MOSFET单相全桥无源逆变电路要点说明

1、期由2孽比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：2021-5-24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.

2、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;1MOSFET的介绍及工作原理42电压型无源逆变电路的特点及主要类型52.1 电压型与电流型的区别52.2 逆变电路的分类52.3 有源与无源的区别53电压型无源逆变电路原理分析64主电路设计及参数选择74.1 主电路仿真图74.2 参数计算84.3 参数设置85仿真电路结果与分析115.1 触发电平的波形图115.2 电阻负载输出波形图125.3 器件MOSFET的输出波形图125.4 仿真波形分析146总结15参考文献16致谢171MOSFET的介绍及工作原理MOSFET的

3、原意是：MOSMetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体,FETFieldEffectTransistor场效应晶体管,即以金属层M的栅极隔着氧化层O利用电场的效应来限制半导体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MetalOxideSemiconductorFET,简称功率MOSFETPowerMOSFET.结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管StaticInductionTransistorSIT.具特点是用栅极电压来限制漏极电流,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

4、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NP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；直流侧是电流源的那么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.直流侧电压根本无

5、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由于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应的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反应二极管.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那么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

6、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应负载.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.其根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MO

7、SFET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.由于是电阻负载,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

8、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2MOSFET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Ud=100V,脉宽为8=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.又由于P=300W所以

9、有电阻：R=Uo*Uo/P=8.333Q那么输出电流有效值：Io=P/Uo=6A那么可得电流幅值为Imax=12A,Imin=-12A电压幅值为Umax=100V,Umin=-100V品闸管额定值计算,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那么额定电压Un=(23)*100V=(200-300)V4.3 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.Pulsetype:TimebasedTime(t):UseexternalsignalAmplitude;Period(sec

10、s):口.001PulseWidth(%ofperiod):Phasedelay(secs):O图3VT1的触发电平参数设置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图5VT3的触发电平参数设置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

13、值大小相等,幅值的正负相反,那么输出平均电压为00同理输出平均电流也为005.3 器彳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10VT1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11VT2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12VT3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13VT4电流波形最大值12A,最小值0A,VT4电压波形最大值100V,最小值0V5.4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

14、实际上就是调节输出电压脉冲的宽度.通过对图8触发脉冲的限制得到如图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,那么输出平均电压为00VT1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8.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900o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

15、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9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,就不需要限制电容电压的均衡,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

16、：机械工业出版社.第五版,2021.5.1001032黄忠霖黄京.电力电子技术MATLAB实践.北京：国防工业出版社.2021.1.2462483洪乃刚.电力电子、电机限制系统的建模和仿真.北京：机械工业出版社.2021.1.1001074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,20215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,2021致谢这次电力电子技术设计,让我们有时机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、比拟.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升了我们的实践水平,也让我们在以后的工作学习有了更大的信心.通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合,从实践中得出结论,从而提升了自己的实际