-.z.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：指導教師：王翠職稱副教授專業：自動化班級：自本1004班完成時間：2013-5-24摘要本次基于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逆變為頻率為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。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;目錄1MOSFET的介紹及工作原理12電壓型無源逆變電路的特點及主要類型22.1電壓型與電流型的區別22.2逆變電路的分類32.3有源與無源的區別33電壓型無源逆變電路原理分析34主電路設計及參數選擇44.1主電路仿真圖54.2參數計算54.3參數設置65仿真電路結果與分析95.1觸發電平的波形圖95.2電阻負載輸出波形圖95.3器件MOSFET的輸出波形圖105.4仿真波形分析116總結12參考文獻13致141MOSFET的介紹及工作原理MOSFET的原意是：MOS（MetalO*ideSemiconductor金屬氧化物半導體），FET（FieldEffectTransistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（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（MetalO*ideSemiconductorFET）,簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）。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，熱穩定性優于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。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N（P）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別根據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；直流側是電流源的則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因為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饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。又稱為續流二極管。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則是由三個單相逆變電路組成。2.3有源與無源的區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，即將直流電逆變為*一頻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流二極管，在直流側并聯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。其基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（MOSFET）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。因為是電阻負載，故晶體管均沒有續流作用。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……這樣一直循環下去。4主電路設計及參數選擇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，故可將直流側并聯的大電容直接去掉。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4.2參數計算電阻負載，直流側輸入電壓=100V,脈寬為θ=90°的方波，輸出功率為300W，電容和電感都設置為理想零狀態。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。又因為P=300W所以有電阻：R=Uo*Uo/P=8.333Ω則輸出電流有效值：Io=P/Uo=6A則可得電流幅值為Ima*=12A，Imin=-12A電壓幅值為Uma*=100V,Umin=-100V晶閘管額定值計算，電流有效值：Ivt=Ima*/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則額定電壓Un=（2—3）*100V=（200-300）V4.3參數設置根據以上計算的各參數即可正確設置主電路圖如下，進而仿真出波形圖。圖3VT1的觸發電平參數設置圖4VT2的觸發電平參數設置圖5VT3的觸發電平參數設置圖6VT4的觸發電平參數設置圖7電阻負載參數設置5仿真電路結果與分析5.1觸發電平的波形圖從上到下依次為VT1,VT2，VT3，VT4的觸發電壓，幅值為5V。圖8觸發電平的波形圖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）波形。圖9電阻負載輸出波形圖由圖9所示波形可得：一個周期的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負相反，則輸出平均電壓為0。同理輸出平均電流也為0。5.3器件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0V）5.4仿真波形分析在接電阻負載時，采用移相的方式來調節逆變電路的輸出電壓。移相調壓實際上就是調節輸出電壓脈沖的寬度。通過對圖8觸發脈沖的控制得到如圖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，一個周期的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等，幅值的正負相反，則輸出平均電壓為0。VT1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θ。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90°。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，也可通過改變θ來調節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，不起續流作用，古可將起續流作用的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，就不需要控制電容電壓的均衡，因此可用于相對較大功率的逆變電源。參考文獻[1]王兆安進軍.電力電子技術.：機械工業.第五版，2009.5﹒100~103[2]黃忠霖黃京.電力電子技術MATLAB實踐.：國防工業.2009.1.246~248[3]洪乃剛.電力電子、電機控制系統的建模和仿真.：機械工業.2010.1.100~107[4]同賀等.新型開關電源典型電路設計與應用.：機械工業，2010[5]林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真.：中國電力，2009致這次電力電子技術設計，讓我們有機會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、比較。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，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高了我們的實踐能力，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