MOSFET单相桥式无源逆变电路设计

目录

MOSFET和电压型无源逆变电路简介 (1)

1.MOSFET简介 (1)

2.电压型无源逆变电路简介 (1)

主电路图设计和参数计算 (2)

1.主电路图设计 (2)

2.相关参数计算 (2)

驱动电路的设计和选型 (4)

1.驱动电路简介 (4)

2.驱动电路的选用 (4)

电路的过电压保护和过电流保护设计 (5)

1.过电压保护 (5)

2.过电流保护 (7)

3.保护电路的选择以与参数计算 (8)

MATLAB仿真 (10)

1.主电路图以与参数设定 (10)

2.仿真结果 (14)

总结与体会 (15)

附录：电路图 (16)

一、MOSFET和电压型无源逆变电路的介绍

1.MOSFET简介

金属-氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为“N型”与“P型”的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置。

2.电压型无源逆变电路简介

把直流电变成交流电称为逆变。逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。

如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去，称为有源逆变。

无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。

电压型逆变电路有以下特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

二、主电路图设计和参数计算

1.主电路图设计

图一：主电路图

电路采用全桥接法。它的电路结构主要由四个桥臂组成，其中每个桥臂都有一个全控器件MOSFET 和一个反向并接的续流二极管，在直流侧并联有大电容而负载接在桥臂之间。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。

由于课程设计要求负载为纯电阻负载，则右端负载中没有电感和电容，且续流二极管中无电流流过。电路中V 1与V 4有驱动信号时，V 2和V 3无驱动信号；V 2与V 3有驱动信号时，V 1和V 4无驱动信号。两对桥臂各导通180o ，这样就把直流电转换成了交流电。

2.相关参数计算

输入直流电压V d 100U =,输出功率为200W ，输出电压波形为1KHz 方波。 该电路所有元件均视为理想器件，且每个MOS 管在半个周期内电压为0，半个周期内承受的电压为U d ，所以有：

V U U d o 100==

又因为W 200P =，所以有电阻：

Ω==502P

U R o

则输出电流有效值：

A U P

o

2I ==

晶闸管额定值计算。电流最大值：

A I o 2I max ==

额定电流取大于m ax I 即可。 最大反向电压:

V 100U max =

则额定电压:

V N 300~200100)3~2(U =⨯=

三、驱动电路的设计和选型

1.驱动电路简介

驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

●使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开

关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

●对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过

驱动电路实现。

驱动电路的基本任务：

●将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电

子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

●对半控型器件只需提供开通控制信号。

●对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

●光隔离一般采用光耦合器

●磁隔离的元件通常是脉冲变压器

图2：光耦合器的类型与接法

a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型

2.驱动电路的选用

电力MOSFET是电压驱动型器件。电力MOSFET的栅源极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10～15V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电源（一般取-5～-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。本次课程设计的驱动电路采用如下电路。

图3：驱动电路

该驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时高速放

大器A输出负电平，V

3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V

2

导通输出正驱动电压。

四、电路的过电压保护和过电流保护设计

1.过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：

●操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。

●雷击过电压：由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

●换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在

换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，因而其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

●关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正

向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

图4：过电压抑制措施与配置位置

图4所示出了各种保护措施与其配置位置，各电力电子装置可见具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施。在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的，其典型联结方式见图4。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称为阀侧），或电力电子电路的直流侧。对于大容量电力电子装置，可采用图6所示的反向阻断式RC电路。有关保护电路的参数计算可参照相关的工程手册。采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。

a） b）

图5：RC过电压抑制电路联结方式

图6：反向阻断式过电压抑制用RC电路

2.过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。图5-4给出了各种过电流保护措施与其配置位置，其中采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常见的措施。

一般电力电子装置均采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

图7：过电流保护措施与配置位置

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快速熔断器时应考虑：

● 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

● 电流容量应按其在主电路的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

● 快熔的I 2t 值应小于被保护器件的允许I 2t 值。

● 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。

3.保护电路的选择以与参数计算

对于MOSFET 管用RC 吸收电路进行过电压保护。保护电路图如图8所示。

图8：RC 吸收电路

根据前面计算，A I AV T 2)(=。

F I C AV T 8n ~4F 10)4~2()(3=⨯=-μ

Ω=)30~10(R

电容可选瓷片电容，电阻

对于MOSFET 管用快速熔断器进行过电流保护。由于电路简单、功率小且只有纯电阻负载，故可以将快速熔断器与电源串联接在主回路中。

A I 2MAX =

快速熔断器额定电流A I NT 3~6.2)5.1~3.1(I MAX =⨯= 额定电压V U NT 1101001.11.1U MAX =⨯== 熔断器可选RLS-10，额定电流为3A 。

五、MATLAB仿真

Matlab被誉为三大数学软件之一，它在数学类科技应用软件中在数值方面首屈一指。Matlab可以进行矩阵、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域，受到各个研究领域的推崇和关注。本文也采用MATLAB软件对研究结果经行仿真，以验证结果是否正确。

1.主电路图以与参数设定

主电路图如图9所示。

图9：仿真电路

各元件参数设置：

●DC Voltage Source: ●Series RLC Branch:

●Pulse Generator 1

●Pulse Generator 3

2.仿真结果

负载电压电流波形（上为电压，下为电流）：

脉冲发生器波形（上为第1个和第4个，下为第2个和第3个）：

各个MOSFET管电压和电流波形（上为电流，下为电压）：

●第一个

●第二个

●第三个

●第四个

从仿真结果可以看出输出电压为幅值为100V、频率为1kHz的方波，负载电流和电压相位相同且幅值为2A，说明电路是正确的，仿真成功。

六、总结与体会

这次课程设计是围绕着《电力电子技术》这门课展开的。其中共有20个课题，我选的课题是《MOSFET单相桥式无源逆变电路设计（纯电阻电路）》。

从开始做到到做完，大概用了我三天的时间。其中设计电路图并不难，教材上有；主要难点在于保护电路的选用、参数计算和MATLAB仿真。由于教材上对于保护电路的介绍十分简短，没有参数计算过程，所以电路选用和参数计算只能查找资料。最后根据我在网上找到的资料和自己的理解，选择了合适的保护电路。

而仿真难的问题，主要是因为对MATLAB的不熟练和对MOS管理解的不透彻。我开始以为MOS管在触发脉冲后会保持，占空比设置得很小，结果仿真结果出错。认真看了教材和分析电路图后，我才明白过来占空比要设置成50%。

通过这次课程设计，加深了我对电力电子技术这门课的理解，提高了我对MATLAB软件的熟练程度。我相信这会对我以后的学习工作有很大的益处。

附录：电路图主电路：

仿真电路：