单相全桥和半桥无源逆变电路.docx
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单相全桥和半桥无源逆变电路
单相全桥和半桥无源逆变电路
学生姓名:
学号:
学院:
信息与通信工程学院专业:
自动化题目:
MOSFET单相桥式无源逆变电路设计
(纯电阻负载)
指导教师:
职称:
2011年12月31日
中北大学
课程设计任务书
11/12学年第一学期
学院:
信息与通信工程学院专业:
自动化学生姓名:
学号:
课程设计题目:
MOSFET单相桥式无源逆变电路设计
(纯电阻负载)起迄日期:
12月25日,12月31日课程设计地点:
电气工程系实验中心指导教师:
系主任:
下达任务书日期:
2011年12月25日
课程设计任务书
1(设计目的:
1)培养学生文献检索的能力,特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2)培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3)培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4)提高学生课程设计报告撰写水平。
2(设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):
设计内容:
1、设计一个MOSFET单相桥式无源逆变电路(纯电阻负载)
设计要求:
1)输入直流电压:
U=100V;d
2)输出功率:
300W;
3)输出电压波形:
1KHz方波。
2、设计MOSFET单相半桥无源逆变电路(纯电阻负载)
设计要求:
1)输入直流电压:
U=100V;d
2)输出功率:
300W;
3)输出电压波形:
1KHz方波。
3(设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计说明书、图纸、实物样品
等〕:
设计工作任务及工作量的要求:
1)根据课程设计题目,收集相关资料、设计主电路和触发电路;
2)用Multisim等软件制作主电路和控制电路原理图;
3)撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图,说明主电路的工作原理,完成元器件参数计算,元器件选型,说明控制电路的工作原理,用Multisim或EWB等软件绘出主电路典型的输出波形(比较实际波形与理论波形),绘出触发信号(驱动信号)波形,说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法,附参考资料。
课程设计任务书4(主要参考文献:
1、樊立萍,王忠庆.电力电子技术.北京:
北京大学出版社,2006
2、徐以荣,冷增祥.电力电子技术基础.南京:
东南大学出版社,1999
3、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:
机械工业出版社,2005
4、童诗白.模拟电子技术.北京:
清华大学出版社,2001
5、阎石.数字电子技术.北京:
清华大学出版社,1998
6、邱关源.电路.北京:
高等教育出版社,1999
5(设计成果形式及要求:
1)撰写课程设计报告;
2)用PROTEL或其它软件画出主电路和触发电路原理图;
3)用EWB或其它软件绘出主电路典型波形,触发信号(驱动信号)波形。
6(工作计划及进度:
2011年12月25日~12月27日收集资料,计算所需参数并选定元器件;
12月28日~12月29日完成主电路、控制电路设计;绘出波形图;
12月30日~12月31日完成课程设计报告,下午答辩。
系主任审查意见:
签字:
2011年12月25日
一、功率场效应晶体管MOSFET
1概述
MOSFET的原意是:
MOS(MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体),FET(FieldEffectTransistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET),简称功率MOSFET(PowerMOSFET)。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(StaticInductionTransistor--SIT)。
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.功率MOSFET的结构和工作原理
功率MOSFET的种类:
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为;耗尽型;当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道,增强型;对于N(P)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道,功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1.功率MOSFET的结构
功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示;其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同,但结构上有较大区别,小功率MOS管是横向导电器件,功率MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为VMOSFET,
(VerticalMOSFET),大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异,又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET),本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
功率MOSFET为多元集成结构,如国际整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六边形单元;西门子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形单元;摩托罗拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。
2.2.功率MOSFET的工作原理
截止:
漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J反偏,漏源极之间无电流流过。
1
导电:
在栅源极间加正电压U,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。
GS
但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面
当U大于U(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超GST
过空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结J消失,漏极和源极导电。
1
2.3.功率MOSFET的基本特性
2.3.1静态特性;其转移特性和输出特性如图2所示。
漏极电流I和栅源间电压U的关系称为MOSFET的转移特性,I较大时,DGSDI与U的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导GDGSfs
MOSFET的漏极伏安特性(输出特性):
截止区(对应于GTR的截止区);饱和区(对应于GTR的放大区);非饱和区(对应于GTR的饱和区)。
电力MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。
电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通。
电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。
2.3.2动态特性;其测试电路和开关过程波形如图3所示。
开通过程;开通延迟时间t-U前沿时刻到U=U并开始出现i的时刻间d(on)pGSTD的时间段;
上升时间t-U从U上升到MOSFET进入非饱和区的栅压U的时间段;rGSTGSP
i稳态值由漏极电源电压U和漏极负载电阻决定。
U的大小和i的稳态值DEGSPD有关,U达到U后,在u作用下继续升高直至达到稳态,但i已不变。
GSGSPpD
开通时间t-开通延迟时间与上升时间之和。
on
关断延迟时间t-U下降到零起,C通过R和R放电,U按指数曲线下d(off)pinSGGS降到U时,i开始减小为零的时间段。
GSPD
下降时间t-U从U继续下降起,i减小,到U
关断时间t-关断延迟时间和下降时间之和。
off
3.功率MOSFET驱动电路
功率MOSFET是电压型驱动器件,没有少数载流子的存贮效应,输入阻抗高,因而开关速度可以很高,驱动功率小,电路简单。
驱动通常要求:
触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度;?
开通时以低电阻力栅极电容充电,关断时为栅极提供低电阻放电回路,以提高功率MOSFET的开关速度;?
为了使功率MOSFET可靠触发导通,触发脉冲电压应高于管子的开启电压,为了防止误导通,在其截止时应提供负的栅源电压;?
功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流,功率管极间电容越大,所需电流越大,即带负载能力越大。
二、单相桥式无源逆变电路
1(无源逆变电路的基本定义及应用
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。
2(无源逆变电路的主要功能及工作原理
主要功能是将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。
2.1单相全桥无源逆变电路的工作原理如图1所示,图中Ud为直流电压电源,R为逆变器输出负载,T1,T1为四个高速开关。
该电路有两种工作状态
(1)当开关T1、T4闭合,T2、T3断开时,逆变器输出电压Uo=Ud;
(2)当开关T1、T4断开,T2、T3闭合时,逆变器输出电压Uo=-Ud;
当以频率fs交替切换开关T1、T4和T2、T3时,则在电阻R上获得如图所示的交变电压波形,其周期Ts=1/fs,这样,就将直流电压E变成了交流电压uo,uo含有各次谐波,如果想得到正弦波电压,则可通过滤波器滤波获得。
图1-1中主电路开关T1~T4,它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。
逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)
图1-1单相全桥无源逆变电路的工作原理
2.2单相半桥无源逆变电路的工作原理如图2所示
T1导通,T2截止T1截止,T2导通
UU,2UU,,2ddmm
1)T1,T2轮流导通,使直流变交流;
2)改变T1,T2的切换频率,便可改变输出交流的频率,即变频;
3)T1,T2不能同时导通,否则将出现直流电源短路—贯穿通路。
因此电压
型逆变器同一桥臂上、下两管的控制必须遵循“先断后开”原则。
图1-2单相全桥无源逆变电路的工作原理
三、参数计算及元器件选取
1)输入直流电压:
U=100V;d
2)输出功率:
300W;
3)输出电压波形:
1KHz方波。
3.1全桥无源逆变电路:
电压控制电压源VCVS1,VCVS4
脉冲电压源V1,V4
输出电压Uo=Ud=100V。
2RUP,,,33.3o
MOSFET选取ZVN3310F
品牌ZETEX型号ZVN3310F应用范围功率功率特性大功率频率特性超高频极性NPN型结构点接触型材料硅(Si)封装形式贴片型封装材料陶瓷封装截止频率fT1(MHz)集电极最大允许电流ICM1(A)集电极最大耗散功率PCM1(W)营销方式厂家直销
3.2半桥无源逆变电路:
输出电压Uo=Ud/2=50V
2RUP,,,8.33o
直流侧两个相互串联足够大的电容C1=C2=820uF
四、单相全桥无源逆变主电路的设计
采用全控型器件——功率场效应晶体管(MOSFET)取代上图的T1,T2,T3,T4。
得到如下图所示的单相桥式无源逆变电路。
一个MOSFETDC-AC全桥逆变电路如上图所示。
图中Uc为输入电源,电压为100V。
压控制电压源VCVS1,VCVS4和脉冲电压源V1,V4组成MOSFET功率开关管驱动电路。
Q1,Q4为MOSFET功率开关管,栅极受电压控制电压源VCVS1,VCVS4控制,电压控制电压源VCVS1,VCVS4受脉冲电压源V1,V4控制。
V1和V3驱动信号
V2和V4驱动信号
单相全桥无源逆变主电路的输出波形
单相半桥无源逆变主电路的设计
一个MOSFETDC-AC半桥逆变电路如上图所示。
图中Uc为输入电源,电压为100V。
压控制电压源VCVS2和VCVS3和脉冲电压源V1和V2组成MOSFET功率开关管驱动电路。
Q2和Q3为MOSFET功率开关管,栅极受电压控制电压源VCVS2和VCVS3控制,电压控制电压源VCVS2和VCVS3受脉冲电压源V1和V2控制。
V1驱动信号
V2驱动信号
单相半桥无源逆变主电路的输出波形
五、心得与总结
本次电力电子课程设计为MOSFET单相桥式无源逆变电路。
单相全桥和半桥为研究对象,理解其原理。
本次的课程设计需要查询大量的资料,通过本次设计,明白了不是任何东西都能在网络中轻易得到,还是需要自己的耐心寻找和筛选的。
同时在设计的过程使我对于Multisim这款软件从最开始的了解到后来能够简单操作。
通过本次课程设计使我明白了理论与实践相结合的重要性,只有理论知识是远远不够的。
只有把所学的理论知识与实践结合起来。
从实践中得出结论,提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在课程设计中发现了自己的许多不足之处,发现自己对之前所学的内容理解不够深刻,掌握不够牢固,有待加强。
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- 关 键 词:
- 单相 无源 电路