MOSFET單相橋式無源逆變電路設(shè)計要點

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 2驅(qū)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電路的過電壓保護和過電流保護設(shè)計 51. 過電壓保護52. 過電流保護73. 保護電路的選擇以及參數(shù)計算 8MATLA 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-Semiconductor Fie

2、ld-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

3、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

4、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)。、主電路圖設(shè)計和參數(shù)計算1主電路圖設(shè)計Ud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 V與Va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Va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

5、流電壓Ud =100V,輸出功率為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 MOST在半個周期內(nèi)電壓為0,半 個周期內(nèi)承受的電壓為U，所以有：Uo 二Ud =100V又因為P =20CW，所以有電阻：U 2r 二也=50-1P則輸出電流有效值：I P =2A Uo晶閘管額定值計算。電流最大值:I max = I o - 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 =(2 3) 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 主電路與控制電路之間的接口態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開 關(guān)損耗，對裝置的運行效

6、率、可靠性和安全性都有重要的意義。對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設(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MOSFE是電壓驅(qū)動型器件。電力MOSFE的柵源極之間有數(shù)

7、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 MOSFE開通的柵源極間驅(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MOSFE而設(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。

8、當(dāng)無輸入信號時高速放大器A輸出負(fù)電平，Vs導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓。當(dāng)有輸入信號時 A輸出正電平，V2 導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。四、電路的過電壓保護和過電流保護設(shè)計1.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(nèi)因過電壓兩類。夕卜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

9、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，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所示出了各種保護措施及其配置位置， 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

10、斷式RC電路。有關(guān)保護電路的 參數(shù)計算可參照相關(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。Ca Ra0廠J Ca Rad-1_1 II RdcCdc*dCa Raa)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.過電流保護電力電子電路運行不正常或者發(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措施， 以提高保護的可

11、靠性和合理 性。在選擇各種保護措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。 通常，電子電路作為第一保護措施， 快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護， 直流快速斷路器整定在電子電路動 作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。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?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 或直流母線中?？烊鄣?2t值應(yīng)小于被保護器件的允許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

12、保護電路的選擇以及參數(shù)計算對于MOSFE管用RC吸收電路進(jìn)行過電壓保護。保護電路圖如圖 8所示根據(jù)前面計算，It（av）=2A。C=（24） 10|丁的）牛=48 nFR =（10 30） 1電容可選瓷片電容，電阻對于MOSFE管用快速熔斷器進(jìn)行過電流保護。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。1 MAX - 2 A快速熔斷器額定電流Int =(1.31.5) I MAX =2.63A額定電壓 Unt -1.1U MAX -1.1 100=110V熔斷器可選RLS-10,額定電流為3A。五、MATLAB真Matlab被譽為三大數(shù)學(xué)軟件之一，它在數(shù)學(xué)類

13、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MATLAB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。rT圖9:仿真電路各元件參數(shù)設(shè)置：DC Voltage Source:& Block Piarameters; DC Voltage SourceDC VdScLirze1 inli.DC voltage sDLiTse.PaiiZis

14、TrsM)litud4 (V):1M_?anc 1HtitSeries RLC Bran ch:Series WLC Branch ask； (link?12pl=zi=nta 且 seriga tranch f F1.C l&D=nta-Use th.e Branch ty口話 paraziter to add ex He-dcv elraents fres th丘 branch.Pizazieter sQKaTS.celelpAppPulse Gen eratorr(t = oendPuIec type detersive a the 亡tettiniQug 口 sd.rnPulse Ge

15、n erator 1-elseY(t)益 0MdPulse type det&TsiJiEB, the e cap Lit at iana 1 teehnitiue ue5_ lizE-ibased is Tecazssed fox use ith a variable 左宅solv&Tj whll-E Sample if- recc-siziended for use with a fixed, stei? zg-lvr or within, a diECTete pcTtlofi &f a B“dl utlnt a varlablt tp olvr.Parmwr呂Pulse type: T

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