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單相半橋無源逆變電路的設(shè)計(jì)

1概述

1.1課題背景和意義

功率MOSFET(金屬－氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)是最重要的一種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管,除此之外還有MISFET、MESFET、JFET等幾種。功率MOSFET為功率集成器件，內(nèi)含數(shù)百乃至上萬個(gè)相互并聯(lián)的MOSFET單元。為提高其集成度和耐壓性,大都采用垂直結(jié)構(gòu)(即VMOS)，如VVMOS（V型槽結(jié)構(gòu)）、VUMOS、SIPMOS等。

圖1

如圖1顯示了一種SIPMOS（n溝道加強(qiáng)型功率MOSFET）的部分剖面結(jié)構(gòu)。其柵極用導(dǎo)電的多晶硅制成,柵極與半導(dǎo)體之間有一層二氧化硅薄膜,柵極與源極位于硅片的同一面，漏極則在后面。從總體上看，漏極電流垂直地流過硅片，漏極和源極間電壓也加在硅片的兩個(gè)面之間。該器件屬于耗盡型n溝道的功率MOSFET，其源極和漏極之間有一n型導(dǎo)電溝道,改變柵極對(duì)源極的電壓，可以控制通過溝道的電流大小。耗盡型器件在其柵極電壓為零時(shí)也存在溝道，而加強(qiáng)型器件一定要施加?xùn)艠O電壓才有溝道出現(xiàn)。與n溝道器件對(duì)應(yīng),還有p溝道的功率MOSFET。

圖2

圖2為圖1所示SIPMOS的輸出特性。它說明白柵極的控制作用及不同柵極電壓下，漏極電流與漏極電壓之間的關(guān)系。圖2中，在非飽和區(qū)(Ⅰ),源極和漏極間相當(dāng)于一個(gè)小電阻；在亞閾值區(qū)(Ⅲ)則表現(xiàn)為開路；在飽和區(qū)(Ⅱ)，器件具有放大作用。

功率MOSFET屬于電壓型控制器件。它依靠多數(shù)載流子工作,因而具有大量?jī)?yōu)點(diǎn):能與集成電路直接相連；開關(guān)頻率可在數(shù)兆赫以上（可達(dá)100MHz），比雙極型功率晶體管(GTR)至少高10倍；導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù),器件不易發(fā)生二次擊穿,易于并聯(lián)工作。與GTR相比，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻較大，電流密度不易提高，在100kHz以下頻率工作時(shí),其功率損耗高于GTR。此外，由于導(dǎo)電溝道很窄（微米級(jí)）,單元尺寸精細(xì)，其制作也較GTR困難。在80年代中期,功率MOSFET的容量還不大（有100A/60V，75A/100V，5A/1000V等幾種）。功率MOSFET是70年代末開始應(yīng)用的新型電力電子器件，適合于數(shù)千瓦以下的電力電子裝置，能顯著縮小裝置的體積并提高其性能，預(yù)期將逐步取代同容量的GTR。功率MOSFET的發(fā)展趨勢(shì)是提高容量，普及應(yīng)用，與其他器件結(jié)合構(gòu)成復(fù)合管，將多個(gè)元件制成組件和模塊，進(jìn)而與控制線路集成在一個(gè)模塊中（這將會(huì)更新電力電子線路的概念）。此外，隨著頻率的進(jìn)一步提高，將出現(xiàn)能工作在微波領(lǐng)域的大容量功率MOSFET。

同時(shí)運(yùn)用MOSFET晶體管來進(jìn)行電路的整流和逆變有很大的優(yōu)點(diǎn)功率場(chǎng)效

應(yīng)晶體管（VF）又稱VMOS場(chǎng)效應(yīng)管。在實(shí)際應(yīng)用中，它有著比晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)管更好的特性。即是在大功率范圍應(yīng)用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它也稱作功率MOSFET，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.具有較高的開關(guān)速度。

2.具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，并且具有正的電阻溫度系數(shù)，因此適合進(jìn)行并聯(lián)使用。3.具有較高的可靠性。

4.具有較強(qiáng)的過載能力。短時(shí)過載能力尋常額定值的4倍。

5.具有較高的開啟電壓，即是閾值電壓，可達(dá)2~6V(一般在1.5V~5V之間）。當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí)，可以選用閾值電壓較高的管子，以提高抗干擾能力；反之，當(dāng)噪聲較低時(shí)，選用閾值電壓較低的管子，以降低所需的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓。給電路設(shè)計(jì)帶來了極大地便利。

6.由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此其驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較低。

由于這些明顯的優(yōu)點(diǎn)，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管在電機(jī)調(diào)速，開關(guān)電源等各種領(lǐng)域應(yīng)用的十分廣泛。

2主電路的設(shè)計(jì)

2.1整流部分主電路設(shè)計(jì)

單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖1.1

TVT1i2aVT3idu1u2udRbVT2VT4

圖2.1

在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂。在u2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位），若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)VT1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角α處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4即導(dǎo)通，電流從a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2為零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。

在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角α處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的α=0處為ωt=π），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1、VT4兩端的電壓波形如下圖（2）所

2示。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和2U2。

2工作原理

第1階段（0~ωt1）：這階段u2在正半周期，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位晶閘管VT1和VT2方向串聯(lián)后于u2連接，VT1承受正向電壓為u2/2，VT2承受u2/2的反向電壓；同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與u2連接，VT3承受u2/2的正向電壓，VT4承受u2/2的反向電壓。雖然VT1和VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載沒有電流通過，所以Ud=0，id=0。

第2階段（ωt1~π）：在ωt1時(shí)同時(shí)觸發(fā)VT1和VT3，由于VT1和VT3受正向電壓而導(dǎo)通，有電流經(jīng)a點(diǎn)→VT1→R→VT3→變壓器b點(diǎn)形成回路。在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT1=iVT3=ud/R。由于VT1和VT3導(dǎo)通，忽略管壓降，uVT1=uVT2=0，而承受的電壓為uVT2=uVT4=u2。

第3階段（π~ωt2）：從ωt=π開始u2進(jìn)入了負(fù)半周期，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，VT1和VT3由于受反向電壓而關(guān)斷，這時(shí)VT1~VT4都不導(dǎo)通，各晶閘管承受u2/2的電壓，但VT1和VT3承受的事反向電壓，VT2和VT4承受的是正向電壓，負(fù)載沒有電流通過，ud=0，id=i2=0。

第4階段（ωt2~π）：在ωt2時(shí)，u2電壓為負(fù)，VT2和VT4受正向電壓，觸發(fā)VT2和VT4導(dǎo)通，有電流經(jīng)過b點(diǎn)→VT2→R→VT4→a點(diǎn)，在這段區(qū)間里，ud=u2，id=iVT2=iVT4=i2=ud/R。由于VT2和VT4導(dǎo)通，VT2和VT4承受u2的負(fù)半周期電壓，至此一個(gè)周期工作完畢，下一個(gè)周期，充復(fù)上述過程，單項(xiàng)橋式整流電路兩次脈沖間隔為180°。

2.2逆變部分主電路設(shè)計(jì)

如下圖，它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)二極管反并聯(lián)而成。在直流側(cè)有兩個(gè)相互串聯(lián)的大電容，兩個(gè)電容的中點(diǎn)為直流電源中點(diǎn)。負(fù)載接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂連接點(diǎn)之間。

開關(guān)器件設(shè)為V1和V2，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，輸出為矩形波，Um=Ud/2.剛開始V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)，給V1關(guān)