MOSFET單相全橋無源逆變電路要點說明

1、期由2孽比電力電子技術課程設計說明書MOSFET單相橋式無源逆變電路設計純電阻負載院、部：電氣與信息工程學院學生姓名：指導教師：王翠職稱副教授專業(yè)：自動化班級：自本1004班完成時間：2021-5-24本次基于MOSFET的單相橋式無源逆變電路的課程設計,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.本次所設計的單相全橋逆變電路采用MOSFET作為開關器件,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載兩端.本次課程設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,不影響結果輸出.

2、設計主要是對電阻負載輸出電流、電壓與器件MOSFET輸出電壓的波形仿真.關鍵詞：單相；全橋；無源；逆變；MOSFET;1MOSFET的介紹及工作原理42電壓型無源逆變電路的特點及主要類型52.1 電壓型與電流型的區(qū)別52.2 逆變電路的分類52.3 有源與無源的區(qū)別53電壓型無源逆變電路原理分析64主電路設計及參數(shù)選擇74.1 主電路仿真圖74.2 參數(shù)計算84.3 參數(shù)設置85仿真電路結果與分析115.1 觸發(fā)電平的波形圖115.2 電阻負載輸出波形圖125.3 器件MOSFET的輸出波形圖125.4 仿真波形分析146總結15參考文獻16致謝171MOSFET的介紹及工作原理MOSFET的

3、原意是：MOSMetalOxideSemiconductor金屬氧化物半導體,FETFieldEffectTransistor場效應晶體管,即以金屬層M的柵極隔著氧化層O利用電場的效應來限制半導體S的場效應晶體管.功率場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型MetalOxideSemiconductorFET,簡稱功率MOSFETPowerMOSFET.結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管StaticInductionTransistorSIT.具特點是用柵極電壓來限制漏極電流,驅動電路簡單,需要的驅動功率小,開關速度快,工作頻率高,熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR,但其電流

4、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型,當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型；對于NP溝道器件,柵極電壓大于小于零時才存在導電溝道的稱為增強型；功率MOSFET主要是N溝道增強型.本次設計采用N溝道增強型.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)直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的那么稱為電流型逆變電路.電壓型逆變電路有以下特點：直流側為電壓源,或并聯(lián)有大電容,相當于電壓源.直流側電壓根本無

5、脈動,直流回路呈現(xiàn)低阻抗.由于直流電壓源的鉗位作用,交流側輸出電壓波形為矩形波,并且與負載阻抗角無關.而交流側輸出電流波形和相位由于負載阻抗的情況不同而不同.當交流側為阻感負載時需要提供無功功率,直流側電容起緩沖無功能量的作用.為了給交流側想直流側反應的無功能量提供通道,逆變橋各臂都并聯(lián)了反應二極管.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那么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接到交流電網上,把直流電逆變成同

6、頻率的交流電反送到電網去,稱為有源逆變.無源逆變是指逆變器的交流側不與電網連接,而是直接接到負載,即將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供應負載.它在交流電機變頻調速、感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛,是構成電力電子技術的重要內容.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.它的電路結構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,在直流側并聯(lián)有大電容而負載接在橋臂之間.其中橋臂1,4為一對,橋臂2,3為一對.可以看成由兩個半橋電路組合而成.其根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晶體管MO

7、SFET來設計,如圖1的單相橋式電壓型無源逆變電路,此課程設計為電阻負載,故應將IGBT用MOSFET代替,RLC負載中電感、電容的值設為零.此電路由兩對橋臂組成,V1和V4與V2和V3兩對橋臂各導通180度.再加上采用了移相調壓法,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.由于是電阻負載,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度負值、90度零這樣一直循環(huán)下去.4主電路設計及參數(shù)選擇4.1 主電路仿真圖在本次設計中,主要采用單相全橋式無源逆變電路電阻負載作為設計的主電路.由于軟件上的電源等器件都是理想器件,故可將直

8、流側并聯(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載電路4.2 參數(shù)計算電阻負載,直流側輸入電壓Ud=100V,脈寬為8=90°的方波,輸出功率為300W,電容和電感都設置為理想零狀態(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.又由于P=300W所以

9、有電阻：R=Uo*Uo/P=8.333Q那么輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A那么可得電流幅值為Imax=12A,Imin=-12A電壓幅值為Umax=100V,Umin=-100V品閘管額定值計算,電流有效值：Ivt=Imax/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那么額定電壓Un=(23)*100V=(200-300)V4.3 參數(shù)設置根據(jù)以上計算的各參數(shù)即可正確設置主電路圖如下,進而仿真出波形圖.Pulsetype:TimebasedTime(t):UseexternalsignalAmplitude;Period(sec

10、s):口.001PulseWidth(%ofperiod):Phasedelay(secs):O圖3VT1的觸發(fā)電平參數(shù)設置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圖5VT3的觸發(fā)電平參數(shù)設置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圖7電阻負載參數(shù)設置5仿真電路結果與分析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波圖9電阻負載輸出波形圖由圖9所示波形可得：一個周期內的兩個半個周期的輸出電壓

13、值大小相等,幅值的正負相反,那么輸出平均電壓為00同理輸出平均電流也為005.3 器彳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0V5.4仿真波形分析在接電阻負載時,采用移相的方式來調節(jié)逆變電路的輸出電壓.移相調壓

14、實際上就是調節(jié)輸出電壓脈沖的寬度.通過對圖8觸發(fā)脈沖的限制得到如圖9和5.3MOSFET的輸出波形圖,圖9波形為輸出電流電壓的波形,由于沒有電感負載,在波形圖中可看出,一個周期內的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等,幅值的正負相反,那么輸出平均電壓為00VT1電壓波形和VT2的互補,VT3電壓波形和VT4的互補,但VT3的基極信號不是比VT1落后180°,而是只落后8.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900o輸出的電壓就不再是正負各為180°的的脈沖,而是正負各為90°的脈沖.由于沒有電感負載,故電流情形與電壓相同.6總

15、結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9來調節(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.又由于在純電阻負載中,VD1-VD4不再導通,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),就不需要限制電容電壓的均衡,因此可用于相對較大功率的逆變電源.參考文獻1王兆安劉進軍.電力電子技術.北京

16、：機械工業(yè)出版社.第五版,2021.5.1001032黃忠霖黃京.電力電子技術MATLAB實踐.北京：國防工業(yè)出版社.2021.1.2462483洪乃剛.電力電子、電機限制系統(tǒng)的建模和仿真.北京：機械工業(yè)出版社.2021.1.1001074趙同賀等.新型開關電源典型電路設計與應用.北京：機械工業(yè)出版社,20215林飛,杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真.北京：中國電力出版社,2021致謝這次電力電子技術設計,讓我們有時機將課堂上所學的理論知識運用到實際中.并通過對知識的綜合運用,進行必要的分析、比擬.從而進一步驗證了所學的理論知識.同時,這次課程設計,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.通過電力電子技術課程設計,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習,在此次課程設計過程中,我更進一步地熟悉了單相橋式無源電路的原理和觸發(fā)電路的設計.當然,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,不但使我們進一步提升了我們的實踐水平,也讓我們在以后的工作學習有了更大的信心.通過這次課程設計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的,只有把所學的理論知識與實踐相結合,從實踐中得出結論,從而提升了自己的實際