MOSFET直流斩波电路的设计.docx

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MOSFET直流斩波电路的设计

MOSFET直流斩波电路的设计

设计要求

利用MOSFET设计一降压变流器。

输入电压E=50V，输出电压Ud=20V，负载电阻为10Ω，电感2mH。

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、控制电路、驱动电路及保护电路，其结构框图如图1-1所示。

图1-1

在图1-1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降压斩波主电路设计

2.1电力MOSFET降压斩波主电路

在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。

MOSFET降压斩波电路的主电路图如下图2-1所示。

该电路使用一个全控型器件—电力MOSFET。

且为了给负载中的电感电流提供通道，设置有续流二极管VD。

电路通过在电力MOSFET管的控制端输入控制信号，以得到所需要的输出电压，实现降压。

2.2电路原理分析

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E向负载供电，负载电压为Ud=E,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Ud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2-2所示：

图2-2电流续流时工作波形

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在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载侧输出电压平均值为：

平均电流值为：

式中T为MOSFET开关周期，为导通时间，为占空比。

通过调节占空比使输出到负载的电压Ud最大为E，若减小占空比，则Ud随之减小。

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。

但是普遍采用脉冲宽调制工作方式，因为采用频率调制工作方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。

此电路就是采用脉冲宽调制控制MOSFET的通断。

2.3主要器件的选择

主电路中，电源、电感及电阻的参数由设计要求给定，现确定主电路中MOSFET管及电力二极管的参数：

其中MOSFET管的主要参数包括漏极电压

，漏极直流电流

和漏极脉冲电流幅值

。

而根据设计要求可知，电源为50V直流电压源，计算得，主电路平均电流

；有效电流值

；

所以可选择额定电压为60V,额定电流为6A的MOSFET管。

同样对于电力二极管，可选择额定电压为60V，电流为6A的二极管。

3控制电路设计

控制电路方案选择

MOSFET控制电路的功能有：

给变流器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。

脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。

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。

该设计中我选用PWM发生芯片——TL494芯片来进行调节控制。

TL494的引脚图如图3-1所示：

3.2控制电路原理

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

其内部结构图如图3-2所示：

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1和Q2受控于或非门。

当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。

当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：

当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。

两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。

若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。

如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。

输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。

在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。

这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。

控制电路如下图3-3所示：

图3-3控制电路图

4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MOSFET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4-1所示：

图4-1IR2110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。

R2110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S1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。

设计驱动电路如图4-3所示：

图4-3驱动电路图

5MATLAB仿真与分析

1）设计电路硬件图如下图5-1所示：

2）仿真电路如下图5-2所示：

图5-2simulink仿真图

3）仿真输出电压波形图如下图5-2所示：

图5-3仿真输出电压波形图

4）仿真输出电流波形图如下图5-3所示：

图5-4仿真输出电流波形图

由输出电压波形得，输出电压满足设计要求，输出平均电压值为20V，符合设计要求而输出电流波形为断续波形。

6心得与体会

本次课程设计中，从理论到实践，在短短一星期的时间里，我遇到了很多问题，也学到了很多东西。

它不仅巩固了我以前所学的理论知识，更使我们知道了由理论结合实践的基本方法，锻炼了自己解决实际问题的能力。

在此次课程设计过程中，遇到的主要问题集中在设计控制与驱动电路中。

虽然碰到的问题比较多，靠自己专业课上所学的知识还不能完全解决，但通过网上查找资料，询问同学，与同学一起探讨，基本解决了这些问题，同时也学到了很多课本上没有的东西。

在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的哪些不足之处，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，以后仍需努力。

通过这次课程设计，看到了自己的不足之处，同时也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，加强了自己的实际运用能力，也学会了怎么样去分析问题和解决问题。

参考文献

[1]王兆安,刘进军

[2]张义和.《ProtelDXP电路设计快速入门》，中国铁道出版社，2003

[3]薛定宇，陈阳泉.《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》，清华大学出版社，2002

[4]陈礼明.《实际直流斩波电路中若干问题的浅析》，梅山科技，2005