳定性优于 GTR 但其电流 容量小 耐压低 一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置 功率 MOSFET 的种类 按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道 按栅极电压 幅值可分为耗尽型和增强型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的 称为耗尽型 对于 N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在导电 沟道的称为增强型 功率 MOSFET 主要是 N 沟道增强型 本次设计采用 N 沟道 增强型 2 电压型无源逆变电路的特点及主要类型 2 1 电压型与电流型的区别 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 2 2 逆变电路的分类 把直流电变成交流电称为逆变 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 有源与无源的区别 如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上 把直流电逆变成同频率的交流 电反送到电网去 称为有源逆变 无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接 而是直接接到负载 即将直 流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载 它在交流电机变频调速 感应加热 不停电电源等方面应用十分广泛 是构成电力电子技术的重要内容 3 电压型无源逆变电路原理分析 单相逆变电路主要采用桥式接法 它的电路结构主要由四个桥臂组成 其 中每个桥臂都有一个全控器件 MOSFET 和一个反向并接的续流二极管 在直流侧 并联有大电容而负载接在桥臂之间 其中桥臂 1 4 为一对 桥臂 2 3 为一对 可以看成由两个半桥电路组合而成 其基本电路连接图如下所示 图 1 电压型全桥无源逆变电路的电路图 由于采用功率场效应晶体管 MOSFET 来设计 如图 1 的单相桥式电压型无 源逆变电路 此课程设计为电阻负载 故应将 IGBT 用 MOSFET 代替 RLC 负载 中电感 电容的值设为零 此电路由两对桥臂组成 V1 和 V4 与 V2 和 V3 两对 桥臂各导通 180 度 再加上采用了移相调压法 所以 VT3 的基极信号落后于 VT1 的 90 度 VT4 的基极信号落后于 VT2 的 90 度 因为是电阻负载 故晶体管 均没有续流作用 输出电压和电流的波形相同 均为 90 度正值 90 度零 90 度负值 90 度零 这样一直循环下去 4 主电路设计及参数选择 4 1 主电路仿真图 在本次设计中 主要采用单相全桥式无源逆变电路 电阻负载 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 2 MOSFET 单相全桥无源逆变电路 电阻负载 电路 4 2 参数计算 电阻负载 直流侧输入电压 100V 脉宽为 90 的方波 输出功率 为 300W 电容和电感都设置为理想零状态 频率为 1000Hz 由频率为 1000Hz 即可得出周期为 T 0 001s 由于 V3 的基波信号比 V1 的 落后了 90 度 即相当 1 4 个周期 通过换算得 t3 0 001 4 0 00025s 而 t1 0s 同 理 得 t2 0 001 2 0 0005S 而 t4 0 00075S 由理论情况有效值 Uo Ud 2 50V 又因为 P 300W 所以有电阻 R Uo Uo P 8 333 则输出电流有效值 Io P Uo 6A 则可得电流幅值为 Imax 12A Imin 12A 电压幅值为 Umax 100V Umin 100V 晶闸管额定值计算 电流有效值 Ivt Imax 4 3A 额定电流 In 额定值 In 1 5 2 3 4 5 6 A 最大反向电压 Uvt 100V 则额定电压 Un 2 3 100V 200 300 V 4 3 参数设置 根据以上计算的各参数即可正确设置主电路图如下 进而仿真出波形图 图 3 VT1 的触发电平参数设置 图 4 VT2 的触发电平参数设置 图 5 VT3 的触发电平参数设置 图 6 VT4 的触发电平参数设置 图 7 电阻负载参数设置 5 仿真电路结果与分析 5 1 触发电平的波形图 从上到下依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 的触发电压 幅值为 5V 图 8 触发电平的波形图 5 2 电阻负载输出波形图 从上到下依次输出电流 最大值为 12A 与输出电压 最大值为 100V 波 形 图 9 电阻负载输出波形图 由图 9 所示波形可得 一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等 幅值的正负相反 则输出平均电压为 0 同理输出平均电流也为 0 5 3 器件 MOSFET 的输出波形图 从上到下依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 的输出电流和电压波形 图 10 VT1 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT1 电压波形 最大值 100V 最小值 0V 图 11 VT2 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT2 电压波形 最大值 100V 最小值 0V 图 12 VT3 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT3 电压波形 最大值 100V 最小值 0V 图 13 VT4 电流波形 最大值 12A 最小值 0A VT4 电压波形 最大值 100V 最小值 0V 5 4 仿真波形分析 在接电阻负载时 采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压 移相调压 实际上就是调节输出电压脉冲的宽度 通过对图 8 触发脉冲的控制得到如图 9 和 5 3MOSFET 的输出波形图 图 9 波形为输出电流电压的波形 由于没有电感 负载 在波形图中可看出 一个周期内的两个半个周期的输出电压值大小相等 幅值的正负相反 则输出平均电压为 0 VT1 电压波形和 VT2 的互补 VT3 电压波形和 VT4 的互补 但 VT3 的基极信 号不是比 VT1 落后 180 而是只落后 即 VT3 VT4 的栅极信号不是分别和 VT2 VT1 的栅极信号同相位 而是前移了 90 输出的电压就不再是正负各为 180 的的脉冲 而是正负各为 90 的脉冲 由于没有电感负载 故电流情形 与电压相同 6 总结 MOSFET 单相桥式无源逆变电路共有 4 个桥臂 可以看成两个半桥电路组合 而成 采用移相调压方式后 输出交流电压有效值即可通过改变直流电压 Ud 来 实现 也可通过改变 来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值 由于 MATLAB 软件中电源等器件均为理想器件 故可将电容直接去掉 又由 于在纯电阻负载中 VD1 VD4 不再导通 不起续流作用 古可将起续流作用的 4 个二极管也去掉 对结果没有影响 相比于半桥逆变电路而言 全桥逆变电路克服了半桥逆变电路输出交流电 压幅值仅为 1 2Ud 的缺点 且不需要有两个电容串联 就不需要控制电容电压 的均衡 因此可用于相对较大功率的逆变电源 参考文献 1 王兆安 刘进军 电力电子技术 北京 机械工业出版社 第五版 2009 5 100 103 2 黄忠霖 黄京 电力电子技术 MATLAB 实践 北京 国防工业出版社 2009 1 246 248 3 洪乃刚 电力电子 电机控制系统的建模和仿真 北京 机械工业出版社 2010 1 100 107 4 赵同贺等 新型开关电源典型电路设计与应用 北京 机械工业出版社 2010 5 林飞 杜欣 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 北京 中国电力出版社 2009 致谢 这次电力电子技术设计 让我们有机会将课堂上所学的理论知识 运用到实 际中 并通过对知识的综合运用 进行必要的分析 比较 从而进一步验证了 所学的理论知识 同时 这次课程设计 还让我知道了最重要的是心态 在刚 开始会觉得困难 但是只要充满信心 就肯定会完成的 通过电力电子技术课程设计 我加深了对课本专业知识的理解 平常都是 理 论知识的学习 在此次课程设计过程中 我更进一步地熟悉了单相桥式无源 电路 的原理和触发电路的设计 当然 在这个过程中我也遇到了困难 查阅资 料 相互通过讨论 我准确地找出了我们的错误并纠正了错误 这更是我们的 收获 不但使我们进一步提高了我们的实践能力 也让我们在以后的工作学习 有了更大的信心 通过这次课程设