单相半桥无源逆变电路的设计

基于MOSFET的单相半桥无源逆变电路的设计

设计目的：1·掌握单相桥式全控桥整流电路和单相半桥无源逆变电路的工作原理，进行结合完成交-直-交电路的设计；

2·熟悉两种电路的拓扑，控制方法；

3·掌握两种电路的主电路，驱动电路，保护电路的设计方法，元器件参数的计算方法；

4·培养一定的电力电子的实验和调试能力；

5·培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；

2·加深理解《电力电子技术》课程的基本理论；

设计指标：MOSFET电压型单相半桥无源逆变电路设计（纯电阻负载）

（1）输入直流电压：Ui=200V

（2）输出功率：500W

（3）输出电压波形：1KHz方波

总体目标及任务：选择整流电路，计算整流变压器额定参数，选择全控器件的额定电压电流，计算平波电抗器感值，设计保护电路，全控器件触发电路的设计，画出主电路原理图和控制电路原理图，进行Matlab的仿真，画出输出电压，电流模拟图。

1·主电路的设计：

（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）：

id

R

图（1）

在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2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，VT1、VT4串联承受电压u2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当u2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。

在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3（VT2和VT3的α=0处为ωt=π），VT2和VT3导通，电流从电源的b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3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=u2，i d=i VT2=i VT4=i2=u d/R。由于VT2和VT4导通，VT2和VT4承受u2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）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。

（3）控制电路的设计：

控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于逆变电路中功率器件的通断，通过对逆变角的调节而达到对逆变后的交流电压的调节。我们采用PWM控制方法，进行连续控制，我们采用了SG3525芯片，它是一款专用的PWM控制集成芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源，锯齿波振荡器，误差放大器，比较器，分频器和保护电路等。

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

SG3525的结构和工作原理:

引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

引脚4)：振荡器输出端。

(引脚5)：振荡器定时电容接入端。