MOSFET單相橋式無源逆變電路設計課件

1、目錄MOSFET和電壓型無源逆變電路簡介.11. MOSFET簡介.12.電壓型無源逆變電路簡介.1主電路圖設計和參數(shù)計算.21. 主電路圖設計.22.相關參數(shù)計算.2驅動電路的設計和選型.41.驅動電路簡介.42.驅動電路的選用.4電路的過電壓保護和過電流保護設計.51.過電壓保護.52.過電流保護.73.保護電路的選擇以及參數(shù)計算.8MATLAB仿真.101.主電路圖以及參數(shù)設定.102.仿真結果.14總結與體會.15附錄：電路圖.161、 MOSFET和電壓型無源逆變電路的介紹1.MOSFET簡介金屬-氧化層 半導體場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semicon

2、ductor 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，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。其特點是用柵極電壓來控制漏極 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。2. 電壓型無源逆變電路簡

3、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單相逆變電路組成。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給負載。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。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。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電

4、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。2、 主電路圖設計和參數(shù)計算1.主電路圖設計圖一：主電路圖電路采用全橋接法。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。由于課程設計要求負載為純電阻負載，則右端負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V1與V4有驅動信號時，V2和V3無驅動信號；V2與V3有驅動信號時，V1和V4無驅動信號。兩對橋臂各導通180o，這樣就把直流電轉換成了交流電。2.相關參數(shù)計算輸入直流電壓,輸出功率

5、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MOS管在半個周期內電壓為0，半個周期內承受的電壓為Ud，所以有：又因為，所以有電阻：則輸出電流有效值：晶閘管額定值計算。電流最大值：額定電流取大于即可。最大反向電壓:則額定電壓:三、驅動電路的設計和選型1. 驅動電路簡介驅動電路主電路與控制電路之間的接口l 使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。l 對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。驅動電路的基本任務：l 將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加

6、在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。l 對半控型器件只需提供開通控制信號。l 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。驅動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。l 光隔離一般采用光耦合器l 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖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. 驅動電路的選用電力MOSFET是電壓驅動型器件。電力MOSFET的柵源極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路具有較小的輸出電阻。使電力MOSFET開通的柵源極間驅動電壓一般取1015V。同樣，關斷時施加一

7、定幅值的負驅動電源（一般取-5-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。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，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。本次課程設計的驅動電路采用如下電路。圖3：驅動電路該驅動電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當無輸入信號時高速放大器A輸出負電平，V3導通輸出負驅動電壓。當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓。四、電路的過電壓保護和過電流保護設計1. 過電壓保

8、護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因過電壓兩類。外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：l 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。 l 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。 內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括： l 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)流二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，因而其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會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生過電壓。 l 關斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關

9、斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。圖4：過電壓抑制措施及配置位置圖4所示出了各種保護措施及其配置位置，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，其典型聯(lián)結方式見圖4。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側（通常供電網一側稱網側，電力電子電路一側稱為閥側），或電力電子電路的直流側。對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。有關保護電路的參數(shù)計算可參照相關的工程手冊。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件來

10、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)結方式圖6：反向阻斷式過電壓抑制用RC電路2. 過電流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(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措施，以提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。圖7：過電流保護措

11、施及配置位置采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快速熔斷器時應考慮： l 電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。 l 電流容量應按其在主電路的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定。快熔一般與電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。 l 快熔的I2t值應小于被保護器件的允許I2t 值。 l 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間-電流特性。3.保護電路的選擇以及參數(shù)計算對于MOSFET管用RC吸收電路進行過電壓保護。保護電路圖如圖8所示。圖8：RC吸收電路根據(jù)前面計算，。電容可選瓷片電容，電阻對于MOSFET管用快速

12、熔斷器進行過電流保護。由于電路簡單、功率小且只有純電阻負載，故可以將快速熔斷器與電源串聯(lián)接在主回路中?？焖偃蹟嗥黝~定電流額定電壓熔斷器可選RLS-10，額定電流為3A。五、MATLAB仿真Matlab被譽為三大數(shù)學軟件之一，它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值方面首屈一指。Matlab可以進行矩陣、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域，受到各個研究領域的推崇和關注。本文也采用MATLAB軟件對研究結果經行仿真，以驗證結果是否正確。1. 主電路圖以及參數(shù)設定主電路圖如圖9所示。圖9：

13、仿真電路各元件參數(shù)設置：l DC Voltage Source:l Series RLC Branch:l Pulse Generatorl Pulse Generator 1l Pulse Generator 2l Pulse Generator 32. 仿真結果負載電壓電流波形（上為電壓，下為電流）：脈沖發(fā)生器波形（上為第1個和第4個，下為第2個和第3個）：各個MOSFET管電壓和電流波形（上為電流，下為電壓）：l 第一個l 第二個l 第三個l 第四個從仿真結果可以看出輸出電壓為幅值為100V、頻率為1kHz的方波，負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。6、 總結與體會這次課程設計是圍繞著電力電子技術這門課展開的。其中共有20個課題，我選的課題是MOSFET單相橋式無源逆變電路設計（純電阻電路）。從開始做到到做完，大概用了我三天的時間。其中設計電路圖并不難，教材上有；主要難點在于保護電路的選用、參數(shù)計算和MATLAB仿真。由于教材上對于保護電路的介紹十分簡短，沒有參數(shù)計算過程，所以電路選用和參數(shù)計算只能查找資料。最后根據(jù)我在