MOSFET直流斩波电路的设计.docx

1、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10，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

2、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

3、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

4、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。

5、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

6、，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

7、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03.3V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

8、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

9、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

10、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

11、-1所示：图4-1 IR2110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（VC1 VCC）。 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

12、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5 MATLAB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5-2 simulink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

13、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.Protel DXP电路设计快速入门，中国铁道出版社，20033 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，20024 陈礼明.实际直流斩波电路中若干问题的浅析，梅山科技，2005