單相半橋無源逆變電路的設計要點

1、基于MOSFET的單相半橋無源逆變電路的設計設計目的：1掌握單相橋式全控橋整流電路和單相半橋無源逆變電路的工作原理，進行結合完成交-直-交電路的設計；2熟悉兩種電路的拓撲，控制方法；3掌握兩種電路的主電路，驅動電路，保護電路的設計方法，元器件參數的計算方法；4培養(yǎng)一定的電力電子的實驗和調試能力；5培養(yǎng)學生綜合運用知識解決問題的能力與實際動手能力；6加深理解電力電子技術課程的基本理論；設計指標：MOSFET電壓型單相半橋無源逆變電路設計(純電阻負載)(1) 輸入直流電壓：Ui=200V(2) 輸出功率：500W(3) 輸出電壓波形：1KHz方波總體目標及任務：選擇整流電路，計算整流變壓器額定參數

2、，選擇全控器件的額定電壓電流，計算平波電抗器感值，設計保護電路，全控器件觸發(fā)電路的設計，畫出主電路原理圖和控制電路原理圖，進行Matlab的仿真，畫出輸出電壓，電流模擬圖。1主電路的設計：(1) 整流部分主電路設計:單項橋式全控整流電路帶電阻性負載電路如圖(1)：在單項橋式全控整流電路中，晶閘管VT和VT組成一對橋臂，VT和VT組1 423成另一對橋臂。在u正半周（即a點電位高于b點電位），若4個晶閘管均不導2通，負載電流i為零，u也為零，VT、VT串聯承受電壓u,設VT和VT的漏電dd14214阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角a處給VT1和VT加觸發(fā)脈沖，VT、41VT即導通，電流從a

3、端經VT、R、VT流回電源b端。當u為零時，流經晶閘管4142的電流也降到零，VT和VT關斷。14在u2負半周，仍在觸發(fā)延遲角a處觸發(fā)VT和VT（VT和VT的a=0處為32 323t=n），VT和VT導通，電流從電源的b端流出，經VT、R、VT流回電源a端。2332到u2過零時，電流又降為零，VT和VT關斷。此后又是VT1和VT4導通，如此23循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT、VT兩端的電壓波形如下圖（2）所14示。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為空U和訂2U。222工作原理：第1階段（031）：這階段u2在正半周期，a點電位高于b點電位晶閘管1VT和VT方向串聯后于u連接，V

4、T承受正向電壓為u/2,VT承受u/2的反向1221222電壓；同樣VT和VT反向串聯后與u連接，VT承受u/2的正向電壓，VT承受3 42324u/2的反向電壓。雖然VT和VT受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導通，負載沒有電213流通過，所以U=0，i=0。dd第2階段（stn）：在st時同時觸發(fā)VT和VT，由于VT和VT受正向111313電壓而導通，有電流經a點一VTfRVT-變壓器b點形成回路。在這段區(qū)間里，13u=u，i=i=i=u/R。由于VT和VT導通，忽略管壓降，u二u=0，而承受的d2dVT1VT3d13VT1VT2電壓為u=u=u。VT2VT42第3階段（nst）：從st=皿開始u2

5、進入了負半周期，b點電位高于a2點電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關斷，這時VTVT都不導通，各晶閘管14承受u/2的電壓，但VT和VT承受的事反向電壓，VT和VT承受的是正向電壓，21324負載沒有電流通過，u=0，i=i=0。dd2第4階段（stn）：在st時，u2電壓為負，VT2和VT4受正向電壓，觸22發(fā)VT2和VT4導通，有電流經過b點fVTfRfVTa點，在這段區(qū)間里，u=u，24d2i=i=i=i=u/R。由于VT和VT導通，VT和VT承受u的負半周期電壓，至dVT2VT42d24242此一個周期工作完畢，下一個周期，充復上述過程，單項橋式整流電路兩次脈沖間隔為180

6、6;。（2）逆變部分主電路設計：如圖所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個全控器件和一個二極管反并聯而成。在直流側有兩個相互串聯的大電容，兩個電容的中點為直流電源中點。負載接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。開關器件設為VI和V2,當負載為感性時，輸出為矩形波，Um=Ud/2.剛開始V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)，給V1關斷信號，V2開通信號后，V1關斷，但由于感性負載，電流方向不能立即改變，就沿著VD2續(xù)流，直到電流為零時VD2截止，V2開通，電流開始反向。依此原理，V1和V2交替導通，VD1和VD2交替續(xù)流。此電路優(yōu)點在于結構簡單，使用器件少，缺點是輸出交流電壓幅值僅為Ud/2。(3) 控制電路的設

7、計：控制電路需要實現的功能是產生控制信號，用于逆變電路中功率器件的通斷，通過對逆變角的調節(jié)而達到對逆變后的交流電壓的調節(jié)。我們采用PWM控制方法，進行連續(xù)控制，我們采用了SG3525芯片，它是一款專用的PWM控制集成芯片，它采用恒頻調寬控制方案，內部包括精密基準源，鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器和保護電路等。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電

8、源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。SG3525的結構和工作原理:RepresentativeBlockDiagramTblrtera二右N'JTLE'"亠3ui3e-Sjto*-1OTRefrw«n：r壬VCCOSCCwu:OOuitxr4亠go.MQ"ir>"pitCupLBSG3W7OrtpUSla(pv:“ITjitfViBffEAv地ZlW11S蛙制檢電端I尸牙利*I反牆霸扎匚|SU腳入匚|S|*?«匚弄也茁娟出匚CTLl.lnv.input（引腳1）：誤差放大器反向輸入

9、端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。2.Noninv.input（引腳2）：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節(jié)器。3.Sync（引腳3）：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現與外電路同步。4.0SC.0utput（引腳4）：振蕩器輸出端。5. CT（引腳5）：振蕩器定時電容接入端。6. RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。7. Discharge（引腳7）：振蕩器放電端。該端

10、與引腳5之間外接一只放電電阻，構成放電回路。8.Soft-Start引腳8）：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5的軟啟動電容。9.Compensation（引腳9）：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節(jié)器。10.Shutdown（引腳10）：外部關斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現故障保護。11.OutputA（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。12. Ground（引腳12）:信號地。13. VC（引腳13）：輸出級偏置電壓接入端。14.OutputB（引腳

11、14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。15. VCC（引腳15）：偏置電源接入端。16. Vref（引腳16）：基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準其中，腳16為SG3525的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1%）V,采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳5，腳6，腳7內有一個雙門限比較器，內電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端（腳3）。腳1及腳2分別為芯片內誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB左右。SG3525的特點如下：（1）工作電壓范圍

12、寬：835V。（2）5.1（11.0%）V微調基準電源。（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz-400KHz.（4）具有振蕩器外部同步功能。（5）死區(qū)時間可調。（6）內置軟啟動電路。（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。（8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。（9）逐個脈沖關斷。（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：mA（峰值）。各部分功能：a基準電壓源：基準電壓源是一個三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓VCC可在（835）V內變化，通常采用+15V，其輸出電壓VST=5.1V，精度±1%，采用溫度補償，作為芯片內部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標準電源，向外輸出電流可達400mA，沒有過流保護電路。

13、b振蕩電路：由一個雙門限電壓均從基準電源取得，其高門限電壓VH=3.9V，低門限電壓VL=0.9，內部橫流源向CT充電，其端壓VC線性上升，構成鋸齒波的上升沿，當VC=VH時比較器動作，充電過程結束，上升時間t1為:11=0.67RTCT比較器動作時使放電電路接通，CT放電，VC下降并形成鋸齒波的下降沿，當VC=VL時比較器動作，放電過程結束，完成一個工作循環(huán)，下降時間間12為：t2=1.3RDCT注意：此時間即為死區(qū)時間鋸齒波的基本周期T為：T=11+12=(0.67RT+1.3RD)CT振蕩頻率：f=1/TCT和RT是連接腳5和腳6的振蕩器的電阻和電容，RD是于腳7相連的放電電阻的阻值。控

14、制電路圖：3U1SG3525洛jyitcMSCCSSCOMP5DVKEFOSC二OUTA§OUTBIMD32QQC3luF驅動信號(4) 驅動電路的設計:PWM調制如圖，我們采用了電氣隔離的光耦合方式。光耦合器(opticalcoupler，英文縮寫為0C)亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步

15、放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產新型器件，現已廣泛用于電氣絕

16、緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。我們在末端加一個推挽式放大結構進行電壓電流放大，達到高輸出電壓，高速，高共模抑制。(5) 保護電路的設計:相對于電機和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓就會把器件損壞。但又不能完全根據裝置運行時可能出現的暫時過電流和過電壓的數值來確定器件參數，必須充

17、分發(fā)揮器件應有的過載能力。因此，保護就成為提高電力電子裝置運行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。主電路的過電壓保護設計所謂過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓，其電路圖見圖3.3圖3.3產生過電壓的原因一般由靜電感應、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起。其中，對雷擊產生的過電壓，需在變壓器的初級側接上避雷器，以保護變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側、直流側和器件上，因而，下面介紹單相橋式全控整流主電路的電壓保護方法。交流側過電壓保護過電壓產生過程：電源變壓器初級側突然拉閘，使變壓器的勵

18、磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時間內變化很大，因而在變壓器的次級感應出很高的瞬時電壓。保護方法：阻容保護直流側過電壓保護過電壓產生過程：當某一橋臂的晶閘管在導通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷器熔斷時，由于直流住電路電感中儲存能量的釋放，會在電路的輸出端產生過電壓。保護方法：阻容保護主電路的過電壓保護晶閘管的保護電路1.晶閘管過電壓保護過電流保護第一種是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數值。第二種是在適當的地方安裝保護器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器

19、、壓敏電阻或硒堆等。我們這次的課程設計采用的是第二種保護電路。（1）晶閘管變流裝置的過電流保護晶閘管變流裝置運行不正?；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，由于晶閘管的熱容量較小，以及從管心到散熱器的傳導途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過電流，結溫上升很快，特別在瞬時短路電流通過時，內部熱量來不及傳導，結溫上升更快，晶閘管承受過載或短路電流的能力主要受結溫的限制?？捎米鬟^電流保護電路的主要有快速熔斷器，直流快速熔斷器和過電流繼電器等。在此我們采用快速熔斷器措施來進行過電流保護。過電流保護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。在選擇快熔時應

20、考慮：1）電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2）電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。3）快熔的I21值應小于被保護器件的允許I21值、4）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。因為晶閘管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。晶閘管變流裝置的過電壓保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，內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器

21、件的開關過程，過電壓保護有避雷器保護，利用非線性過電壓保護元件保護，利用儲能元件保護，利用引入電壓檢測的電子保護電路作過電壓保護。在此我們采用儲能元件保護即阻容保護。單相阻容保護的計算公式如下:C>6i%S/0/U22廠U2l'U%R>2.32k-(32):USi%'0S:變壓器每相平均計算容量（VA）U2:變壓器副邊相電壓有效值（V）(33)i%:變壓器激磁電流百分值0U%：變壓器的短路電壓百分值。k當變壓器的容量在（101000）KVA里面取值時i%=（410）在里面取值,0U%=(510)里面取值。k電容C的單位為口F,電阻的單位為歐姆，電容C的交流耐壓21.

22、5UeU:正常工作時阻容兩端交流電壓有效值。e根據公式算得電容值為4.8口F,交流耐壓為165V，電阻值為12.86Q,在設計中我們取電容為5uF,電阻值為13Q。電流上升率、電壓上升率的抑制保護電流上升率di/dt的抑制在無緩沖電路的情況下，mosfet開通時電流迅速上升，di/dt很大，關斷時du/dt很大，并出現很高的過電壓。在有緩沖電路的情況下，V開通時緩沖電容Cs先通過Rs向V放電，使電流ic先上升一個臺階，以后因為有di/dt抑制回路Li,ic的上升速度減慢。Ri，VDi是V關斷時為Li中的磁場能量提供放電回路而設置的。在V關斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕V的負擔，抑制了

23、du/dt和過電壓。因為關斷時電路中電感的能量要釋放，所以還會出現一定的過電壓。電壓上升率du/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應有所限制，如果du/dt過大由于晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電并聯R-C阻容吸收回路(6)元器件及電路參數的計算:1) 整流輸出電壓的平均值可按下式計算U二丄2Usin®td6t)二Ucosa=0.9Ucosa(21)d兀a2兀2U=100V從而得出U=111V,2當a=0時，U取得最大值100V即U=0.9dda=90o時，U=0°a角的移相范圍為90。d2）整流輸出電壓的有效值為住莎曲=U

24、2=111V2-2)3）整流電流的平均值和有效值分別為2-3)UUI=d=0.92cosadRRddUU2-4)I=2RRdd4）在一個周期內每組晶閘管各導通180°，兩組輪流導通，變壓器二次電流是正、負對稱的方波，電流的平均值I和有效值I相等，其波形系數為1。d流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為：dT112d0該Id丄I=丄I'2兀dy：2d25)26)5）晶閘管在導通時管壓降篤=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時，VT3、VT4已導通，把整個電壓u加到VT12或VT2上,則每個元件承受的最大可能的正向電壓等于viU;VT1和VT

25、2反2向截止時漏電流為零，只要另一組晶閘管導通，也就把整個電壓u加到2VT1或VT2上，故兩個晶閘管承受的最大反向電壓也為.J2U。2元器件的選取由于單相橋式全控整流帶電感性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數及其選取原則。1).晶閘管的主要參數如下： 額定電壓UTn通常取U和U中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定DRMRRM電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓U二minU,UTnDRMRRMU三(23)U(2-7)TnTMU：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓TM 額定電流IT(AV)I又稱為

26、額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元T(AV)件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。要注意的是若晶閘管的導通時間遠小于正弦波的半個周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值IWI，散熱冷TMTn卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。TnI、IIT(AV)TMTnI:額定電

27、流有效值，根據管子的I換算出,三者之間的關系：T(AV)j212-8)=1/2兀J兀(Imsin3t)2d(®t)=-mTn0兀T(AV)=1/2兀兀Imsin®tdt)=02-9)波形系數：有直流分量的電流波形，其有效值-與平均值-之比稱為該波形的TTd波形系數，用K表示。fTd額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數TnT(AV)2-11)2-12)U=丄J""、2Usin®td6t)=22Ucosa=0.9Ucosad兀a2兀22當a=0時，U取得最大值100V即U=0.9U=100V從而得出U=lllV,a=90。dd22時，U=0。a角的移相

28、范圍為90°。d晶閘管承受最大電壓為U=同=2x111V二157V考慮到2倍裕量，取TM2400V.晶閘管的選擇原則：I所選晶閘管電流有效值I大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。TnII、選擇時考慮（1.52）倍的安全余量。即I=0.7071=（1.52）ITnT（AV）TMI>（1.52）Lm（2-13）T（AV）1.11因為I=-L，則晶閘管的額定電流為If）=10A（輸出電流的有效值為最小值，T弋2T（AV）所以該額定電流也為最小值）考慮到2倍裕量，取20A.即晶閘管的額定電流至應大于20A.在本次設計中我選用4個KP20-4的晶閘管.III、若散熱條件不符合規(guī)定要

29、求時，則元件的額定電流應降低使用。 通態(tài)平均管壓降U。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦T（AV）波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。 維持電流I。指在常溫門極開路時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能H保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般I值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電H流容量大小而定。 門極觸發(fā)電流I。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶閘管能完全導通所需g的門極電流，一般為毫安級。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路的情況下，不會導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管

30、能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。2）變壓器的選取根據參數計算可知:變壓器應選變比為2,容量至少為24.2VA。性能指標分析整流電路的性能常用兩個技術指標來衡量：一個是反映轉換關系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數。1）整流輸出電壓平均值U=1嚴sin®td6t)二空Ucosa=0.9Ucosa(2-14)d兀a2兀222）紋波系數紋波系數K用來表示直流輸出電壓中相對紋波電壓的大小，即r-Lr2-15)（7）電路仿真1SIMULINK仿真軟件介紹Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應