单相全桥和半桥无源逆变电路.doc

中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 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：Ud=100V；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：Ud=100V；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,20062、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：东南大学出版社，19993、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,20054、童诗白.模拟电子技术.北京:清华大学出版社, 20015、阎石.数字电子技术.北京:清华大学出版社, 19986、邱关源.电路.北京：高等教育出版社，19995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MOSFET1概述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。 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, （Vertical MOSFET），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（Vertical Double-diffused MOSFET），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（International Rectifier）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J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。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UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，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J1消失，漏极和源极导电。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ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导GfsMOSFET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td(on) -Up前沿时刻到UGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；上升时间tr- UGS从UT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton-开通延迟时间与上升时间之和。关断延迟时间td(off) -Up下降到零起，Cin通过RS和RG放电，UGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。下降时间tf- UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGS UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff-关断延迟时间和下降时间之和。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，T1T1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T1T4，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 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：Ud=100V；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VCVS1VCVS4脉冲电压源V1V4输出电压Uo=Ud=100V。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MOSFET DC-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VCVS1VCVS4和脉冲电压源V1V4组成MOSFET功率开关管驱动电路。Q1Q4为MOSFET功率开关管，栅极受电压控制电压源VCVS1VCVS4控制，电压控制电压源VCVS1VCVS4受脉冲电压源V1V4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MOSFET DC-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