论文部分内容阅读
摘要：在分析电压型半桥逆变电路阻感性负载工作原理的基础上，针对传统分析方法存在的问题，结合MOSFET的结构，阐述了当MOSFET反偏时栅源电源对导电沟道的控制作用。同时大多数教材在分析该电路时忽略了直流分压电容中点电压偏移，导致该电路工况分析的简单化，理论推导和实验结果表明，MOSFET反偏时栅极对导电沟道的控制能力以及考虑中点电压偏移时等效电路，极大的丰富了电压型半桥电路教学内容和促进了其应用技术研究。
关键词：半桥逆变；MOSFET反偏；直流分压电容；中点电压偏移
【中图分类号】TM464
基金项目：电动车用轮毂无刷电机驱动系统关键基础问题研究 项目编号：ZDK2201401
在电压型单相半桥逆变电路中，带阻感性负载时，电感电流续流时绝大数教材认为通过MOSFET寄生的二极管进行续流，且当电感电流降到0以后，与之对应的MOSFET才开通，同时在四种工况时其等效电路仅有四种，也就是每一种工况对应一种等效电路，这种分析方法忽略了MOSFET反偏时栅源电压对导电沟道的控制作用和直流分压电容中点电压偏移，导致电压型半桥逆变电路阻感性负载教学内容无法满足其工程应用的需要。
1 电压型单相半桥逆变电路阻感性负载工作原理传统分析
在直流侧接有两个相互串联的电容，兩个电容的联结点是直流电源的中点。半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个N—MOSFET和一个反并联二极管（反并二极管看成是MOSFET寄生的二极管）组成。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 设N沟道MOSFET Q1和Q2栅极信号在一周期内开通信号相差 ，并且占空比为40%。当负载为阻感性时，等效电路以及工作波形如下图1、图2所示：
图1 单相电压型半桥逆变器阻感性负载等效电路 图2 工作波形图
T1时刻，给Q1开通信号，负载中的电流开始增加，到t2时刻，Q1关断，此时D2先导通续流，电流开始减小，t3时刻电流减小到0，给Q2开通信号，负载中的电流反向增加，t4时刻，Q2关断，此时D1先导通续流，反向电流开始减小，t5时刻电流减小到0，给Q1开通信号，重复上述过程；上桥臂（Q1或者D1）导通，输出电压为 ，下桥臂（Q2或者D2）导通，输出电压为 。
2 电压型单相半桥逆变电路传统教学内容存在的问题
2.1 没有认识到MOSFET漏源反偏时栅源电压对导电沟道的控制作用
上桥臂MOSFET（Q1）关断后，负载中的电流减小，利用下桥臂的二极管续流D2，当电流降到0时，如果此时下桥臂MOSFET（Q2）有开通信号，那么下桥臂MOSFET（Q2）开通；在电流降到0以前，如果下桥臂MOSFET（Q2）有开通信号，此时几乎所有的教材都认为此时MOSFET不开通，主要是寄生的二极管导通，经试验验证发现：在电流降到0以前如果下桥臂MOSFET（Q2）有开通信号，MOSFET（Q2）形成了导电沟道，其导通压降较寄生二极管导通时显著减小。
2.2 直流分压电容中点电压偏移
四个不同工作状态中，几乎所有教材认为每一个状态只有一个等效电路，以上桥臂MOSFET（Q1）开通时情况为例：电流的流通路径为母线电压正极—C—D—Q1—L—R—B—C2—母线电压负极，这种分析是不全面的，没有考虑到直流分压电容中点电压偏移而造成工况的复杂性。
3 电压型单相半桥逆变电路教学内容设计
3.1 MOSFET反偏时栅源电压对导电沟道的控制作用
当MOSFET有开通信号时，无论此时MOSFET是正偏还是反偏，形成了导电沟通，寄生的PN结消失，MOSFET的导通压降显著减小，因此在MOSFET等效的电路分析中，当MOSFET有开通信号时，不论MOSFET漏源是正偏还是反偏，都是MOSFET导通，而不是寄生的二极管导通。
实验参数：直流电压为50V，直流侧电容为330UF/100V，电感L=1mH，负载电阻R=20Ω，脉冲频率为100Hz，占空比为40%，MOSFET的源极接电源正极，漏极接负载，MOSFET的导通电阻为0.1Ω，寄生二极管正向导通压降为1.3V，仿真模型和工作波形图如下图3和图4所示：
从上图4可以看出：当MOSFET没有开通信号时，MOSFET的导通压降为寄生二极管的压降1.3V，当MOSFET有开通信号时，MOSFET的导通压降为通态电阻与MOSFET导通电流的乘积，即在MOSFET漏源反向偏置时，栅源电压对导电沟道仍然有控制作用。
3.2、直流分压电容中点电压偏移
根据单相半桥逆变电路带阻感性负载的等效电路，在图1中假定直流母线电压 保持恒定，有：
当 ， 时：
，
。
故： 。
对节点B由基尔霍夫电流定律： 。
故： 。
由上述计算可知：对于直流分压电容而言，一个电容充电，另一个电容一定放电，造成直流分压电容中点电压偏移，每一种工作状态中电感中电流一方面对一个电容充电，另一方面另一个电容又通过电感进行放电，因此传统的分析方法中认为每一种工况中只有一个等效电路的情况与实际工况不符；以第一种工作状态为例，在 时间段内，上桥臂MOSFET导通，负载中的电流增加，此时的等效电路如下图5所示：
上图分析了第一种工作状态时电压型半桥逆变电路带阻感性负载时等效电路，后续的三种工作状态的每一种工作状态都有两种等效电路，其电流的流向均可以按照上述方法进行分析。
4 结论
1）、MOSFET的漏源无论正偏还是反偏，栅源电压对导电沟道均具有控制作用，只要栅源电压大于其开启电压，半导体反型，PN结消失，导电沟道形成，MOSFET的导通压降大大降低；
2）、结论1不仅仅在半桥逆变电路成立，在所有MOSFET漏源反偏情况下，栅极对MOSFET的导电沟道均具有控制作用；
3）、单相电压型半桥逆变电路带阻感性负载时，由于直流分压电容中点电压的偏移，四种工作状态中每一种工作状态电流的流通路径均有两条流通路径，在电压型全桥逆变电路中不存在这种情况。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版
社，2003.
作者简介：梅建伟，男，1978.10，副教授，硕士研究生，主要从事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。
关键词：半桥逆变；MOSFET反偏；直流分压电容；中点电压偏移
【中图分类号】TM464
基金项目：电动车用轮毂无刷电机驱动系统关键基础问题研究 项目编号：ZDK2201401
在电压型单相半桥逆变电路中，带阻感性负载时，电感电流续流时绝大数教材认为通过MOSFET寄生的二极管进行续流，且当电感电流降到0以后，与之对应的MOSFET才开通，同时在四种工况时其等效电路仅有四种，也就是每一种工况对应一种等效电路，这种分析方法忽略了MOSFET反偏时栅源电压对导电沟道的控制作用和直流分压电容中点电压偏移，导致电压型半桥逆变电路阻感性负载教学内容无法满足其工程应用的需要。
1 电压型单相半桥逆变电路阻感性负载工作原理传统分析
在直流侧接有两个相互串联的电容，兩个电容的联结点是直流电源的中点。半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个N—MOSFET和一个反并联二极管（反并二极管看成是MOSFET寄生的二极管）组成。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 设N沟道MOSFET Q1和Q2栅极信号在一周期内开通信号相差 ，并且占空比为40%。当负载为阻感性时，等效电路以及工作波形如下图1、图2所示：
图1 单相电压型半桥逆变器阻感性负载等效电路 图2 工作波形图
T1时刻，给Q1开通信号，负载中的电流开始增加，到t2时刻，Q1关断，此时D2先导通续流，电流开始减小，t3时刻电流减小到0，给Q2开通信号，负载中的电流反向增加，t4时刻，Q2关断，此时D1先导通续流，反向电流开始减小，t5时刻电流减小到0，给Q1开通信号，重复上述过程；上桥臂（Q1或者D1）导通，输出电压为 ，下桥臂（Q2或者D2）导通，输出电压为 。
2 电压型单相半桥逆变电路传统教学内容存在的问题
2.1 没有认识到MOSFET漏源反偏时栅源电压对导电沟道的控制作用
上桥臂MOSFET（Q1）关断后，负载中的电流减小，利用下桥臂的二极管续流D2，当电流降到0时，如果此时下桥臂MOSFET（Q2）有开通信号，那么下桥臂MOSFET（Q2）开通；在电流降到0以前，如果下桥臂MOSFET（Q2）有开通信号，此时几乎所有的教材都认为此时MOSFET不开通，主要是寄生的二极管导通，经试验验证发现：在电流降到0以前如果下桥臂MOSFET（Q2）有开通信号，MOSFET（Q2）形成了导电沟道，其导通压降较寄生二极管导通时显著减小。
2.2 直流分压电容中点电压偏移
四个不同工作状态中，几乎所有教材认为每一个状态只有一个等效电路，以上桥臂MOSFET（Q1）开通时情况为例：电流的流通路径为母线电压正极—C—D—Q1—L—R—B—C2—母线电压负极，这种分析是不全面的，没有考虑到直流分压电容中点电压偏移而造成工况的复杂性。
3 电压型单相半桥逆变电路教学内容设计
3.1 MOSFET反偏时栅源电压对导电沟道的控制作用
当MOSFET有开通信号时，无论此时MOSFET是正偏还是反偏，形成了导电沟通，寄生的PN结消失，MOSFET的导通压降显著减小，因此在MOSFET等效的电路分析中，当MOSFET有开通信号时，不论MOSFET漏源是正偏还是反偏，都是MOSFET导通，而不是寄生的二极管导通。
实验参数：直流电压为50V，直流侧电容为330UF/100V，电感L=1mH，负载电阻R=20Ω，脉冲频率为100Hz，占空比为40%，MOSFET的源极接电源正极，漏极接负载，MOSFET的导通电阻为0.1Ω，寄生二极管正向导通压降为1.3V，仿真模型和工作波形图如下图3和图4所示：
从上图4可以看出：当MOSFET没有开通信号时，MOSFET的导通压降为寄生二极管的压降1.3V，当MOSFET有开通信号时，MOSFET的导通压降为通态电阻与MOSFET导通电流的乘积，即在MOSFET漏源反向偏置时，栅源电压对导电沟道仍然有控制作用。
3.2、直流分压电容中点电压偏移
根据单相半桥逆变电路带阻感性负载的等效电路，在图1中假定直流母线电压 保持恒定，有：
当 ， 时：
，
。
故： 。
对节点B由基尔霍夫电流定律： 。
故： 。
由上述计算可知：对于直流分压电容而言，一个电容充电，另一个电容一定放电，造成直流分压电容中点电压偏移，每一种工作状态中电感中电流一方面对一个电容充电，另一方面另一个电容又通过电感进行放电，因此传统的分析方法中认为每一种工况中只有一个等效电路的情况与实际工况不符；以第一种工作状态为例，在 时间段内，上桥臂MOSFET导通，负载中的电流增加，此时的等效电路如下图5所示：
上图分析了第一种工作状态时电压型半桥逆变电路带阻感性负载时等效电路，后续的三种工作状态的每一种工作状态都有两种等效电路，其电流的流向均可以按照上述方法进行分析。
4 结论
1）、MOSFET的漏源无论正偏还是反偏，栅源电压对导电沟道均具有控制作用，只要栅源电压大于其开启电压，半导体反型，PN结消失，导电沟道形成，MOSFET的导通压降大大降低；
2）、结论1不仅仅在半桥逆变电路成立，在所有MOSFET漏源反偏情况下，栅极对MOSFET的导电沟道均具有控制作用；
3）、单相电压型半桥逆变电路带阻感性负载时，由于直流分压电容中点电压的偏移，四种工作状态中每一种工作状态电流的流通路径均有两条流通路径，在电压型全桥逆变电路中不存在这种情况。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版
社，2003.
作者简介：梅建伟，男，1978.10，副教授，硕士研究生，主要从事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。