MOSFET单相全桥无源逆变电路要点.pdf
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1、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
2、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
3、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 MOSFET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
4、), 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 TransistorSIT) 。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
5、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
6、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
7、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
8、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
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