MOSFET单相全桥无源逆变电路.docx
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MOSFET单相全桥无源逆变电路
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;
1MOSFET的介绍及工作原理
MOSFET的原意是:
MOS(MetalOxideSemiconductor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(MetalOxideSemiconductorFET),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
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,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,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
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机械工业出版社.第五版,2009.5﹒100~103
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国防工业出版社.2009.1.246~248
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机械工业出版社.2010.1.100~107
[4]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,2010
[5]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,2009
致谢
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,从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计中遇到了不少困难,但也让我学到了一些课本上没有的知识,进一步的提高了我的能力。
让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻,掌握得不够牢固,通过这次,我把以前所学的知识重新温故,巩固了所学知识,让我受益菲浅。
在此,也要感谢王老师这学期的悉心教导,同时对那些给予我帮助的同学表示真心感谢。
以后我会再接再厉,学得更认真,做得更好。
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