基于MOSFET反偏和中點(diǎn)電壓偏移的半橋逆變器教學(xué)內(nèi)容研究

梅建偉++羅敏++田艷芳++劉杰++魏海波

摘要：在分析電壓型半橋逆變電路阻感性負(fù)載工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)分析方法存在的問(wèn)題，結(jié)合MOSFET的結(jié)構(gòu)，闡述了當(dāng)MOSFET反偏時(shí)柵源電源對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用。同時(shí)大多數(shù)教材在分析該電路時(shí)忽略了直流分壓電容中點(diǎn)電壓偏移，導(dǎo)致該電路工況分析的簡(jiǎn)單化，理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MOSFET反偏時(shí)柵極對(duì)導(dǎo)電溝道的控制能力以及考慮中點(diǎn)電壓偏移時(shí)等效電路，極大的豐富了電壓型半橋電路教學(xué)內(nèi)容和促進(jìn)了其應(yīng)用技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：半橋逆變；MOSFET反偏；直流分壓電容；中點(diǎn)電壓偏移

【中圖分類號(hào)】TM464

基金項(xiàng)目：電動(dòng)車用輪轂無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究 項(xiàng)目編號(hào)：ZDK2201401

在電壓型單相半橋逆變電路中，帶阻感性負(fù)載時(shí)，電感電流續(xù)流時(shí)絕大數(shù)教材認(rèn)為通過(guò)MOSFET寄生的二極管進(jìn)行續(xù)流，且當(dāng)電感電流降到0以后，與之對(duì)應(yīng)的MOSFET才開(kāi)通，同時(shí)在四種工況時(shí)其等效電路僅有四種，也就是每一種工況對(duì)應(yīng)一種等效電路，這種分析方法忽略了MOSFET反偏時(shí)柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用和直流分壓電容中點(diǎn)電壓偏移，導(dǎo)致電壓型半橋逆變電路阻感性負(fù)載教學(xué)內(nèi)容無(wú)法滿足其工程應(yīng)用的需要。

1 電壓型單相半橋逆變電路阻感性負(fù)載工作原理傳統(tǒng)分析

在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是直流電源的中點(diǎn)。半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)N—MOSFET和一個(gè)反并聯(lián)二極管（反并二極管看成是MOSFET寄生的二極管）組成。負(fù)載聯(lián)結(jié)在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。 設(shè)N溝道MOSFET Q1和Q2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)開(kāi)通信號(hào)相差 ，并且占空比為40%。當(dāng)負(fù)載為阻感性時(shí)，等效電路以及工作波形如下圖1、圖2所示：

圖1 單相電壓型半橋逆變器阻感性負(fù)載等效電路 圖2 工作波形圖

T1時(shí)刻，給Q1開(kāi)通信號(hào)，負(fù)載中的電流開(kāi)始增加，到t2時(shí)刻，Q1關(guān)斷，此時(shí)D2先導(dǎo)通續(xù)流，電流開(kāi)始減小，t3時(shí)刻電流減小到0，給Q2開(kāi)通信號(hào)，負(fù)載中的電流反向增加，t4時(shí)刻，Q2關(guān)斷，此時(shí)D1先導(dǎo)通續(xù)流，反向電流開(kāi)始減小，t5時(shí)刻電流減小到0，給Q1開(kāi)通信號(hào)，重復(fù)上述過(guò)程；上橋臂（Q1或者D1）導(dǎo)通，輸出電壓為 ，下橋臂（Q2或者D2）導(dǎo)通，輸出電壓為 。

2 電壓型單相半橋逆變電路傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容存在的問(wèn)題

2.1 沒(méi)有認(rèn)識(shí)到MOSFET漏源反偏時(shí)柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用

上橋臂MOSFET（Q1）關(guān)斷后，負(fù)載中的電流減小，利用下橋臂的二極管續(xù)流D2，當(dāng)電流降到0時(shí)，如果此時(shí)下橋臂MOSFET（Q2）有開(kāi)通信號(hào)，那么下橋臂MOSFET（Q2）開(kāi)通；在電流降到0以前，如果下橋臂MOSFET（Q2）有開(kāi)通信號(hào)，此時(shí)幾乎所有的教材都認(rèn)為此時(shí)MOSFET不開(kāi)通，主要是寄生的二極管導(dǎo)通，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：在電流降到0以前如果下橋臂MOSFET（Q2）有開(kāi)通信號(hào)，MOSFET（Q2）形成了導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)通壓降較寄生二極管導(dǎo)通時(shí)顯著減小。

2.2 直流分壓電容中點(diǎn)電壓偏移

四個(gè)不同工作狀態(tài)中，幾乎所有教材認(rèn)為每一個(gè)狀態(tài)只有一個(gè)等效電路，以上橋臂MOSFET（Q1）開(kāi)通時(shí)情況為例：電流的流通路徑為母線電壓正極—C—D—Q1—L—R—B—C2—母線電壓負(fù)極，這種分析是不全面的，沒(méi)有考慮到直流分壓電容中點(diǎn)電壓偏移而造成工況的復(fù)雜性。

3 電壓型單相半橋逆變電路教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1 MOSFET反偏時(shí)柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用

當(dāng)MOSFET有開(kāi)通信號(hào)時(shí)，無(wú)論此時(shí)MOSFET是正偏還是反偏，形成了導(dǎo)電溝通，寄生的PN結(jié)消失，MOSFET的導(dǎo)通壓降顯著減小，因此在MOSFET等效的電路分析中，當(dāng)MOSFET有開(kāi)通信號(hào)時(shí)，不論MOSFET漏源是正偏還是反偏，都是MOSFET導(dǎo)通，而不是寄生的二極管導(dǎo)通。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：直流電壓為50V，直流側(cè)電容為330UF/100V，電感L=1mH，負(fù)載電阻R=20Ω，脈沖頻率為100Hz，占空比為40%，MOSFET的源極接電源正極，漏極接負(fù)載，MOSFET的導(dǎo)通電阻為0.1Ω，寄生二極管正向?qū)▔航禐?.3V，仿真模型和工作波形圖如下圖3和圖4所示：

從上圖4可以看出：當(dāng)MOSFET沒(méi)有開(kāi)通信號(hào)時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通壓降為寄生二極管的壓降1.3V，當(dāng)MOSFET有開(kāi)通信號(hào)時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通壓降為通態(tài)電阻與MOSFET導(dǎo)通電流的乘積，即在MOSFET漏源反向偏置時(shí)，柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道仍然有控制作用。

3.2、直流分壓電容中點(diǎn)電壓偏移

根據(jù)單相半橋逆變電路帶阻感性負(fù)載的等效電路，在圖1中假定直流母線電壓 保持恒定，有：

當(dāng) ， 時(shí)：

，

。

故： 。

對(duì)節(jié)點(diǎn)B由基爾霍夫電流定律： 。

故： 。

由上述計(jì)算可知：對(duì)于直流分壓電容而言，一個(gè)電容充電，另一個(gè)電容一定放電，造成直流分壓電容中點(diǎn)電壓偏移，每一種工作狀態(tài)中電感中電流一方面對(duì)一個(gè)電容充電，另一方面另一個(gè)電容又通過(guò)電感進(jìn)行放電，因此傳統(tǒng)的分析方法中認(rèn)為每一種工況中只有一個(gè)等效電路的情況與實(shí)際工況不符；以第一種工作狀態(tài)為例，在 時(shí)間段內(nèi)，上橋臂MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載中的電流增加，此時(shí)的等效電路如下圖5所示：

上圖分析了第一種工作狀態(tài)時(shí)電壓型半橋逆變電路帶阻感性負(fù)載時(shí)等效電路，后續(xù)的三種工作狀態(tài)的每一種工作狀態(tài)都有兩種等效電路，其電流的流向均可以按照上述方法進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

1）、MOSFET的漏源無(wú)論正偏還是反偏，柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道均具有控制作用，只要柵源電壓大于其開(kāi)啟電壓，半導(dǎo)體反型，PN結(jié)消失，導(dǎo)電溝道形成，MOSFET的導(dǎo)通壓降大大降低；

2）、結(jié)論1不僅僅在半橋逆變電路成立，在所有MOSFET漏源反偏情況下，柵極對(duì)MOSFET的導(dǎo)電溝道均具有控制作用；

3）、單相電壓型半橋逆變電路帶阻感性負(fù)載時(shí)，由于直流分壓電容中點(diǎn)電壓的偏移，四種工作狀態(tài)中每一種工作狀態(tài)電流的流通路徑均有兩條流通路徑，在電壓型全橋逆變電路中不存在這種情況。

參考文獻(xiàn)

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社，2003.

作者簡(jiǎn)介：梅建偉，男，1978.10，副教授，碩士研究生，主要從事電力電子變換技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)方面的研究。