MOSFET单相全桥无源逆变电路要点

电力电子技术课程设计说明书

MOSFET单相桥式无源逆变电路设计

（纯电阻负载）

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：王翠职称副教授

专业：自动化

班级：自本1004班

完成时间：2013-5-24

本次基于MOSFET的单相桥式无源逆变电路的课程设计，主要涉及MOSFET的工作原理、全桥的工作特性和无源逆变的性能。本次所设计的单相全桥逆变电路采用MOSFET作为开关器件，将直流电压Ud 逆变为频率为1KHZ的方波电压，并将它加到纯电阻负载两端。

本次课程设计的原理图仿真是基于MATLZB的SIMULINK，由于MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，使得仿真电路相对较为简便，不影响结果输出。设计主要是对电阻负载输出电流、电压与器件MOSFET输出电压的波形仿真。

关键词：单相；全桥；无源；逆变；MOSFET;

1 MOSFET的介绍及工作原理 (4)

2 电压型无源逆变电路的特点及主要类型 (5)

2.1电压型与电流型的区别 (5)

2.2逆变电路的分类 (5)

2.3有源与无源的区别 (5)

3 电压型无源逆变电路原理分析 (6)

4 主电路设计及参数选择 (7)

4.1主电路仿真图 (7)

4.2参数计算 (7)

4.3参数设置 (8)

5 仿真电路结果与分析 (11)

5.1触发电平的波形图 (11)

5.2电阻负载输出波形图 (12)

5.3器件MOSFET的输出波形图 (12)

5.4仿真波形分析 (14)

6 总结 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

1 MOSFET的介绍及工作原理

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor 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（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率 MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——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。

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和增强型，当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；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的称为增强型；功率 MOSFET主要是N沟道增强型。本次设计采用N沟道增强型。

2 电压型无源逆变电路的特点及主要类型

2.1 电压型与电流型的区别

根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。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。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。又称为续流二极管。

2.2 逆变电路的分类

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。

2.3 有源与无源的区别

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。

3 电压型无源逆变电路原理分析

单相逆变电路主要采用桥式接法。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。可以看成由两个半桥电路组合而成。其基本电路连接图如下所示：

图1 电压型全桥无源逆变电路的电路图

由于采用功率场效应晶体管（MOSFET）来设计,如图1的单相桥式电压型无源逆变电路，此课程设计为电阻负载，故应将IGBT用MOSFET代替，RLC负载中电感、电容的值设为零。此电路由两对桥臂组成，V1和V4与V2和V3两对桥臂各导通180度。再加上采用了移相调压法，所以VT3的基极信号落后于VT1的90度，VT4的基极信号落后于VT2的90度。因为是电阻负载，故晶体管均没有续流作用。输出电压和电流的波形相同，均为90度正值、90度零、90度负值、90度零……这样一直循环下去。

4 主电路设计及参数选择

4.1 主电路仿真图

在本次设计中，主要采用单相全桥式无源逆变电路(电阻负载)作为设计的主电路。由于软件上的电源等器件都是理想器件，故可将直流侧并联的大电容直接去掉。由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如下所示：

图2 MOSFET单相全桥无源逆变电路（电阻负载）电路

4.2 参数计算

电阻负载，直流侧输入电压=100V, 脉宽为θ=90°的方波，输出功率为300W，电容和电感都设置为理想零状态。频率为1000Hz

由频率为1000Hz即可得出周期为T=0.001s，由于V3的基波信号比V1的落后了90度（即相当1/4个周期）。

通过换算得：