MOSFET單相橋式無源逆變電路設(shè)計(jì)

1、目錄 MOSFET 和電壓型無源逆變電路簡(jiǎn)介 1 1. MOSFET 簡(jiǎn)介 1 2. 電壓型無源逆變電路簡(jiǎn)介 1 主電路圖設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 2 1.主電路圖設(shè)計(jì) 2 2. 相關(guān)參數(shù)計(jì)算 2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和選型 4 1.驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介 4 2. 驅(qū)動(dòng)電路的選用 4 電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計(jì) 5 1. 過電壓保護(hù) 5 2. 過電流保護(hù) 7 3. 保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計(jì)算 8 MATLAB10 1. 主電路圖以及參數(shù)設(shè)定 10 2. 仿真結(jié)果 14 總結(jié)與體會(huì) 15 附錄：電路圖 16 、 MOSFET 和電壓型無源逆變電路的介紹 1.MOSFET 簡(jiǎn)介 金屬-氧化層 半導(dǎo) 體場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)

2、 稱金氧半場(chǎng) 效晶體管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛 使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET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(jiǎn)稱尚包括 NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、 pMOSFET 等。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極 電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的 驅(qū)動(dòng)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，

3、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(jiǎn)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(gè)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

4、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(dòng)， 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)。 13 、主電路圖設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 1主電路圖設(shè)計(jì) Ud 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(gè)橋臂組成，其中每個(gè)橋臂都有 一個(gè)全控器件MOSFE和一個(gè)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(duì)，橋臂2，3為一對(duì)。 由于課程設(shè)計(jì)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Va有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，V

5、2和V3無驅(qū)動(dòng)信號(hào)；V2 與V3有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，Vi和Va無驅(qū)動(dòng)信號(hào)。兩對(duì)橋臂各導(dǎo)通 180，這樣就把直流 電轉(zhuǎn)換成了交流電。 2.相關(guān)參數(shù)計(jì)算 輸入直流電壓Ud 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(gè) MOST在半個(gè)周期內(nèi)電壓為0,半 個(gè)周期內(nèi)承受的電壓為U，所以有： Uo Ud 100V 又因?yàn)镻 200W，所以有電阻: Uo 50 則輸出電流有效值: 2A 晶閘管額定值計(jì)算。電流最大值: max Io 2A 額定電流取大于Imax即可。 最大反向電壓： U max 100V 則額定電壓： Un (2 3) 100200300V 三、

6、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和選型 1.驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介 驅(qū)動(dòng)電路 主電路與控制電路之間的接口 態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開 關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。 驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)： 將信息電子電路傳來的信號(hào)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(hào)。 對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。 對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)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

7、器 a）bci 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(dòng)電路的選用 電力MOSFE是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。電力MOSFE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(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。 使電力 MOSFE開通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取1015V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的 負(fù)驅(qū)動(dòng)電源（一般取-5-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)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(dòng)器件電流 額定值的增大而減小。 專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFE而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的 M57918L其輸 入信號(hào)電流幅值為16mA

8、輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和 -10V。本次課程設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用如下電路。 圖3:驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)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(hào)時(shí)高速放 大器A輸出負(fù)電平，Vs導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí) A輸出正電平，V2 導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。 四、電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計(jì) 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。夕卜因 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

9、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(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突 變會(huì)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(shí)，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。 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，

10、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(duì)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(jì)算可參照相關(guān)的工程手冊(cè)。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。 a)b) 圖5: RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式 農(nóng)軋力電干裝畫 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?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)， 可能會(huì)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)

11、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(shí)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(shí)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(dòng) 作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。 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(shí)應(yīng)考慮： 電壓等級(jí)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?一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接， 在小容

12、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12t值。 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間-電流特性。 3保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計(jì)算 對(duì)于MOSFE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 I1 11 R C 1IJ 圖8： RC吸收電路 根據(jù)前面計(jì)算，It(av)2A。 C (24) 103It(av)F 48nF R (1030) 電容可選瓷片電容，電阻 對(duì)于MOSFE管用快速熔斷器進(jìn)行過電流保護(hù)。由于電路簡(jiǎn)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。 I MAX 2A 快速熔斷器額定電流 INT

13、 (1.31.5) IMAX 2.63A 額定電壓 UNT 1.1U MAX 1.1 100 110V 熔斷器可選RLS-10,額定電流為3A。 五、MATLAB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(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、 圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域，受到各個(gè)研究領(lǐng)域的推崇和 關(guān)注。本文也采用MATLAB件對(duì)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。 圖9:仿真電路 各

14、元件參數(shù)設(shè)置: DC Voltage Source: Series RLC Bran ch: RLC ETsr.ih ；乂諒 link- Ixpl?STnt Jet si.9uLa:lcn tiQt Auplituds: 1 F 6-r- Eiz.ctaxs 呂二 I -D ITI 2.仿真結(jié)果 負(fù)載電壓電流波形（上為電壓，下為電流）： 脈沖發(fā)生器波形（上為第1個(gè)和第4個(gè)，下為第2個(gè)和第3 個(gè)）: 第一個(gè) 從仿真結(jié)果可以看出輸出電壓為幅值為100V、頻率為1kHz的方波，負(fù)載電流和 電壓相位相同且幅值為2A,說明電路是正確的，仿真成功。 1 六、總結(jié)與體會(huì) 這次課程設(shè)計(jì)是圍繞著電力電子技術(shù)這門課展開的。其中共有20 個(gè)課 題，我選的課題是MOSFE單相橋式無源逆變電路設(shè)計(jì)（純電阻電路）。 從開始做到到做完， 大概用了我三天的時(shí)間。 其中設(shè)計(jì)電路圖并不難， 教材 上有；主要難點(diǎn)在于保護(hù)電路的選用、參數(shù)計(jì)算和MATLA仿真。由于教材上對(duì) 于保護(hù)電路的介紹十分簡(jiǎn)短， 沒有參數(shù)計(jì)算過程， 所以電路選用和參數(shù)計(jì)算只能 查找資料。最后根據(jù)我在網(wǎng)上找到的資料和自己的理解， 選擇了合