Einphasiger Halbbrücken- und Vollbrückenwechselrichter mit Matlab

Die Wechselstromversorgung wird für fast alle Wohn-, Gewerbe- und Industriebedürfnisse verwendet. Das größte Problem bei Wechselstrom ist jedoch, dass er nicht für die zukünftige Verwendung gespeichert werden kann. Also wird Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt und dann Gleichstrom in Batterien und Ultrakondensatoren gespeichert. Und jetzt, wenn Wechselstrom benötigt wird, wird Gleichstrom erneut in Wechselstrom umgewandelt, um die AC-basierten Appliances auszuführen. Das Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, heißt also Wechselrichter.

Für einphasige Anwendungen wird ein einphasiger Wechselrichter verwendet. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von einphasigen Wechselrichtern: Halbbrückenwechselrichter und Vollbrückenwechselrichter. Hier werden wir untersuchen, wie diese Wechselrichter gebaut werden können, und die Schaltkreise in MATLAB simulieren.

Halbbrückenwechselrichter

Dieser Wechselrichtertyp erfordert zwei Leistungselektronikschalter (MOSFET). Der MOSFET oder IGBT wird zum Schalten verwendet. Der Schaltplan des Halbbrückenwechselrichters ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wie im Schaltplan gezeigt, beträgt die Eingangsgleichspannung VDC = 100 V. Diese Quelle ist in zwei gleiche Teile unterteilt. Nun werden dem MOSFET Gate-Impulse gegeben, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Entsprechend der Ausgangsfrequenz werden die EIN-Zeit und die AUS-Zeit des MOSFET festgelegt und Gate-Impulse erzeugt. Wir benötigen 50 Hz Wechselstrom, daher beträgt die Zeitdauer eines Zyklus (0 <t <2π) 20 ms. Wie im Diagramm gezeigt, wird MOSFET-1 für den ersten Halbzyklus (0 <t <π) ausgelöst und während dieser Zeitspanne wird MOSFET-2 nicht ausgelöst. In diesem Zeitraum fließt der Strom in Pfeilrichtung, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, und der Halbzyklus des Wechselstromausgangs ist abgeschlossen. Der Strom von der Last ist von rechts nach links und die Lastspannung ist gleich + VDC / 2.

In der zweiten Halbwelle (π <t <2π) wird der MOSFET-2 ausgelöst und eine niedrigere Spannungsquelle mit der Last verbunden. Der Strom von der Last ist von links nach rechts und die Lastspannung ist gleich -VDC / 2. In diesem Zeitraum fließt Strom wie in der Abbildung gezeigt und die andere Halbwelle des Wechselstromausgangs ist abgeschlossen.

Vollbrückenwechselrichter

Bei diesem Wechselrichtertyp werden vier Schalter verwendet. Der Hauptunterschied zwischen Halbbrücken- und Vollbrückenwechselrichter ist der Maximalwert der Ausgangsspannung. Bei einem Halbbrückenwechselrichter beträgt die Spitzenspannung die Hälfte der DC-Versorgungsspannung. Im Vollbrückenwechselrichter entspricht die Spitzenspannung der DC-Versorgungsspannung. Das Schaltbild des Vollbrückenwechselrichters ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Gate-Impulse für MOSFET 1 und 2 sind gleich. Beide Schalter arbeiten gleichzeitig. In ähnlicher Weise haben die MOSFET 3 und 4 die gleichen Gate-Impulse und arbeiten zur gleichen Zeit. MOSFET 1 und 4 (vertikaler Arm) arbeiten jedoch niemals gleichzeitig. In diesem Fall wird die Gleichspannungsquelle kurzgeschlossen.

Für den oberen Halbzyklus (0 <t <π) werden die MOSFET 1 und 2 ausgelöst und der Strom fließt wie in der folgenden Abbildung gezeigt. In diesem Zeitraum fließt der Strom von links nach rechts.

Für den unteren Halbzyklus (π <t <2π) werden die MOSFET 3 und 4 ausgelöst und der Strom fließt wie in der Abbildung gezeigt. In diesem Zeitraum fließt der Strom von rechts nach links. Die Spitzenlastspannung ist in beiden Fällen gleich der DC-Versorgungsspannung VDC.

Simulation eines Halbbrückenwechselrichters in MATLAB

Fügen Sie zur Simulation Elemente in die Modelldatei aus der Simulink-Bibliothek ein.

1) 2 Gleichstromquelle - jeweils 50 V.

2) 2 MOSFET

3) Widerstandslast

4) Impulsgeber

5) NICHT Tor

6) Powergui

7) Spannungsmessung

8) GOTO und FROM

Schließen Sie alle Komponenten gemäß Schaltplan an. Der Screenshot der Half Bridge Inverter-Modelldatei ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Gate-Impuls 1 und Gate-Impuls 2 sind Gate-Impulse für MOSFET1 und MOSFET2, die von der Gate-Generatorschaltung erzeugt werden. Der Gate-Impuls wird vom PULSGENERATOR erzeugt. In diesem Fall können MOSFET1 und MOSFET2 nicht gleichzeitig ausgelöst werden. In diesem Fall wird die Spannungsquelle kurzgeschlossen. Wenn MOSFET1 geschlossen ist, ist MOSFET2 zu diesem Zeitpunkt geöffnet, und wenn MOSFET2 geschlossen ist, ist MOSFET1 zu diesem Zeitpunkt geöffnet. Wenn wir also einen Gate-Impuls für einen MOSFET erzeugen, können wir diesen Impuls umschalten und für einen anderen MOSFET verwenden.

Gate-Impulsgenerator

Das obige Bild zeigt den Parameter für den Impulsgeneratorblock in MATLAB. Die Periode ist 2e-3 bedeutet 20 ms. Wenn Sie einen 60-Hz-Frequenzausgang benötigen, beträgt die Periode 16,67 ms. Die Impulsbreite ist in Prozent der Periode angegeben. Dies bedeutet, dass der Gate-Impuls nur für diesen Bereich erzeugt wird. In diesem Fall setzen wir dies auf 50%, was bedeutet, dass ein 50% -Perioden-Gate-Impuls erzeugt wird und ein 50% -Perioden-Gate-Impuls nicht erzeugt wird. Die Phasenverzögerung ist auf 0 Sekunden eingestellt, was bedeutet, dass wir dem Gate-Impuls keine Verzögerung geben. Wenn es eine Phasenverzögerung gibt, bedeutet dies, dass nach dieser Zeit ein Gate-Impuls erzeugt wird. Wenn beispielsweise die Phasenverzögerung 1e-3 beträgt, wird nach 10 ms ein Gate-Impuls erzeugt.

Auf diese Weise können wir den Gate-Impuls für MOSFET1 erzeugen, und jetzt werden wir diesen Gate-Impuls umschalten und für MOSFET2 verwenden. In der Simulation verwenden wir das logische NICHT-Gatter. Das NICHT-Gate, das den Ausgang invertiert, bedeutet, dass es 1 zu 0 und 0 zu 1 konvertiert. Auf diese Weise können wir genau den entgegengesetzten Gate-Impuls erhalten, so dass die Gleichstromquelle niemals kurzgeschlossen wird.

In der Praxis können wir keine Pulsbreite von 50% verwenden. Das Ausschalten des MOSFET oder eines elektrischen Leistungsschalters dauert nur wenig. Um einen Kurzschluss der Quelle zu vermeiden, wird die Impulsbreite auf etwa 45% eingestellt, damit sich die MOSFETs ausschalten können. Dieser Zeitraum wird als Totzeit bezeichnet. Für Simulationszwecke können wir jedoch eine Impulsbreite von 50% verwenden.

Ausgangswellenform für Halbbrückenwechselrichter

Dieser Screenshot zeigt die Ausgangsspannung über der Last. In diesem Bild sehen wir, dass der Spitzenwert der Lastspannung 50 V beträgt, was der Hälfte der Gleichstromversorgung entspricht und die Frequenz 50 Hz beträgt. Für einen vollständigen Zyklus beträgt die erforderliche Zeit 20 ms.

Simulation eines Vollbrückenwechselrichters in MATLAB

Wenn Sie die Ausgabe eines Halbbrückenwechselrichters erhalten, ist es einfach, den Vollbrückenwechselrichter zu implementieren, da vor allem die Dinge gleich bleiben. Auch beim Vollbrückeninverter benötigen wir nur zwei Gate-Impulse, was dem Halbbrückeninverter entspricht. Ein Gate-Impuls ist für MOSFET 1 und 2 und umgekehrt zu diesem Gate-Impuls ist für MOSFET 3 und 4.

Erforderliche Elemente

1) 4 - MOSFET

2) 1 Gleichstromquelle

3) Widerstandslast

4) Spannungsmessung

5) Impulsgeber

6) GOTO und FROM

7) Powergui

Schließen Sie alle Komponenten wie im folgenden Screenshot gezeigt an.

Ausgangswellenform für Vollbrückenwechselrichter

Dieser Screenshot zeigt die Ausgangsspannung über der Last. Hier können wir sehen, dass der Spitzenwert der Lastspannung gleich der DC-Versorgungsspannung ist, die 100 V beträgt.

In MATLAB unten können Sie den vollständigen Durchgang durch das Video zum Bau und zur Simulation des Halbbrücken- und Vollbrücken-Wechselrichters nachlesen.