MOSFET單相橋式無(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)(共17頁(yè))

1、目錄MOSFET和電壓型無(wú)源逆變電路簡(jiǎn)介.11. MOSFET簡(jiǎn)介.12.電壓型無(wú)源逆變電路簡(jiǎn)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)和選型.41.驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介.42.驅(qū)動(dòng)電路的選用.4電路的過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì).51.過(guò)電壓保護(hù).52.過(guò)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.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(huì).15附錄：電路圖.161、 MOSFET和電壓型無(wú)源逆變電路的介紹1.MOSFET簡(jiǎn)介金屬-氧化層 半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semicon

2、ductor 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(chǎng)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(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極 電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于 GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò) 10kW 的電力電子裝置。2. 電壓型無(wú)源逆變電路簡(jiǎn)

3、介把直流電變成交流電稱(chēng)為逆變。逆變電路分為三相和單相兩大類(lèi)。其中，單相逆變電路主要采用橋式接法。主要有：?jiǎn)蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮蚰孀冸娐贰６嚯妷盒湍孀冸娐穭t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(chēng)為有源逆變。無(wú)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(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電

4、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(wú)關(guān)。2、 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(duì)，橋臂2，3為一對(duì)。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(méi)有電感和電容，且續(xù)流二極管中無(wú)電流流過(guò)。電路中V1與V4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，V2和V3無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；V2與V3有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，V1和V4無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。兩對(duì)橋臂各導(dǎo)通180o，這樣就把直流電轉(zhuǎn)換成了交流電。2.相關(guān)參數(shù)計(jì)算輸入直流電壓,輸出功率

5、為200W，輸出電壓波形為1KHz方波。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Ud，所以有：又因?yàn)椋杂须娮瑁簞t輸出電流有效值：晶閘管額定值計(jì)算。電流最大值：額定電流取大于即可。最大反向電壓:則額定電壓:三、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和選型1. 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口l 使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。l 對(duì)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(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：l 將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加

6、在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。l 對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。l 對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)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。l 光隔離一般采用光耦合器l 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖2：光耦合器的類(lèi)型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型2. 驅(qū)動(dòng)電路的選用電力MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。使電力MOSFET開(kāi)通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取1015V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一

7、定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器件電流額定值的增大而減小。專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。本次課程設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用如下電路。圖3：驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平，V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。四、電路的過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)1. 過(guò)電壓保

8、護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括：l 操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓。 l 雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。 內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括： l 換相過(guò)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(guò)，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(huì)因線(xiàn)路電感而在晶閘管陰陽(yáng)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(guò)電壓。 l 關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)

9、斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線(xiàn)路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。圖4：過(guò)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(jiàn)具體情況只采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的措施。在抑制外因過(guò)電壓的措施中，采用RC過(guò)電壓抑制電路是最為常見(jiàn)的，其典型聯(lián)結(jié)方式見(jiàn)圖4。RC過(guò)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(chēng)網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱(chēng)為閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。對(duì)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(cè)。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(xiàn)性元器件來(lái)

10、限制或吸收過(guò)電壓也是較常用的措施。 a） b） 圖5：RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式圖6：反向阻斷式過(guò)電壓抑制用RC電路2. 過(guò)電流保護(hù)電力電子電路運(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。圖5-4給出了各種過(guò)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(guò)電流繼電器是較為常見(jiàn)的措施。一般電力電子裝置均采用幾種過(guò)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(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。圖7：過(guò)電流保護(hù)措

11、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(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快速熔斷器時(shí)應(yīng)考慮： l 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。 l 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。快熔一般與電力半導(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(xiàn)或直流母線(xiàn)中。 l 快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t 值。 l 為保證熔體在正常過(guò)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(duì)于MOSFET管用RC吸收電路進(jìn)行過(guò)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，。電容可選瓷片電容，電阻對(duì)于MOSFET管用快速

12、熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。由于電路簡(jiǎn)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?？焖偃蹟嗥黝~定電流額定電壓熔斷器可選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(lèi)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(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、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(duì)研究結(jié)果經(jīng)行仿真，以驗(yàn)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：

13、仿真電路各元件參數(shù)設(shè)置：l DC Voltage Source:l Series RLC Branch:l Pulse Generatorl Pulse Generator 1l Pulse Generator 2l Pulse Generator 32. 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）：l 第一個(gè)l 第二個(gè)l 第三個(gè)l 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(shuō)明電路是正確的，仿真成功。6、 總結(jié)與體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)是圍繞著電力電子技術(shù)這門(mén)課展開(kāi)的。其中共有20個(gè)課題，我選的課題是MOSFET單相橋式無(wú)源逆變電路設(shè)計(jì)（純電阻電路）。從開(kāi)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(duì)于保護(hù)電路的介紹十分簡(jiǎn)短，沒(méi)有參數(shù)計(jì)算過(guò)程，所以電路選用和參數(shù)計(jì)算只能查找資料。最后根據(jù)