单相半桥无源逆变电路的设计文档

1概述

1.1课题背景和意义

功率MOSFET(金属－氧化物-半导体场效应晶体管)是最重要的一种功率场效应晶体管,除此之外还有MISFET、MESFET、JFET等几种。功率MOSFET为功率集成器件，内含数百乃至上万个相互并联的MOSFET单元。为提高其集成度和耐压性,大都采用垂直结构(即VMOS)，如VVMOS（V型槽结构）、VUMOS、SIPMOS等。

图1

如图1显示了一种SIPMOS（n沟道增强型功率MOSFET）的部分剖面结构。其栅极用导电的多晶硅制成,栅极与半导体之间有一层二氧化硅薄膜,栅极与源极位于硅片的同一面，漏极则在背面。从总体上看，漏极电流垂直地流过硅片，漏极和源极间电压也加在硅片的两个面之间。该器件属于耗尽型n沟道的功率MOSFET，其源极和漏极之间有一n型导电沟道,改变栅极对源极的电压，可以控制通过沟道的电流大小。耗尽型器件在其栅极电压为零时也存在沟道，而增强型器件一定要施加栅极电压才有沟道出现。与n沟道器件对应,还有p沟道的功率MOSFET。

图2

图2为图1所示SIPMOS的输出特性。它表明了栅极的控制作用及不同栅极电压下，漏极电流与漏极电压之间的关系。图2中，在非饱和区(Ⅰ),源极和漏极间相当于一个小电阻；在亚阈值区(Ⅲ)则表现为开路；在饱和区(Ⅱ)，器件具有放大作用。

功率MOSFET属于电压型控制器件。它依靠多数载流子工作,因而具有许多优点:能与集成电路直接相连；开关频率可在数兆赫以上（可达100MHz），比双极型功率晶体管(GTR)至少高10倍；导通电阻具有正温度系数,器件不易发生二次击穿,易于并联工作。与GTR相比，功率MOSFET的导通电阻较大，电流密度不易提高，在100kHz以下频率工作时,其功率损耗高于GTR。此外，由于导电沟道很窄（微米级）,单元尺寸精细，其制作也较GTR困难。在80年代中期,功率MOSFET的容量还不大（有100A/60V，75A/100V，5A/1000V等几种）。功率MOSFET是70年代末开始应用的新型电力电子器件，适合于数千瓦以下的电力电子装置，能显著缩小装置的体积并提高其性能，预期将逐步取代同容量的GTR。功率MOSFET的发展趋势是提高容量，普及应用，与其他器件结合构成复合管，将多个元件制成组件和模块，进而与控制线路集成在一个模块中（这将会更新电力电子线路的概念）。此外，随着频率的进一步提高，将出现能工作在微波领域的大容量功率MOSFET。

同时运用MOSFET晶体管来进行电路的整流和逆变有很大的优点功率场效应晶体管（VF）又称VMOS场效应管。在实际应用中，它有着比晶体管和MOS场效应管更好的特性。即是在大功率范围应用的场效应晶体管，它也称作功率MOSFET，其优点表现在以下几个方面：

1. 具有较高的开关速度。

2. 具有较宽的安全工作区而不会产生热点，并且具有正的电阻温度系数，因此适合进行并联使用。

3. 具有较高的可靠性。

4. 具有较强的过载能力。短时过载能力通常额定值的4倍。

5. 具有较高的开启电压，即是阈值电压，可达2~6V(一般在1.5V~5V之间）。当环境噪声较高时，可以选用阈值电压较高的管子，以提高抗干扰能力；反之，当噪声较低时，选用阈值电压较低的管子，以降低所需的输入驱动信号电压。给电路设计带来了极大地方便。

6. 由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此其驱动功率很小，对驱动电路要求较低。

由于这些明显的优点，功率场效应晶体管在电机调速，开关电源等各种领域应用的非常广泛。

2主电路的设计

2.1整流部分主电路设计

单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图1.1

R

id

图2.1

在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT 1和VT 4组成一对桥臂，VT 2和VT 3 组成另一对桥臂。在u 2正半周（即a 点电位高于b 点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流i d 为零，u d 也为零，VT 1、VT 4串联承受电压u 2，设VT 1和VT 4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT 4加触发脉冲，VT 1、VT 4即导通，电流从a 端经VT 1、R 、VT 4流回电源b 端。当u 2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT 1和VT 4关断。

在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT 2和VT 3（VT 2和VT 3的α=0处为ωt=π），VT 2和VT 3导通，电流从电源的b 端流出，经VT 3、R 、VT 2流回电源a 端。到u2过零时，电流又降为零，VT 2和VT 3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud 和晶闸管VT 1、VT 4两端的电压波形如下图（2）所

示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为2

2

U 2和2U 2。

工作原理

第1阶段（0~ωt 1）：这阶段u2在正半周期，a 点电位高于b 点电位晶闸管VT 1和VT 2方向串联后于u 2连接，VT 1承受正向电压为u 2/2，VT 2承受u 2/2的反向电压；同样VT 3和VT 4反向串联后与u 2连接，VT 3承受u 2/2的正向电压，VT 4承受u 2/2的反向电压。虽然VT 1和VT 3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以U d =0，i d =0。

第2阶段（ωt 1 ~π）：在ωt 1 时同时触发VT 1和VT 3，由于VT 1和VT 3受正向电压而导通，有电流经a 点→VT 1→R →VT 3→变压器b 点形成回路。在这段区间里，u d =u 2，i d =i VT1=i VT3=u d /R 。由于VT 1和VT 3导通，忽略管压降，u VT1=u VT2=0，而承受的电压为u VT2=u VT4=u 2。

第3阶段（π~ωt 2 ）：从ωt=π开始u2进入了负半周期，b 点电位高于a 点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT 1~VT 4都不导通，各晶闸管承受u 2/2的电压，但VT 1和VT 3承受的事反向电压，VT 2和VT 4承受的是正向电压，负载没有电流通过，u d =0，i d =i 2=0。

第4阶段（ωt 2 ~π）：在ωt 2 时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b 点→VT 2→R →VT 4→a 点，在这段区间里，u d =u 2，i d =i VT2=i VT4=i 2=u d /R 。由于VT 2和VT 4导通，VT 2和VT 4承受u 2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。

2.2逆变部分主电路设计

如图所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个全控器件和一个二极管反并联而成。在直流侧有两个相互串联的大电容，两个电容的中点为直流电源中点。负载接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。

开关器件设为V1和V2，当负载为感性时，输出为矩形波，Um=Ud/2. 刚开始V1为通态，V2为断态，给V1关断信号，V2开通信号后，V1关断，但由于感性负载，电流方向不能立即改变，就沿着VD2续流，直到电流为零时VD2截止，V2开通，电流开始反向。依此原理，V1和V2交替导通，VD1和VD2交替续流。

此电路优点在于结构简单，使用器件少，缺点是输出交流电压幅值仅为Ud/2。