MOSFET单相桥式无源逆变电路设计要点

目录

MOSFET和电压型无源逆变电路简介 (1)

1.MOSFET简介 (1)

2.电压型无源逆变电路简介 (1)

主电路图设计和参数计算 (2)

1.主电路图设计 (2)

2.相关参数计算 (2)

驱动电路的设计和选型 (4)

1.驱动电路简介 (4)

2.驱动电路的选用 (4)

电路的过电压保护和过电流保护设计 (5)

1.过电压保护 (5)

2.过电流保护 (7)

3.保护电路的选择以及参数计算 (8)

MATLAB仿真 (10)

1.主电路图以及参数设定 (10)

2.仿真结果 (14)

总结与体会 (15)

附录：电路图 (16)

一、MOSFET和电压型无源逆变电路的介绍

1.MOSFET简介

金属-氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为“N型”与“P型”的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。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.电压型无源逆变电路简介

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。

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。

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。

二、主电路图设计和参数计算

1.主电路图设计

图一：主电路图

电路采用全桥接法。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。

由于课程设计要求负载为纯电阻负载，则右端负载中没有电感和电容，且续流二极管中无电流流过。电路中V 1与V 4有驱动信号时，V 2和V 3无驱动信号；V 2与V 3有驱动信号时，V 1和V 4无驱动信号。两对桥臂各导通180o ，这样就把直流电转换成了交流电。

2.相关参数计算

输入直流电压V d 100U =,输出功率为200W ，输出电压波形为1KHz 方波。 该电路所有元件均视为理想器件，且每个MOS 管在半个周期内电压为0，半个周期内承受的电压为U d ，所以有：

V U U d o 100==

又因为W 200P =，所以有电阻：

Ω==502P

U R o 则输出电流有效值：

A U P o

2I == 晶闸管额定值计算。电流最大值：

A I o 2I max ==

额定电流取大于m ax I 即可。

最大反向电压:

V 100U max =

则额定电压:

V N 300~200100)3~2(U =⨯=

三、驱动电路的设计和选型

1.驱动电路简介

驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

●使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开

关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

●对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过

驱动电路实现。

驱动电路的基本任务：

●将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电

子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

●对半控型器件只需提供开通控制信号。

●对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

●光隔离一般采用光耦合器

●磁隔离的元件通常是脉冲变压器

图2：光耦合器的类型及接法

a) 普通型b) 高速型c) 高传输比型

2.驱动电路的选用

电力MOSFET是电压驱动型器件。电力MOSFET的栅源极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10～15V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电源（一般取-5～-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。本次课程设计的驱动电路采用如下电路。

图3：驱动电路

该驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。