單相半橋無(wú)源逆變電路的設(shè)計(jì)word文檔(已修改)
2025-05-23 18:08 本頁(yè)面
【正文】 1 單相半橋無(wú)源逆變電路的設(shè)計(jì) 1 概述 課題背景和意義 功率 MOSFET(金屬－氧化物 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 )是最重要的一種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ,除此之外還有 MISFET、 MESFET、 JFET 等幾種。功率 MOSFET 為功率集成器件，內(nèi)含數(shù)百乃至上萬(wàn)個(gè)相互并聯(lián)的 MOSFET 單元。為提高其集成度和耐壓性 ,大都采用垂直結(jié)構(gòu) (即 VMOS)，如 VVMOS（ V 型槽結(jié)構(gòu)）、 VUMOS、SIPMOS 等。 圖 1 如 圖 1 顯示了一種 SIPMOS（ n溝道增強(qiáng)型功率 MOSFET）的部分剖面結(jié)構(gòu)。其柵極用導(dǎo)電的多晶硅制成 ,柵極與半導(dǎo)體之間有一層二氧化硅薄膜 ,柵極與源極位于硅片的同一面，漏極則在背面。從總體上看，漏極電流垂直地流過(guò)硅片，漏極和源極間電壓也加在硅片的兩個(gè)面之間。 該器件屬于耗盡型 n 溝道的功率MOSFET，其源極和漏極之間有一 n 型導(dǎo)電溝道 ,改變柵極對(duì)源極的電壓，可以控制通過(guò)溝道的電流大小。耗盡型器件在其柵極電壓為零時(shí)也存在溝道，而增強(qiáng)型器件一定要施加?xùn)艠O電壓才有溝道出現(xiàn)。與 n 溝道器件對(duì)應(yīng) ,還有 p 溝道的功率 MOSFET。 2 圖 2 圖 2 為圖 1 所示 SIPMOS 的輸出特性。它表明了柵極的控制作用及不同柵極電壓下，漏極電流與漏極電壓之間的關(guān)系。圖 2 中，在非飽和區(qū) (Ⅰ ),源極和漏極間相當(dāng)于一個(gè)小電阻； 在亞閾值區(qū) (Ⅲ )則表現(xiàn)為開(kāi)路；在飽和區(qū) (Ⅱ )，器件具有放大作用。 功率 MOSFET 屬于電壓型控制器件。它依靠多數(shù)載流子工作 ,因而具有許多優(yōu)點(diǎn) :能與集成電路直接相連；開(kāi)關(guān)頻率可在數(shù)兆赫以上（可達(dá) 100MHz），比雙極型功率晶體管 (GTR)至少高 10 倍；導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù) ,器件不易發(fā)生二次擊穿 ,易于并聯(lián)工作。與 GTR 相比，功率 MOSFET 的導(dǎo)通電阻較大，電流密度不易提高，在 100kHz 以下頻率工作時(shí) ,其功率損耗高于 GTR。此外，由于導(dǎo)電溝道很窄（微米級(jí)） ,單元尺寸精細(xì)，其制作也較 GTR 困難。在 80 年代中期 ,功率 MOSFET 的容量還不大（有 100A/60V， 75A/100V， 5A/1000V 等幾種）。 功率 MOSFET 是 70 年代末開(kāi)始應(yīng)用的新型電力電子器件，適合于數(shù)千瓦以下的電力電子裝置，能顯著縮小裝置的體積并提高其性能，預(yù)期將逐步取代同容量的 GTR。功率 MOSFET 的發(fā)展趨勢(shì)是提高容量，普及應(yīng)用，與其他器件結(jié)合構(gòu)成復(fù)合管，將多個(gè)元件制成組件和模塊，進(jìn)而與控制線路集成在一個(gè)模塊中（這將會(huì)更新電力電子線路的概念）。此外，隨著頻率的進(jìn)一步提高，將出現(xiàn)能工作在微波領(lǐng)域的大容量功率 MOSFET。 同時(shí)運(yùn)用 MOSFET 晶體管來(lái)進(jìn)行電路的整流和逆變有很大的優(yōu)點(diǎn) 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ VF）又稱 VMOS 場(chǎng)效應(yīng)管。在實(shí)際應(yīng)用中，它有著比晶體管和 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管更好的特性。即是在大功率范圍應(yīng)用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它也稱作功率MOSFET，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1. 具有較高的開(kāi)關(guān)速度。 2. 具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，并且具有正的電阻溫度系數(shù)，因此適合進(jìn)行并聯(lián)使用。 3. 具有較高的可靠性。 4. 具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。短時(shí)過(guò)載能力通常額定值的 4 倍。 3 5. 具有較高的開(kāi)啟電壓，即是閾值電壓，可達(dá) 2~6V(一般在 ~5V 之間）。當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí)，可以選 用閾值電壓較高的管子，以提高抗干擾能力；反之，當(dāng)噪聲較低時(shí)，選用閾值電壓較低的管子，以降低所需的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓。給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大地方便。 6. 由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此其驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較低。 由于這些明顯的優(yōu)點(diǎn)，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管在電機(jī)調(diào)速，開(kāi)關(guān)電源等各種領(lǐng)域應(yīng)用的非常廣泛。 4 2 主電路的設(shè)計(jì) 整流部分主電路設(shè)計(jì) 單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖 u 1Tu 2u dRi dab V T 1V T 3V T 2 V T 4i 2 圖 在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1和 VT4組成一對(duì)橋臂， VT2和 VT3 組成另一對(duì)橋臂。在 u2正半周（即 a 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位），若 4 個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流 id為零， ud也為零， VT VT4串聯(lián)承受電壓 u2，設(shè) VT1和 VT4的漏電阻相等，則各承受 u2的一半。若在觸發(fā)角α處給 VT1 和 VT4加觸發(fā)脈沖， VTVT4即導(dǎo)通，電流從 a端經(jīng) VT R、 VT4流回電源 b 端。當(dāng) u2為零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零， VT1和 VT4關(guān)斷。 在 u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角α處 觸發(fā) VT2和 VT3（ VT2和 VT3的α =0 處為ωt=π）， VT2和 VT3導(dǎo)通，電流從電源的 b端流出，經(jīng) VT R、 VT2流回電源 a 端。到 u2 過(guò)零時(shí)，電流又降為零， VT2和 VT3關(guān)斷。此后又是 VT1 和 VT4 導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去，整流電壓 ud 和晶閘管 VT VT4兩端的電壓波形如下圖（ 2）所示。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為 22 U2和 2 U2。 工作原理 第 1階段（ 0~ω t1）：這階段 u2在正半周期， a點(diǎn)電位高于 b點(diǎn)電位晶閘管VT1和 VT2方向串聯(lián)后于 u2連接， VT1承受正向電壓為 u2/2， VT2承受 u2/2 的反向電壓；同樣 VT3和 VT4反向串聯(lián)后與 u2連接， VT3承受 u2/2 的正向電壓， VT4承受u2/2 的反向電壓。雖然 VT1和 VT3受正向電壓，但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載沒(méi)有電流通過(guò)，所以 Ud=0， id=0。 第 2階段（ω t1 ~π）：在ω t1 時(shí)同時(shí)觸發(fā) VT1和 VT3，由于
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