[发明专利]一种基于MOSFET的拼波功率调节装置

说明书

技术领域

本发明属于用电设备的功率调节技术领域，更为具体地讲，涉及到一种拼波功率调节装置。

背景技术

电力场效应管分为结型和绝缘栅型，通常主要是指绝缘栅型，简称MOSFET。具有驱动功率低、工作频率高、热稳定性好、通态阻抗小、体积小等特点，是一种应用于电力电子线路的功率型半导体器件。

MOSFET是一种电压控制型三端器件，其电气符号如图1所示，具有栅极G、漏极D和源极S，由栅源电压u_GS控制漏源之间的通断，工作在开关状态。当MOSFET栅极和源极之间施加一个高于阈值电压的正向电压u_GS时，漏极和源极导通，漏源电流I_DS从漏极指向源极；当栅源电压u_GS低于阈值电压时，漏极和源极截止。导通时，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻R_DS(on)为数毫欧量级，因此管耗很低；截止时，漏极和源极之间有一个低至数微安的泄漏电流I_DSS，可以认为MOSFET处于完全关断状态。

从上面的分析可知，MOSFET是一种全控型器件，可以通过改变施加在栅极和源极之间的电压来导通或者关断漏极和源极之间的大电压，使漏极和源极之间流过一个大电流，从而实现小电压对大电压、大电流的控制。

由于MOSFET本身的结构所致，在漏极和源极之间有一个反向并联的本征二极管，因此在漏极和源极之间施加反向电压时器件将导通，这种导通是不可控的。

功率调节装置是通过微控制电路控制加在用电设备两端的电压，对用电设备功率进行控制的装置。传统的通过交流电压调压进行功率调节的方式有抽波调压和斩波调压。

所谓抽波调压，如图2所示，按一定的比例对输入电压u_i的周波个数抽取，控制加载到用电设备两端电压完整周波的个数，实现功率的控制。这种调压方式的优点是输出电压u_o和电流I_o均为完整的正弦波，电网中不会产生谐波分量，功率因数较高，但是存在的一个问题是输出能量的不连续将导致负载，即用电设备的震荡，对于大功率的用电设备，这一点表现的尤为突出。

所谓斩波调压，如图3所示，是指通过控制开关器件的导通角度α切削正弦波，使其在一个周期内只有一部分能量加在负载，即用电设备两端。这种调压方式的优点是输出能量不会发生太大的波动，控制精度较高，但是存在的问题是，输出电压波形畸变严重，产生大量高次谐波分量，降低功率因数，电能利用率不高。

在2010年12月29日公布的、申请公布号为CN 101931236A、名称为“一种基于可控硅的功率调节装置”的发明专利申请公布了一种通过拼波方式调节电压对用电设备功率进行控制的装置。所谓拼波调压，如图4所示，通过控制可控硅的导通角度，在半个周期内分别控制同频同相、幅值不等的两级电压的导通和关断，将这两级电压叠加后产生一个新的波形施加在负载两端。这种调压方式兼有抽波调压和斩波调压的优点，输出能量连续，谐波分量小，控制精度好，功率因数高。但该功率调节装置基于可控硅对输出电压进行拼波，由于MOSFET本身的结构所致，在漏极和源极之间有一个反向并联的本征二极管，这样在漏极和源极之间施加反向电压时器件将导通，且这种导通是不可控的，因此不适用于MOSFET。

发明内容

本发明的目的在于利用MOSFET的良好电气性能，提供一种基于MOSFET的拼波功率调节装置。

为实现上述发明目的，本发明基于MOSFET的拼波功率调节装置，包括：

一台变压器，该变压器具有两个不同变比的第一级次级输出、第二级次级输出，变压器的初级接电网主回路，两个次级输出相位相同、电压不同的第一级电压和第二级电压，其中，第一级电压小于第二级电压；

其特征在于，还包括：

第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管，分别接变压器的第一级、第二级次级输出；第一级、第二级次级输出分别经过第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管后，输出给需要进行功率调节的用电设备；第一组、第二组绝缘栅型电力场效应管均由一个正向绝缘栅型电力场效应管和一个反向绝缘栅型电力场效应管串联组成，其中正向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向一致，反向绝缘栅型电力场效应管是指漏极D到源极S与输出方向相反；

一个控制器，控制器的相位捕获模块与变压器的次级输出连接，用于获得次级输出电压的相位；控制器根据用电设备需要的功率，0-π范围内调节导通角α，然后输出驱动信号给两组绝缘栅型电力场效应管，控制其导通或关断：