Однофазный полумост и полный мостовой инвертор с использованием Matlab

Источник переменного тока (AC) используется почти для всех жилых, коммерческих и промышленных нужд. Но самая большая проблема с AC заключается в том, что его нельзя сохранить для будущего использования. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный, а затем постоянный ток сохраняется в батареях и сверхконденсаторах. И теперь всякий раз, когда требуется переменный ток, постоянный ток снова преобразуется в переменный для работы устройств на базе переменного тока. Итак, устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный, называется инвертором.

Для однофазных приложений используется однофазный инвертор. В основном существует два типа однофазных инверторов: полумостовой инвертор и полумостовой инвертор. Здесь мы изучим, как эти инверторы могут быть построены, и будем моделировать схемы в MATLAB.

Полумостовой инвертор

Для этого типа инвертора требуется два переключателя силовой электроники (MOSFET). MOSFET или IGBT используются для переключения. Принципиальная схема полумостового инвертора показана на рисунке ниже.

Как показано на принципиальной схеме, входное напряжение постоянного тока составляет Vdc = 100 В. Этот источник разделен на две равные части. Теперь импульсы затвора подаются на полевой МОП-транзистор, как показано на рисунке ниже.

В соответствии с выходной частотой определяется время включения и время выключения полевого МОП-транзистора и генерируются стробирующие импульсы. Нам нужна мощность переменного тока 50 Гц, поэтому период времени одного цикла (0 <t <2π) составляет 20 мсек. Как показано на диаграмме, полевой МОП-транзистор-1 запускается в течение первого полупериода (0 <t <π), и в течение этого периода времени МОП-транзистор-2 не запускается. В этот период времени ток будет течь в направлении стрелки, как показано на рисунке ниже, и полупериод выхода переменного тока завершится. Ток от нагрузки направлен справа налево, а напряжение нагрузки равно + Vdc / 2.

Во втором полупериоде (π <t <2π) срабатывает MOSFET-2, и источник более низкого напряжения подключается к нагрузке. Ток от нагрузки направлен слева направо, а напряжение нагрузки равно -Vdc / 2. В этот период времени ток будет протекать, как показано на рисунке, и другая половина цикла выхода переменного тока завершена.

Полный мостовой инвертор

В инверторах этого типа используются четыре переключателя. Основное отличие полумостового инвертора от полномостового - это максимальное значение выходного напряжения. В полумостовом инверторе пиковое напряжение составляет половину напряжения питания постоянного тока. В полномостовом инверторе пиковое напряжение совпадает с напряжением питания постоянного тока. Схема полного мостового инвертора является таким, как показано на рисунке ниже.

Импульс затвора для полевых МОП-транзисторов 1 и 2 одинаков. Оба переключателя работают одновременно. Точно так же полевые МОП-транзисторы 3 и 4 имеют одинаковые импульсы затвора и работают в одно и то же время. Но полевые МОП-транзисторы 1 и 4 (вертикальное плечо) никогда не работают одновременно. Если это произойдет, то произойдет короткое замыкание источника постоянного напряжения.

Для верхнего полупериода (0 <t <π) срабатывают полевые МОП-транзисторы 1 и 2, и ток будет течь, как показано на рисунке ниже. В этот период времени ток течет слева направо.

Для нижнего полупериода (π <t <2π) срабатывают полевые МОП-транзисторы 3 и 4, и ток будет течь, как показано на рисунке. В этот период времени ток течет справа налево. Пиковое напряжение нагрузки совпадает с напряжением питания постоянного тока Vdc в обоих случаях.

Моделирование полумостового инвертора в MATLAB

Для моделирования добавьте элементы в файл модели из библиотеки Simulink.

1) 2 источника постоянного тока - 50 В каждый

2) 2 МОП-транзистора

3) резистивная нагрузка

4) Генератор импульсов

5) НЕ ворота

6) Powergui

7) Измерение напряжения

8) ВХОД и ОТ

Подключите все компоненты согласно принципиальной схеме. Снимок экрана с файлом модели инвертора Half Bridge показан на рисунке ниже.

Импульс затвора 1 и импульс затвора 2 - это импульсы затвора для MOSFET1 и MOSFET2, которые генерируются схемой генератора затвора. Стробирующий импульс генерируется ГЕНЕРАТОРОМ ИМПУЛЬСОВ. В этом случае MOSFET1 и MOSFET2 не могут срабатывать одновременно. Если это произойдет, то произойдет короткое замыкание источника напряжения. Когда MOSFET1 закрыт, MOSFET2 будет открыт в это время, а когда MOSFET2 закрыт, MOSFET1 в это время открыт. Итак, если мы генерируем импульс затвора для любого одного полевого МОП-транзистора, мы можем переключить этот импульс и использовать его для другого полевого МОП-транзистора.

Генератор стробирующих импульсов

На изображении выше показан параметр для блока генератора импульсов в MATLAB. Период является 2е-3 средство 20 мс. Если вам нужен частотный выход 60 Гц, то период будет 16,67 мс. Ширина импульса в процентном отношении периода. Это означает, что стробирующий импульс генерируется только для этой области. В этом случае мы устанавливаем его на 50%, это означает, что генерируется стробирующий импульс с периодом 50%, а стробирующий импульс с периодом 50% не генерируется. Фазовой задержки устанавливается 0 сек, означает, что мы не даем каких - либо задержек к воротам импульса. Если есть фазовая задержка, это означает, что стробирующий импульс будет сгенерирован после этого времени. Например, если фазовая задержка равна 1e-3, то стробирующий импульс будет сгенерирован через 10 мсек.

Таким образом, мы можем сгенерировать импульс затвора для MOSFET1, и теперь мы будем переключать этот импульс затвора и использовать его для MOSFET2. В моделировании мы будем использовать логический элемент НЕ. Логический элемент НЕ инвертирует выходной сигнал, что означает, что он преобразует 1 в 0 и 0 в 1. Таким образом, мы можем точно получить противоположный импульс затвора, чтобы источник постоянного тока никогда не закорачивался.

На практике мы не можем использовать 50% ширину импульса. Полевой МОП-транзистор или любой силовой электрический выключатель отключается за короткое время. Чтобы избежать короткого замыкания источника, ширина импульса установлена ​​около 45%, чтобы дать время для отключения полевых МОП-транзисторов. Этот период времени известен как мертвое время. Но для целей моделирования мы можем использовать 50% ширины импульса.

Форма выходного сигнала для полумостового инвертора

На этом снимке экрана показано выходное напряжение на нагрузке. На этом изображении мы видим, что пиковое значение напряжения нагрузки составляет 50 В, что составляет половину напряжения постоянного тока, а частота составляет 50 Гц. Для выполнения одного цикла требуется время 20 мсек.

Моделирование полномостового инвертора в MATLAB

Если вы получаете выход полумостового инвертора, то легко реализовать полный мостовой инвертор, потому что большинство вещей остается неизменным. В полномостовом инверторе нам также нужны только два импульса затвора, что аналогично полумостовому инвертору. Один импульс затвора предназначен для полевых МОП-транзисторов 1 и 2, а обратный этому импульсу затвора - для полевых МОП-транзисторов 3 и 4.

Необходимые элементы

1) 4 - МОП-транзистор

2) 1 источник постоянного тока

3) резистивная нагрузка

4) Измерение напряжения

5) Генератор импульсов

6) ПЕРЕЙТИ и ОТ

7) powergui (пауэргуи)

Подключите все компоненты, как показано на скриншоте ниже.

Форма выходного сигнала для полномостового инвертора

На этом снимке экрана показано выходное напряжение на нагрузке. Здесь мы видим, что пиковое значение напряжения нагрузки равно напряжению питания постоянного тока, равному 100 В.

Вы можете просмотреть полное видео о том, как построить и смоделировать полумостовой и полный мостовой инверторы в MATLAB ниже.