MOSFET单相全桥无源逆变电路要点

-.z.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：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1MOSFET的介绍及工作原理12电压型无源逆变电路的特点及主要类型22.1电压型与电流型的区别22.2逆变电路的分类32.3有源与无源的区别33电压型无源逆变电路原理分析34主电路设计及参数选择44.1主电路仿真图54.2参数计算54.3参数设置65仿真电路结果与分析95.1触发电平的波形图95.2电阻负载输出波形图95.3器件MOSFET的输出波形图105.4仿真波形分析116总结12参考文献13致141MOSFET的介绍及工作原理MOSFET的原意是：MOS（MetalO*ideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor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（MetalO*ideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——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*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=100V,脉宽为θ=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=8.333Ω则输出电流有效值：Io=P/Uo=6A则可得电流幅值为Ima*=12A，Imin=-12A电压幅值为Uma*=100V,Umin=-100V晶闸管额定值计算，电流有效值：Ivt=Ima*/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）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。图3VT1的触发电平参数设置图4VT2的触发电平参数设置图5VT3的触发电平参数设置图6VT4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θ。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θ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]王兆安进军.电力电子技术.：机械工业.第五版，2009.5﹒100~103[2]黄忠霖黄京.电力电子技术MATLAB实践.：国防工业.2009.1.246~248[3]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真.：机械工业.2010.1.100~107[4]同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.：机械工业，2010[5]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.：中国电力，2009致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。通过这次课程设计使