电力电子技术课程设计MOSFET降压斩波电路设计纯电阻负载Word下载.docx

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课程设计任务书

题目:

MOSFET降压斩波电路设计（纯电阻负载）

初始条件：

1、输入直流电压：

Ud=100V2、输出功率：

300W3、开关频率5KHz4、占空比10%~90%

5、输出电压脉率：

小于10%

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等

具体要求）

1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；

2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；

3、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。

MOSFET降压斩波电路设计

一.设计要求与方案

1.1设计要求

①利用MOSFET设计一个降压斩波电路。

②输入直流电压=100V，输出功率P=300W。

③开关频率为5KHz，占空比10%到90%。

④输出电压脉率小于10%。

1.2设计方案

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。

根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。

其结构框图如图1所示。

图1电路结构图

在图1结构框图中，控制电路用来产生MOSFET降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。

控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。

二.降压斩波电路设计方案

2.1降压斩波电路原理图

降压斩波电路的原理图以及工作波形如图2所示。

该电路使用一个全控型器件V，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。

图中为MOSFET。

为在MOSFET关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中U0（t）所示。

若负载中无反电动势时，只需令U0（t）=0，以下的分析及表达式均可适用。

图2降压斩波电路原理图

2.2降压斩波电路工作原理图

直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，在t=0时刻驱动V导通，电源向负载供电，负载电压U0=E，负载电流i0按指数曲线上升。

当t=t1时，控制MOSFET关断负载电流经二极管VD续流，负载电压U0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，通常使串联的电感L值较大。

电路工作时的波形图如图3所示。

图3降压斩波电路的工作波形

至一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。

当电路工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图3所示。

负载电压平均值为

（2.1）

（2.2）

负载电流平均值为

式中，ton为MOSFET处于通态的时间；

toff为MOSFET处于断态的时间；

T为开关周期；

为导通占空比。

由式（1.1）可知，输出到负载的电压平均值U0最大为U，减小占空比，U0随之减小。

因此将该电路称为降压斩波电路。

也称buck变换器。

根据对输出电压平均值进行调试的方式不同，可分为三种工作方式：

1）保持开关导通时间不变，改变开关T，称为频率调制工作方式；

2）保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为脉冲宽调制工作方式；

3）开关导通时间和开关周期T都可调，称为混合型。

三.控制电路

控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。

斩波电路有三种控制方式：

1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；

2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；

3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。

因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制MOSFET的通断。

PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。

这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。

改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

图四.SG3525引脚图

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。

因为课程设计要求，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图四所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。

脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。

振荡器还设有外同步输入端（脚3）。

脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。

该放大器是一个两级差分放大器。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。

3.1工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为：

4.1

式中:

分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；

是与脚7相连的放电端电阻值。

根据任务要求需要频率为5kHz，所以由上式可取=0.01μF,=,=。

可得f=5kHz，满足要求。

图5.控制电路

SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。

因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图5所示10端外接过压过流保护电路。

当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。

SG3525还有稳压作用。

1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。

调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为20V-90V范围。

3.2控制芯片介绍

本控制电路是以SG3525为核心构成,SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用，它集成了PWM控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图3.3所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波（即PWM信号）.然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往MOSGRT，对其触发，以满足主电路的要求。

图3.3SG3525A芯片的内部结构

四.MOSFET驱动电路设计

4.1驱动电路方案选择

该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：

（1）提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE管可靠的开通和关断；

（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；

（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；

（4）足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；

（5）具有灵敏的过流保护能力。

而电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；

第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。

但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw的电力电子装置。

在功率变换装置中,根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。

根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET管开关特性,选择驱动芯片IR2110来实现驱动。

芯片IR2110管脚及内部电路图如下图4所示。

图4IR2110管脚及内部电路图

4.2驱动电路原理

IR2110内部功能由三部分组成：

逻辑输入、电平平移及输出保护。

IR2110驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的滤波电容。

假定在S关断期间C1已经充到足够的电压（VC1VCC）。

当HIN为高电平时如下图4-2，VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。

由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。

图5IR2110驱动半桥电路

设计驱动电路如图6所示.

图6驱动电路图

五.电路各元件的参数设定

5.1MOSFET简介

MOSFET的原意是：

MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。

结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor--SIT）。

其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

功率MOSFET的种类：

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

按栅极电压幅值可分为；

耗尽型；

当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；

对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

5.2功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；

其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。

导电机理与小功率MOS管相