單相半橋無(wú)源逆變電路的設(shè)計(jì)

1、 基于 MOSFET 的單相半橋無(wú)源逆變電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的：1掌握單相橋式全控橋整流電路和單相半橋無(wú)源逆變電路的工作原理，進(jìn)行結(jié)合完成交-直-交電路的設(shè)計(jì)；2熟悉兩種電路的拓?fù)?，控制方法?掌握兩種電路的主電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，元器件參數(shù)的計(jì)算方法；4培養(yǎng)一定的電力電子的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試能力；5培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力與實(shí)際動(dòng)手能力；2加深理解?電力電子技術(shù)?課程的根本理論；設(shè)計(jì)指標(biāo)：MOSFET 電壓型單相半橋無(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)純電阻負(fù)載1輸入直流電壓：Ui=200V2輸出功率：500W3輸出電壓波形：1KHz 方波總體目標(biāo)及任務(wù)：選擇整流電路，計(jì)算整流變壓器額定參數(shù)，選擇全

2、控器件的額定電壓電流， 計(jì)算平波電抗器感值，設(shè)計(jì)保護(hù)電路 ，全控器件觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，畫出主電路原理圖和控制電路原理圖，進(jìn)行 Matlab 的仿真，畫出輸出電壓，電流模擬圖。1主電路的設(shè)計(jì)：（1）整流局部主電路設(shè)計(jì):單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖 1：VT3idi2Tau1uRdbVT2VT4圖1. 在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管 VT 和 VT 組成一對(duì)橋臂，VT 和 VT 組2143成另一對(duì)橋臂。在 u 正半周即 a 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位，假設(shè) 4 個(gè)晶閘管均不2導(dǎo)通，負(fù)載電流 i 為零，u 也為零，VT 、VT 串聯(lián)承受電壓 u ，設(shè) VT 和 VT 的漏2dd1414電阻相

3、等，那么各承受 u2 的一半。假設(shè)在觸發(fā)角處給 VT1 和 VT 加觸發(fā)脈沖，4VT 、VT 即導(dǎo)通，電流從 a 端經(jīng) VT 、R、VT 流回電源 b 端。當(dāng) u 為零時(shí)，流經(jīng)41412晶閘管的電流也降到零，VT 和 VT 關(guān)斷。41在 u2 負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā) VT 和 VTVT 和 VT 的=0 處為2233t=，VT 和 VT 導(dǎo)通，電流從電源的 b 端流出，經(jīng) VT 、R、VT 流回電源 a 端。3232到 u2 過(guò)零時(shí)，電流又降為零，VT 和 VT 關(guān)斷。此后又是 VT1 和 VT4 導(dǎo)通，如此32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列

4、圖2412所示。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為工作原理U 和 2 U 。222第 1 階段0t ：這階段 u2 在正半周期，a 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位晶閘管1VT 和 VT 方向串聯(lián)后于 u 連接，VT 承受正向電壓為 u /2，VT 承受 u /2 的反向2122122電壓；同樣 VT 和 VT 反向串聯(lián)后與 u 連接，VT 承受 u /2 的正向電壓，VT 承受334224u /2 的反向電壓。雖然 VT 和 VT 受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載沒(méi)有電321流通過(guò)，所以 U =0，i =0。dd第 2 階段t ：在t 時(shí)同時(shí)觸發(fā) VT 和 VT ，由于 VT 和 VT 受正向

5、311113電壓而導(dǎo)通，有電流經(jīng) a 點(diǎn)VT RVT 變壓器 b 點(diǎn)形成回路。在這段區(qū)間31里，u =u ，i =i =i =u /R。由于 VT 和 VT 導(dǎo)通，忽略管壓降，u =u =0，而承1d2dVT1VT3d3VT1VT2受的電壓為 u =u =u 。2VT2VT4第 3 階段t ：從t=開始 u2 進(jìn)入了負(fù)半周期，b 點(diǎn)電位高于 a2點(diǎn)電位，VT1 和 VT3 由于受反向電壓而關(guān)斷，這時(shí) VT VT 都不導(dǎo)通，各晶閘管41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，22134負(fù)載沒(méi)有電流通過(guò)，u =0，i =i =0。2dd第 4

6、 階段t ：在t 時(shí)，u2 電壓為負(fù)，VT2 和 VT4 受正向電壓，22觸發(fā) VT2 和 VT4 導(dǎo)通，有電流經(jīng)過(guò) b 點(diǎn)VT RVT a 點(diǎn)，在這段區(qū)間里，u =u ，d242. （2）逆變局部主電路設(shè)計(jì)：（3）控制電路的設(shè)計(jì)：. . 7.Discharge(引腳 7)：振蕩器放電端。該端與引腳 5 之間外接一只放電電阻， SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳 3)。腳 1 及腳2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器，直流開環(huán)增益為 70dB 左右。SG3525 的特點(diǎn)如下：1工作電壓范圍寬：835V。25.11 1.0%V 微調(diào)基

7、準(zhǔn)電源。3振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz.4具有振蕩器外部同步功能。5死區(qū)時(shí)間可調(diào)。6內(nèi)置軟啟動(dòng)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(gè)脈沖關(guān)斷。10雙路輸出灌電流/拉電流： mA(峰值)。各局部功能：a 基準(zhǔn)電壓源: 基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓 VCC 可在835V 內(nèi)變化，通常采用+15V，其輸出電壓 VST5.1V，精度1%，采用溫度補(bǔ)償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源，向外輸出電流可達(dá) 400mA，沒(méi)有過(guò)流保護(hù)電路。b 振蕩電路： 由一個(gè)雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓 VH=3.9 V，低

8、門限電壓 VL=0.9,內(nèi)部橫流源向 CT 充電，其端壓 VC 線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng) VC=VH 時(shí)比擬器動(dòng)作，充電過(guò)程結(jié)束，上升時(shí)間 t1 為：t1= 0.67RTCT比擬器動(dòng)作時(shí)使放電電路接通，CT 放電，VC 下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng)VC=VL 時(shí)比擬器動(dòng)作，放電過(guò)程結(jié)束，完成一個(gè)工作循環(huán)，下降時(shí)間間 t2 為：注意：此時(shí)間即為死區(qū)時(shí)間鋸齒波的根本周期 T 為:T=t1+t2=(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。. 控制電路圖：（4）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：. 電

9、器件之一。光耦合器一般由三局部組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電 光電的轉(zhuǎn)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(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，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(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)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(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端

10、完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是 70 年代開展起來(lái)產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反應(yīng)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，到達(dá)精密穩(wěn)壓目的。我們?cè)谀┒思右粋€(gè)推挽式放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行電壓電流放大，到達(dá)高輸出電壓，高速，高共模抑制。（5）保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：相對(duì)于電機(jī)和繼電器，接觸器等控制器而言

11、，電力電子器件承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力較差，短時(shí)間的過(guò)電流和過(guò)電壓就會(huì)把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電流和過(guò)電壓的數(shù)值來(lái)確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過(guò)載能力。因此，保護(hù)就成為提高電力電子裝置運(yùn)行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。主電路的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)所謂過(guò)壓保護(hù)，即指流過(guò)晶閘管兩端的電壓值超過(guò)晶閘管在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓Um. 交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)主電路的過(guò)電壓保護(hù). 晶閘管的保護(hù)電路第一種是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或

12、過(guò)電流的數(shù)值。第二種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如，R-C 阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。我們這次的課程設(shè)計(jì)采用的是第二種保護(hù)電路。1晶閘管變流裝置的過(guò)電流保護(hù)晶閘管變流裝置運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流，過(guò)電流分過(guò)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(dǎo)途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過(guò)電流，結(jié)溫上升很快，特別在瞬時(shí)短路電流通過(guò)時(shí)，內(nèi)部熱量來(lái)不及傳導(dǎo)，結(jié)溫上升更快，晶閘管承受過(guò)載或短路電流的能力主要受結(jié)溫的限制?？捎米鬟^(guò)電流保護(hù)電路的主要有快速熔斷器，直流快速熔斷器和過(guò)電流繼電器等。在此我們采用快速熔斷器措施來(lái)進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。

13、. 過(guò)電流保護(hù)3快熔的 I t 值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許 I t 值、22晶閘管變流裝置的過(guò)電壓保護(hù). SU20222S0U ：變壓器副邊相電壓有效值 V2eU ：正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值。e在設(shè)計(jì)中我們?nèi)‰娙轂?5F，電阻值為 13。. 電流上升率 di/dt 的抑制串聯(lián)電感抑制回路電壓上升率 du/dt 的抑制. （6）元器件及電路參數(shù)的計(jì)算：1整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算12 2 U = 2U sin =td tcos =0.9 cos 2-1U U222d當(dāng) =0 時(shí)，U 取得最大值 100V 即U = 0.9 U =100V 從而得出U =111V，2dd2=90 時(shí)，U

14、 =0。 角的移相范圍為 90 。ood2整流輸出電壓的有效值為 1 2U sint d t =U =111V2U 2-2223整流電流的平均值和有效值分別為UR 0.9UI cos22-32-4ddRddU URI 2Rdd4)在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通 180，兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對(duì)稱的方波，電流的平均值I 和有效值I 相等，其波形系數(shù)為 1。d流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為：1I dTI I I2-52-6T222ddd1I I I IT222Tddd5)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降u =0,故其波形為與橫軸重合的直線段； VT 和 VTT12加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒(méi)到

15、時(shí)，VT3、VT4 已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓u 加到 VT12或 VT2 上，那么每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于 2U ;VT1 和 VT22反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整 個(gè)電壓u 加2到 VT1 或 VT2 上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為 2U 。2. 元器件的選取由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原那么。1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UTnUDRMURRM通常取 和 中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23 倍，以保證電路的工

16、作平安。晶閘管的額定電壓 U minUTn,UDRMRRMUTn23U2-7TMUTM：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于 170的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。要注意的是假設(shè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒(méi)超過(guò)額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過(guò)管子所能提供的極限，使管子由于過(guò)熱而損壞。在實(shí)際使用時(shí)不管流II,散熱Tn過(guò)管子的電流波形如何、導(dǎo)通

17、角多大，只要其最大電流有效值 TM冷卻符合規(guī)定，那么晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。ITn：額定電流有效值，根據(jù)管子的I換算出，T(AV)IT(AV)I I三者之間的關(guān)系：、TMTn2II 1/ 2 Tn (Im sin ) ( )td t 2-82-92m0II 1/ 2 Im sin ( )td t m2T ( AV )0波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值I 與平均值I 之比稱為該波形的T TdK波形系數(shù)，用 表示。f. IK 2-10TIfTd額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù)2ImI 1.11K 2-11 2-12TnIIfm2T ( AV )12 2 2U sin co

18、s 0.9 cos= U U =dtd t =U222當(dāng) =0 時(shí)，U 取得最大值 100V 即U = 0.9 U =100V 從而得出U =111V，=90odd22時(shí)，U =0。 角的移相范圍為 90 。od晶閘管承受最大電壓為U V V 2 2 111 157 考慮到 2 倍裕量，取UTM2400V.晶閘管的選擇原那么：I所選晶閘管電流有效值 大于元件 在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。Tn、 選擇時(shí)考慮1.52倍的平安余量。即I ITn T(AV)1.52ITMII (1.5 2)2-13TM1.11T (AV )I因?yàn)?I ,那么晶閘管的額定電流為 I =10A(輸出電流的有效值為最

19、小T AVT2值，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(yīng)大于 20A.在本次設(shè)計(jì)中我選用 4 個(gè) KP20-4 的晶閘管.、 假設(shè)散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，那么元件的額定電流應(yīng)降低使用。UT(AV) 通態(tài)平均管壓降。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽(yáng)極與陰極電壓的平均值，一般在。IH 維持電流。指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能I保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般 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 。在常溫下，陽(yáng)極電壓為6V 時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需Ig的門極電流，一般為毫安級(jí)

20、。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)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，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。假設(shè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，那么會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而損壞晶閘管。2)變壓器的選取A。性能指標(biāo)分析整流電路的性能常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的用整流輸出電壓的平均值表示；另一個(gè)是反映輸出直流電壓平滑程度的，稱為紋波系數(shù)。1)整流輸出電壓平均值12 2 U =d 2U sin =td tUUcos =0.9 cos2-142222)紋波系數(shù)紋波系數(shù) K 用來(lái)表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓的大小，即rU2U2UUK 2-152dLrdUrd（7）電路仿真1 SIMULINK 仿真軟件介紹Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一， 它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真和綜合