1、 電力電子技術課程設計說明書電力電子技術課程設計說明書 mosfet 單相橋式無源逆變電路設計 （純電阻負載） 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 王翠 職稱 副教授 專 業： 自動化 班 級： 自本 1004 班 完成時間： 2013-5-24 摘 要 本次基于 mosfet 的單相橋式無源逆變電路的課程設計，主要涉及 mosfet 的工作原理、全橋的工作特性和無源逆變的性能。本次所設計的單相全橋逆變 電路采用 mosfet 作為開關器件，將直流電壓 ud 逆變為頻率為 1khz 的方波電 壓，并將它加到純電阻負載兩端。 本次課程設計的原理圖仿真是基于 matlzb 的

2、 simulink，由于 matlab 軟件中 電源等器件均為理想器件，使得仿真電路相對較為簡便，不影響結果輸出。設 計主要是對電阻負載輸出電流、電壓與器件 mosfet 輸出電壓的波形仿真。 關鍵詞：單相；全橋；無源；逆變；mosfet; 目 錄 1 mosfet 的介紹及工作原理 .1 2 電壓型無源逆變電路的特點及主要類型.2 2.1 電壓型與電流型的區別 .2 2.2 逆變電路的分類 .3 2.3 有源與無源的區別 .3 3 電壓型無源逆變電路原理分析.3 4 主電路設計及參數選擇.4 4.1 主電路仿真圖 .5 4.2 參數計算 .5 4.3 參數設置 .6 5 仿真電路結果與分析.

3、9 5.1 觸發電平的波形圖 .9 5.2 電阻負載輸出波形圖 .9 5.3 器件 mosfet 的輸出波形圖 .10 5.4 仿真波形分析 .11 6 總結.12 參考文獻.13 致謝.14 1 mosfet 的介紹及工作原理的介紹及工作原理 mosfet 的原意是：mos（metal oxide semiconductor 金屬氧化物半導體） ， fet（field effect transistor 場效應晶體管） ，即以金屬層（m）的柵極隔 著氧化層（o）利用電場的效應來控制半導體（s）的場效應晶體管。 功率場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的 mos 型（met

4、al oxide semiconductor fet）,簡稱功率 mosfet（power mosfet） 。 結型功率場效應晶體管一般 稱作靜電感應晶體管（static induction transistorsit） 。其特點是用柵極電壓來控制漏極 電流，驅動電路簡單， 需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩定性優于 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。 功率 mosfet 的種類：按導電溝道可分為 p 溝道和 n 溝道。按柵極電壓 幅值可分為耗盡型和增強型，當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的 稱為耗盡型；對于 n （p）溝道

5、器件， 柵極電壓大于（小于）零時才存在導電 溝道的稱為增強型；功率 mosfet 主要是 n 溝道增強型。本次設計采用 n 溝道 增強型。 2 電壓型無源逆變電路的特點及主要類型 2.1 電壓型與電流型的區別 根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆 變電路；直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特 點：直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈 動，直流回路呈現低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形 為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻 抗的情況不同而不同。當交流側為阻感負載時需要

6、提供無功功率，直流側電容 起緩沖無功能量的作用。為了給交流側想直流側反饋的無功能量提供通道，逆 變橋各臂都并聯了反饋二極管。又稱為續流二極管。 2.2 逆變電路的分類 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單相逆變電路組成。 2.3 有源與無源的區別 如果將逆變電路的交流側接到交流電網上，把直流電逆變成同頻率的交流 電反送到電網去，稱為有源逆變。 無源逆變是指逆變器的交流側不與電網連接，而是直接接到負載，即將直 流電逆變為某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。它在交流電機

7、變頻調速、 感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內容。 3 電壓型無源逆變電路原理分析 單相逆變電路主要采用橋式接法。它的電路結構主要由四個橋臂組成，其 中每個橋臂都有一個全控器件 mosfet 和一個反向并接的續流二極管，在直流側 并聯有大電容而負載接在橋臂之間。其中橋臂 1,4 為一對，橋臂 2，3 為一對。 可以看成由兩個半橋電路組合而成。其基本電路連接圖如下所示： 圖 1 電壓型全橋無源逆變電路的電路圖 由于采用功率場效應晶體管（mosfet）來設計,如圖 1 的單相橋式電壓型無 源逆變電路，此課程設計為電阻負載，故應將 igbt 用 mosfet 代替，r

8、lc 負載 中電感、電容的值設為零。此電路由兩對橋臂組成，v1 和 v4 與 v2 和 v3 兩對 橋臂各導通 180 度。再加上采用了移相調壓法，所以 vt3 的基極信號落后于 vt1 的 90 度，vt4 的基極信號落后于 vt2 的 90 度。因為是電阻負載，故晶體管 均沒有續流作用。輸出電壓和電流的波形相同，均為 90 度正值、90 度零、90 度負值、90 度零 這樣一直循環下去。 4 主電路設計及參數選擇 4.1 主電路仿真圖 在本次設計中，主要采用單相全橋式無源逆變電路(電阻負載)作為設計的 主電路。由于軟件上的電源等器件都是理想器件，故可將直流側并聯的大電容 直接去掉。由以上工

9、作原理概論的分析可得其主電路仿真圖如下所示： 圖 2 mosfet 單相全橋無源逆變電路（電阻負載）電路 4.2 參數計算 電阻負載，直流側輸入電壓=100v, 脈寬為 =90的方波，輸出功率 為 300w，電容和電感都設置為理想零狀態。頻率為 1000hz 由頻率為 1000hz 即可得出周期為 t=0.001s，由于 v3 的基波信號比 v1 的 落后了 90 度（即相當 1/4 個周期）。 通過換算得： t3=0.001/4=0.00025s， 而 t1=0s。 同 理 得： t2=0.001/2=0.0005s, 而 t4=0.00075s。 由理論情況有效值： uo=ud/2=50v

10、。 又因為 p=300w 所以有電阻： r=uo*uo/p=8.333 則輸出電流有效值： io=p/uo=6a 則可得電流幅值為 imax=12a，imin=-12a 電壓幅值為 umax=100v,umin=-100v 晶閘管額定值計算， 電流有效值： ivt=imax/4=3a。 額定電流 in 額定值： in=（1.5-2）*3=（4.5-6）a。 最大反向電壓 uvt=100v 則額定電壓 un=（23）*100v=（200-300）v 4.3 參數設置 根據以上計算的各參數即可正確設置主電路圖如下，進而仿真出波形圖。 圖 3 vt1 的觸發電平參數設置 圖 4 vt2 的觸發電平參

11、數設置 圖 5 vt3 的觸發電平參數設置 圖 6 vt4 的觸發電平參數設置 圖 7 電阻負載參數設置 5 仿真電路結果與分析 5.1 觸發電平的波形圖 從上到下依次為 vt1,vt2，vt3，vt4 的觸發電壓，幅值為 5v。 圖 8 觸發電平的波形圖 5.2 電阻負載輸出波形圖 從上到下依次輸出電流（最大值為 12a）與輸出電壓（最大值為 100v）波 形。 圖 9 電阻負載輸出波形圖 由圖 9 所示波形可得：一個周期內的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等， 幅值的正負相反，則輸出平均電壓為 0。同理輸出平均電流也為 0。 5.3 器件 mosfet 的輸出波形圖 從上到下依次為 vt1,

12、vt2,vt3,vt4 的輸出電流和電壓波形。 圖 10 vt1 電流波形（最大值 12a,最小值 0a），vt1 電壓波形（最大值 100v,最小值 0v） 圖 11 vt2 電流波形（最大值 12a,最小值 0a），vt2 電壓波形（最大值 100v,最小值 0v） 圖 12 vt3 電流波形（最大值 12a,最小值 0a），vt3 電壓波形（最大值 100v,最小值 0v） 圖 13 vt4 電流波形（最大值 12a,最小值 0a），vt4 電壓波形（最大值 100v,最小值 0v） 5.4 仿真波形分析 在接電阻負載時，采用移相的方式來調節逆變電路的輸出電壓。移相調壓 實際上就是調節輸

13、出電壓脈沖的寬度。通過對圖 8 觸發脈沖的控制得到如圖 9 和 5.3mosfet 的輸出波形圖，圖 9 波形為輸出電流電壓的波形，由于沒有電感 負載，在波形圖中可看出，一個周期內的兩個半個周期的輸出電壓值大小相等， 幅值的正負相反，則輸出平均電壓為 0。 vt1 電壓波形和 vt2 的互補，vt3 電壓波形和 vt4 的互補，但 vt3 的基極信 號不是比 vt1 落后 180，而是只落后 。即 vt3、vt4 的柵極信號不是分別和 vt2、vt1 的柵極信號同相位，而是前移了 90。輸出的電壓就不再是正負各為 180的的脈沖，而是正負各為 90的脈沖。由于沒有電感負載，故電流情形 與電壓相

14、同。 6 總結 mosfet 單相橋式無源逆變電路共有 4 個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合 而成，采用移相調壓方式后，輸出交流電壓有效值即可通過改變直流電壓 ud 來 實現，也可通過改變 來調節輸出電壓的脈沖寬度來改變其有效值。 由于 matlab 軟件中電源等器件均為理想器件，故可將電容直接去掉。又由 于在純電阻負載中，vd1vd4 不再導通，不起續流作用，古可將起續流作用的 4 個二極管也去掉，對結果沒有影響。 相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電 壓幅值僅為 1/2ud 的缺點，且不需要有兩個電容串聯，就不需要控制電容電壓 的均衡，因此可用于相對較大功率的逆

15、變電源。 參考文獻 1王兆安 劉進軍.電力電子技術. 北京：機械工業出版社.第五版， 2009.5100103 2黃忠霖 黃京.電力電子技術 matlab 實踐. 北京：國防工業出版社.2009.1. 246248 3洪乃剛. 電力電子、電機控制系統的建模和仿真. 北京：機械工業出版社. 2010.1. 100107 4 趙同賀等.新型開關電源典型電路設計與應用.北京：機械工業出版社， 2010 5 林飛，杜欣.電力電子應用技術的 matlab 仿真.北京：中國電力出版社， 2009 致謝 這次電力電子技術設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識 運用到實 際中。并通過對知識的綜合運用，進行必要的分析、比較。從而進一步驗證了 所學的理論知識。同時，這次課程設計，還讓我知道了最重要的是心態，在剛 開始會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。 通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業知識的理解，平常都是 理 論知識的學習，在此次課程設計過程中，我更進一步地熟悉了單相橋式無源 電路 的原理和觸發電路的設計。當然，在這個過程中我也遇到了困難，查閱資 料，相互通過討論。我準確地找出了我們的錯誤并糾正了錯誤，這更是我們的 收獲，不但使我們進一步提高了我們的實踐能力，也讓我們在以后的工作學習 有了更大的信心。通過這