基于MOSFET反偏和中點電壓偏移的半橋逆變器教學內容研究

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載工作原理的基礎上，針對傳統分析方法存在的問題，結合MOSFET的結構，闡述了當MOSFET反偏時柵源電源對導電溝道的控制作用。同時大多數教材在分析該電路時忽略了直流分壓電容中點電壓偏移，導致該電路工況分析的簡單化，理論推導和實驗結果表明，MOSFET反偏時柵極對導電溝道的控制能力以及考慮中點電壓偏移時等效電路，極大的豐富了電壓型半橋電路教學內容和促進了其應用技術研究。

關鍵詞：半橋逆變；MOSFET反偏；直流分壓電容；中點電壓偏移

【中圖分類號】TM464

基金項目：電動車用輪轂無刷電機驅動系統關鍵基礎問題研究 項目編號：ZDK2201401

在電壓型單相半橋逆變電路中，帶阻感性負載時，電感電流續流時絕大數教材認為通過MOSFET寄生的二極管進行續流，且當電感電流降到0以后，與之對應的MOSFET才開通，同時在四種工況時其等效電路僅有四種，也就是每一種工況對應一種等效電路，這種分析方法忽略了MOSFET反偏時柵源電壓對導電溝道的控制作用和直流分壓電容中點電壓偏移，導致電壓型半橋逆變電路阻感性負載教學內容無法滿足其工程應用的需要。

1 電壓型單相半橋逆變電路阻感性負載工作原理傳統分析

在直流側接有兩個相互串聯的電容，兩個電容的聯結點是直流電源的中點。半橋逆變電路有兩個橋臂，每個橋臂有一個N—MOSFET和一個反并聯二極管（反并二極管看成是MOSFET寄生的二極管）組成。負載聯結在直流電源中點和兩個橋臂聯結點之間。 設N溝道MOSFET Q1和Q2柵極信號在一周期內開通信號相差 ，并且占空比為40%。當負載為阻感性時，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載等效電路 圖2 工作波形圖

T1時刻，給Q1開通信號，負載中的電流開始增加，到t2時刻，Q1關斷，此時D2先導通續流，電流開始減小，t3時刻電流減小到0，給Q2開通信號，負載中的電流反向增加，t4時刻，Q2關斷，此時D1先導通續流，反向電流開始減小，t5時刻電流減小到0，給Q1開通信號，重復上述過程；上橋臂（Q1或者D1）導通，輸出電壓為 ，下橋臂（Q2或者D2）導通，輸出電壓為 。

2 電壓型單相半橋逆變電路傳統教學內容存在的問題

2.1 沒有認識到MOSFET漏源反偏時柵源電壓對導電溝道的控制作用

上橋臂MOSFET（Q1）關斷后，負載中的電流減小，利用下橋臂的二極管續流D2，當電流降到0時，如果此時下橋臂MOSFET（Q2）有開通信號，那么下橋臂MOSFET（Q2）開通；在電流降到0以前，如果下橋臂MOSFET（Q2）有開通信號，此時幾乎所有的教材都認為此時MOSFET不開通，主要是寄生的二極管導通，經試驗驗證發現：在電流降到0以前如果下橋臂MOSFET（Q2）有開通信號，MOSFET（Q2）形成了導電溝道，其導通壓降較寄生二極管導通時顯著減小。

2.2 直流分壓電容中點電壓偏移

四個不同工作狀態中，幾乎所有教材認為每一個狀態只有一個等效電路，以上橋臂MOSFET（Q1）開通時情況為例：電流的流通路徑為母線電壓正極—C—D—Q1—L—R—B—C2—母線電壓負極，這種分析是不全面的，沒有考慮到直流分壓電容中點電壓偏移而造成工況的復雜性。

3 電壓型單相半橋逆變電路教學內容設計

3.1 MOSFET反偏時柵源電壓對導電溝道的控制作用

當MOSFET有開通信號時，無論此時MOSFET是正偏還是反偏，形成了導電溝通，寄生的PN結消失，MOSFET的導通壓降顯著減小，因此在MOSFET等效的電路分析中，當MOSFET有開通信號時，不論MOSFET漏源是正偏還是反偏，都是MOSFET導通，而不是寄生的二極管導通。

實驗參數：直流電壓為50V，直流側電容為330UF/100V，電感L=1mH，負載電阻R=20Ω，脈沖頻率為100Hz，占空比為40%，MOSFET的源極接電源正極，漏極接負載，MOSFET的導通電阻為0.1Ω，寄生二極管正向導通壓降為1.3V，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MOSFET沒有開通信號時，MOSFET的導通壓降為寄生二極管的壓降1.3V，當MOSFET有開通信號時，MOSFET的導通壓降為通態電阻與MOSFET導通電流的乘積，即在MOSFET漏源反向偏置時，柵源電壓對導電溝道仍然有控制作用。

3.2、直流分壓電容中點電壓偏移

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

當 ， 時：

，

。

故： 。

對節點B由基爾霍夫電流定律： 。

故： 。

由上述計算可知：對于直流分壓電容而言，一個電容充電，另一個電容一定放電，造成直流分壓電容中點電壓偏移，每一種工作狀態中電感中電流一方面對一個電容充電，另一方面另一個電容又通過電感進行放電，因此傳統的分析方法中認為每一種工況中只有一個等效電路的情況與實際工況不符；以第一種工作狀態為例，在 時間段內，上橋臂MOSFET導通，負載中的電流增加，此時的等效電路如下圖5所示：

上圖分析了第一種工作狀態時電壓型半橋逆變電路帶阻感性負載時等效電路，后續的三種工作狀態的每一種工作狀態都有兩種等效電路，其電流的流向均可以按照上述方法進行分析。

4 結論

1）、MOSFET的漏源無論正偏還是反偏，柵源電壓對導電溝道均具有控制作用，只要柵源電壓大于其開啟電壓，半導體反型，PN結消失，導電溝道形成，MOSFET的導通壓降大大降低；

2）、結論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MOSFET的導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載時，由于直流分壓電容中點電壓的偏移，四種工作狀態中每一種工作狀態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

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統—運動控制系統[M].北京：機械工業出版

社，2003.

作者簡介：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以及電機控制技術方面的研究。