电力电子技术课程设计--MOSFET降压斩波电路设计(纯电阻负载)-.docx

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1、电气工程及其自动化专业电力电子技术课程设计任务书班级电气1203班学号姓名设计时间2014年12月10日指导教师2014年12月10日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MAT1.AB/Simulink对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告一一画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理

2、、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。目录一.设计要求与方案11.1 设计要求11.2 设计方案1二.降压斩波电路设计方案21. 1降压斩波电路原理图22. 2降压斩波电路工作原理图2三.控制电路33. 1工作原理43. 2控制芯片介绍5四.MoSFET驱动电路设计64. 1驱动电路方案选择64.2驱动电路原理7五.电路各元件的参数设定85. 1MOSFET简介85. 2功率MOSFET的结构85. 3功率MOSFET的工作原理95. 4各元件参数计算9六.保护电路106

3、.1 主电路器件保护106.2 负载过压保护11七.仿真电路及其仿真结果117.1仿真结果分析15八 .总结16九 .参考文献18MOSFET降压斩波电路设计设计要求与方案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U.=100V,输出功率P=300WO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。

4、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

5、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Uo(t)所示。若负载中无反电动势时，只需令Uo(t)=O,以下的分析及表达式均可适用。图2降压斩波电路原理图3. 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PO时刻驱动V导通，电源Uj向负载供电，负载电压Uo=E,负载电流io按指数曲线上升。当Pti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

6、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1.值较大。电路工作时的波形图如图3所/JsO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UC=U=也U=Utcn+tcffT（2.1）I=（2.2）负载电流平均值为0R式中，ton为MOSFET处于通态的时间；tff为MOSFET处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由式（1.l）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

7、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

8、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。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、CP1.D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S

9、G3525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

10、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：f=!4.1G(0.7R,+3R)式中:C,R,分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；品是与脚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G=O.01口F,R1=lk,erf=75o可得f=5kHz,满足要求。5.1VSG3525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

11、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。4. 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，

12、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H1.402,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。VKEFV,GNDOUToSCSYNCRI3DTSCOMPININ.SSSD图3.3SG3525A芯片的内部结构四.MOSFET驱动电路设计5. 1驱动电路方案选择该驱动部分是连接控制部分和主

13、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IOKW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

14、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。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Cl,VDI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CI己经充到足够的电压(VClVCC)o当HlN为高电平时如下图4-2,VMI开通，VM2关断，VCI加到Sl的栅极和源极之间,Cl通过VMl,RgI和栅极和源极形成回路放电，这

15、时CI就相当于一个电压源，从而使Sl导通。由于1.lN与HlN是一对互补输入信号，所以此时1.lN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Sl开通之前迅速关断。)2OVMgjEs2图5IR2110驱动半桥电路设计驱动电路如图6所示.五.电路各元件的参数设定6. 1MOSFET简介MOSFET的原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FEKFieldEffectTranSiStOr场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（0）利用电场的效应来控制半导体（三）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）0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