MOSFET單相橋式無源逆變電路設(shè)計

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(shè)計和參數(shù)計算21 .主電路圖設(shè)計22 .相關(guān)參數(shù)計算23 動電路的設(shè)計和選型41 .驅(qū)動電路簡介42 .驅(qū)動電路的選用4電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計51 .過電壓保護(hù)52 .過電流保護(hù)73 .保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計算8MATLA舫真101 .主電路圖以及參數(shù)設(shè)定102 .仿真結(jié)果14總結(jié)與體會15附錄:電路圖16、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(dǎo)體場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorField-

2、EffectTransistor,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(巾eld-effecttransistor)。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NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)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介把直流電變成交流電稱為逆變。逆變電路分為三相和單

3、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(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變。無源逆變是指逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)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(fù)載。它在交流電機變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。電壓型逆變電路有以下特點：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與

4、負(fù)載阻抗角無關(guān)。9、主電路圖設(shè)計和參數(shù)計算1 .主電路圖設(shè)計圖一：主電路圖電路采用全橋接法。它的電路結(jié)構(gòu)主要由四個橋臂組成，其中每個橋臂都有一個全控器件MOSFE和一個反向并接的續(xù)流二極管，在直流側(cè)并聯(lián)有大電容而負(fù)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(shè)計要求負(fù)載為純電阻負(fù)載，則右端負(fù)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Vi與V4有驅(qū)動信號時，V2和V3無驅(qū)動信號；V2與V3有驅(qū)動信號時，Vi和V4無驅(qū)動信號。兩對橋臂各導(dǎo)通180°,這樣就把直流電轉(zhuǎn)換成了交流電。2 .相關(guān)參數(shù)計算輸入直流電壓Ud=100V，輸出功率為200W輸出電壓波形為1

5、KHz方波。該電路所有元件均視為理想器件，且每個MOST在半個周期內(nèi)電壓為0,半個周期內(nèi)承受的電壓為Ud,所以有：Uo=Ud=100V又因為P=200W,所以有電阻：U2r="=50cP則輸出電流有效值：I =Uo=2A晶閘管額定值計算。電流最大值:Imax=Io=2A額定電流取大于Imax即可。最大反向電壓：Umax=100V則額定電壓：Un=(23)100=200300V三、驅(qū)動電路的設(shè)計和選型1 .驅(qū)動電路簡介驅(qū)動電路一一主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對器件或整個裝置的

6、一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù):將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。驅(qū)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。光隔離一般采用光耦合器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(qū)動電路的選用電力MOSFET電壓驅(qū)動型器件。電力MOSFET柵源極之間有數(shù)千皮法左右的極問電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具

7、有較小的輸出電阻。使電力MOSFET通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取1015V。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電源（一般取-5-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極用入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。專為驅(qū)動電力MOSFETf設(shè)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輸出最大月沖電流為+2A和-3A,輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。本次課程設(shè)計的驅(qū)動電路采用如下電路。c圖3:驅(qū)動電路該驅(qū)動電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當(dāng)無輸入信號時高速放大器A輸出負(fù)電平，M導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓。當(dāng)有輸入信號時

8、A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。四、電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計1 .過電壓保護(hù)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(nèi)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：操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓。雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：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(jié)束后不能立刻恢復(fù)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(fù)，因而其恢復(fù)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

9、兩端產(chǎn)生過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)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(yīng)出的過電壓。Sdc圖4:過電壓抑制措施及配置位置圖4所示出了各種保護(hù)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RC3ffiRCM抑制內(nèi)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，具典型聯(lián)結(jié)方式見圖4。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱為閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。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(guān)保護(hù)電路的參數(shù)計算可參照相關(guān)的工程手冊。采用雪

10、崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。a)Ca Rab)圖5: RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式圖6:反向阻斷式過電壓抑制用RC電路2 .過電流保護(hù)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(hù)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(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定

11、在電子電路動作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。里普載K互感善儂端斷器交流器醐快速斷路器交流斷路集Q- 餐一艘一一n電流檢測 圖7:過電流保護(hù)措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(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快速熔斷器時應(yīng)考慮：電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。電流容量應(yīng)按其在主電路的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可用接于閥側(cè)交流母線或直流母線中?？烊鄣?2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許12t值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間-電流特性。3 .保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計算對于MOSFET用R

12、C吸收電路進(jìn)行過電壓保護(hù)。保護(hù)電路圖如圖8所示圖8:RC吸收電路根據(jù)前面計算，IT(AV)=2A。C=(24)10”lT(Av/F=48nFR=(1030)電容可選瓷片電容，電阻對于MOSFET用快速熔斷器進(jìn)行過電流保護(hù)。由于電路簡單、功率小且只有純電阻負(fù)載，故可以將快速熔斷器與電源串聯(lián)接在主回路中。MAX-2A快速熔斷器額定電流Int=(1.31.5)IMAX=2.63A額定電壓Unt=1.1UMAX=1.1100-110V熔斷器可選RLS-10,額定電流為3A。五、MATLA昉真Matlab被譽為三大數(shù)學(xué)軟件之一，它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值方面首屈一指。Matlab可以進(jìn)行矩陣、繪制函

13、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(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域，受到各個研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLA歆件對研究結(jié)果經(jīng)行仿真，以驗證結(jié)果是否正確。1.主電路圖以及參數(shù)設(shè)定主電路圖如圖9所示。圖9:仿真電路各元件參數(shù)設(shè)置:DCVoltageSource:0BlockPiarameters;DCVoltageSourceDCVdScLirze七三占上1inli.二36DCvoltagesDLiTse.PaiiZisT=rsAaplitLldgg：100Ueauresentm#*neSeriesRLC

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