MOSFET单相全桥无源逆变电路要点

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 4 2 电压型无源逆变电路的特点及主要类型 .5 2.1 电压型与电流型的区别 5 2.2 逆变电路的分类 5 2.3 有源与无源的区别 5 3电压型无源逆变电路原理分析 6 4主电路设计及参数选择 7 4.1 主电路仿真图 7 4.2 参数计算 7 4.3 参数设置 8 5仿真电路结果与分析 .11 5.1 触发电平的波形图 .11 5.2 电阻负载输出波形图 .12 5.3 器件 MOSFET 的输出波形图 12 5.4 仿真波形分析 .14 6总结 .15 参考文献 16 致谢 17 1 1MOSFETMOSFET 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 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