MOSFET單相橋式無源逆變電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(jì)和參數(shù)計(jì)算.21.主電路圖設(shè)計(jì).22.相關(guān)參數(shù)計(jì)算.2驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)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(jì).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(jì)算.8MATLAB 仿真.10 1.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 .一、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

2、管 ， 簡 稱 金 氧 半 場 效 晶 體 管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 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（ field-effect transistor）。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 NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET 等。其特點(diǎn)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 G

3、TR，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(gè)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(jī)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

4、特點(diǎn)：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，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。二、主電路圖設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算1.主電路圖設(shè)計(jì)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(gè)橋臂組成，其中每個(gè)橋臂都有一個(gè)全控器件 MOSFET 和一個(gè)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(jì)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 V 與 V 有驅(qū)動信號時(shí)，V 和 V 無驅(qū)動信號；142

5、3V 與 V 有驅(qū)動信號時(shí)，V 和 V 無驅(qū)動信號。兩對橋臂各導(dǎo)通 180 ，這樣就把o2314直流電轉(zhuǎn)換成了交流電。2.相關(guān)參數(shù)計(jì)算輸入直流電壓VU 100 ,輸出功率為 200W，輸出電壓波形為 1KHz 方波。d該電路所有元件均視為理想器件，且每個(gè) MOS 管在半個(gè)周期內(nèi)電壓為 0，半個(gè)周期內(nèi)承受的電壓為 U ，所以有：dU U 100Vod又因?yàn)?P 200W ，所以有電阻：U2R 50oP則輸出電流有效值：PI 2AUo晶閘管額定值計(jì)算。電流最大值：I I 2Amaxo額定電流取大于最大反向電壓:I 即可。max. .U 100Vmax則額定電壓:U (2 3)100 200 300

6、VN三、驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)和選型1.驅(qū)動電路簡介驅(qū)動電路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(shí)間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 對器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實(shí)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

7、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 是電壓驅(qū)動型器件。電力 MOSFET 的柵源極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻。使電力 MOSFET 開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取 1015V。同樣，關(guān)斷時(shí)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(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（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 MOSFET 而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的 M579

8、18L，其輸入信號電流幅值為 16mA，輸出最大脈沖電流為+2A 和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V 和-10V。本次課程設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路采用如下電路。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(shí)高速放大器 A 輸出負(fù)電平，V 導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓。當(dāng)有輸入信號時(shí) A 輸出正電平，3V 導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。2. .四、電路的過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)設(shè)計(jì)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

9、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(shí)，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(shí)，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。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 RC3 和 RCD 為抑制內(nèi)因過電壓

10、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，其典型聯(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(jì)算可參照相關(guān)的工程手冊。采用雪崩二極管、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）b）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(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會發(fā)生過電流

11、。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(shí)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(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動作。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(shí)應(yīng)考慮： 電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。 電流容量應(yīng)按其在主

12、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串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。t 值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許 I t 值。 快熔的 I22 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間-電流特性。3.保護(hù)電路的選擇以及參數(shù)計(jì)算對于 MOSFET 管用 RC 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(jì)算， IA 2 。T ( AV )C (2 4)10R (10 30)IF 4 8nF3T ( AV )電容可選瓷片電容，電阻對于 MOSFET 管用快速熔斷器進(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

13、，故可以將快速熔斷器與電源串聯(lián)接在主回路中。I 2AMAX快速熔斷器額定電流I 2.6 3AI (1.3 1.5)NTMAX額定電壓U1.1100 110VU 1.1NTMAX熔斷器可選 RLS-10，額定電流為 3A。. .五、MATLAB 仿真Matlab 被譽(yù)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、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)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(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域，受到各個(gè)研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用 MATLAB 軟件對研究結(jié)果經(jīng)行仿真，以驗(yàn)

14、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：DC Voltage Source:. . Series RLC Branch: Pulse Generator. .Pulse Generator 1. . Pulse Generator 2 Pulse Generator 3. .2.仿真結(jié)果負(fù)載電壓電流波形（上為電壓，下為電流）：脈沖發(fā)生器波形（上為第 1 個(gè)和第 4 個(gè)，下為第 2 個(gè)和第 3 個(gè)）：各個(gè) MOSFET 管電壓和電流波形（上為電流，下為電壓）：. . 第一個(gè) 第二個(gè) 第三個(gè) 第四個(gè)從仿真結(jié)果可以看出輸出電壓為幅值為 100V、頻率為 1kHz 的方波，負(fù)載電流和電壓相位相同且幅值為 2A，說明電路是正確的，仿真成功。六、總結(jié)與體會這次課程設(shè)計(jì)是圍繞著電力電子技術(shù)這門課展開的。其中共有 20 個(gè)課題，我選的課題是MOSFET 單相橋式無源逆變電路設(shè)計(jì)（純電阻電路）。從開始做到到做完，大概用了我三天的時(shí)間。其中設(shè)計(jì)電路圖并不難，教材上有；主要難點(diǎn)在于保護(hù)電路的選用、參數(shù)計(jì)算和 MATLAB 仿真。由于教材上對于保護(hù)電路的介紹十分簡短，沒有參數(shù)計(jì)算過程，所以電路選用和參數(shù)計(jì)算只. .能查