MOSFET降压斩波电路设计纯电阻负载Word文档格式.docx
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目录
1.设计要求与方案1
1.1设计要求1
1.2设计方案1
2降压斩波电路设计方案2
2.1降压斩波电路原理图2
2.2降压斩波电路工作原理图2
3MOSFET驱动电路设计4
3.1驱动电路方案选择4
3.2驱动电路原理4
4电路各元件的参数设定6
4.1MOSFET简介6
4.1.1功率MOSFET的结构6
4.1.2功率MOSFET的工作原理7
4.2各元件参数计算7
5系统仿真及结论9
5.1仿真电路及其仿真结果9
5.2仿真结果分析14
总结16
参考文献17
MOSFET降压斩波电路设计
1.设计要求与方案
1.1设计要求
利用MOSFET设计一个降压斩波电路。
输入直流电压Ud=100V，输出功率P=300W，开关频率为5KHz，占空比10%到90%，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。
控电路
驱动电路
主电路
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。
2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，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。
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，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。
当t=0时MOSFET管被激励导通电源U向负载供电，负载电压为Uo=U,负载电流io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Uo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。
当电力电子系统工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2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Uo最大为U，减小占空比
，Uo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。
3MOSFET驱动电路设计
3.1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
3.2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
4电路各元件的参数设定
4.1MOSFET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。
4.1.1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管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET,（VerticalMOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
MOSFET的结构与电气图形符号如图7所示。
图7MOSFET的结构与电气图形符号
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元；
西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；
摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。
4.1.2功率MOSFET的工作原理
截止：
漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：
在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。
但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面
当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
4.2各元件参数计算
根据设计要求可选大小为
的直流电压源，如果选取降压斩波电路的占空比为
，则输出电压
，输出功率
，要求输出功率为
，可计算出负载电阻
。
电压控制电压源和脉冲电压源可组成MOSFET功率开关的驱动电路。
计算
：
由式，周期
可由开关频率
得出为
，把
、、
代入上式得出
虽说电感L的值越大，得到的图形越稳定，但在此电路中，需要看到文波，因此按计算值设置参数就可以啦。
由式，要求脉动率
，取
，计算，代入上式计算出。
虽说电容C的值越大，得到的图形越稳定，但在此电路中，需要看到文波，因此按计算值设置参数就可以啦。
若取其他占空比时各参数值的计算方法与此一致，不同占空比时各个参数的值如表1所示。
表1不同占空比时各个参数的值
占空比
输出电压U0（V）
脉动电压（V）
负载R（Ω）
电感值（H）
电容值C（F）
20%
20
2
1.33
1.07×
10-4
3.74×
40%
40
4
5.33
3.20×
9.38×
10-5
50%
50
5
8.33
4.17×
6.00×
80%
80
8
21.33
4.27×
2.34×
90%
90
9
27.00
2.70×
1.85×
5系统仿真及结论
5.1仿真电路及其仿真结果
在MATLAB里的Model画出仿真的图形。
仿真电路图如图8所示。
图8仿真电路图
各个参数的设置方法：
用鼠标左键双击图标，会出现一个对话框，然后再相应的位置修改参数，就可完成参数的设置。
在不同的占空比时，其他参数也不一样，修改的方式都有一样。
完成参数的设置，就可以开始仿真。
仿真时可能会出现问题，这就得在仿真的过程中去解决，解决好问题后，最终得到的仿真波形如下。
在波形图中，从上到下的波形依次是输入电压、占空比、输出电流、输出电压。
Simulink仿真结果如图9所示。
图9
=0.2时的仿真波形图
由仿真结果图9得到的波形可以看出在输入电压为100V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择20%时，得到的输出电压的平均值近似20V，输出电流的平均值近似15A。
得到的输出功率的平均值近似为300W，这满足电路所需的要求。
且从波形图中可以看出，输出的电压电流波形的形状是一致的，这满足纯电阻的要求。
并且波形是连续的，符合理论要求。
Simulink仿真结果如图10所示。
图10
=0.4时的仿真波形图
由仿真结果图10得到的波形可以看出在输入电压为100V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择40%时，得到的输出电压的平均值近似40V，输出电流的平均值近似7.5A。
Simulink仿真结果如图11所示。
图11
=0.5时的仿真波形图
由仿真结果图11得到的波形可以看出在输入电压为100V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择50%时，得到的输出电压的平均值近似50V，输出电流的平均值近似6A。
Simulink仿真结果如图12所示。
图12
=0.8时的仿真波形图
由仿真结果图12得到的波形可以看出在输入电压为100V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择80%时，得到的输出电压的平均值近似80V，输出电流的平均值近似3.75A。
Simulink仿真结果如图13所示。
图13
=0.9时的仿真波形图
由仿真结果图13得到的波形可以看出在输入电压为100V时，在纯电阻负载情况下，占空比选择90%时，得到的输出电压的平均值近似90V，输出电流的平均值近似3.34A。
5.2仿真结果分析
由仿真得到的波形可以看出在输入电压为100V时，在纯电阻负载情况下，不同占空比时，得到的输出电压的平均值，输出电流的平均值都不一样。
但是得到的输出功率的平均值近似为300W，这点满足电路设计所需的要求。
且从波形图中可以看出，无论占空比有怎么变化，输出电压、输出电流的波形的形状始终是一致的，这满足纯电阻的要求。
由仿真图可以看得到，当占空比
=0.2输出电压为20V；
当占空比
=0.4输出电压为40V；
当占空比
=0.5输出电压为50V；
=0.8输出电压为80V；
=0.9输出电压为90V。
这与理论计算的结果是一致的，说明这此仿真结果是正确的，符合要求。
总结
此次电力电子技术课程设计的过程，我感慨很多。
从理论到实践，在课程设计的这段时间，我遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。
它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。
从最初拿到题目时，感觉应该很简单，可到真正动手去做的时候，真的觉得理想与现实的差距挺大。
因为在自己的知识系统中，学习的大部分都是理论知识，对于这样实际从一个课题做出报告书并不是很在行，不过也做过类似的报告。
但是毕竟还是有一定的差距，因为课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠书本上的知识根本解决不了，只有去图书馆借这方面的书籍来。
现在的网络也是一个不错的工具，有些不懂的或是书本上没有的，就可以在网络上查询。
所以这次课程设计的知识来源很广，在此过程中也学到了很多课本上没有的知识，丰富了自己的理论知识，还扩宽了解决问题的方法，感觉特别充实。
在做这次课程设计的过程中学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后还要努力。
通过这次课程设计，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。
电力电子技术课程设计最终完成，在这之中有自己的努力，也有同学的帮忙，但更多的还是自己的努力。
经过这次的电力电子技术课程设计，加深了我对降压斩波电路的理解，也学习一些新的知识，增加了解决问题的能力。
也对这门课有了更深的了解，也知道这门课程在自动化专业的重要性，一定还会花时间学习的，只有继续努力，才会学到更多的知识。
参考文献
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机械工业出版社，2004
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机械工业出版社，2009
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铁道出版社，1999
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人民邮电出版社,2005
[7]王正林,王胜开等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第2版）[M].北京：
电子工业出版社，2008
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
MOSFET降压斩波电路设计（纯电阻负载）
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果可信（例如：
系统建模、求解，仿真结果）（25分）
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
..............................................................................
..............................................................................
此处忽略！
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