电力电子技术课程设计-MOSFET降压斩波电路设计(纯电阻负载).doc

提供全套毕业论文，各专业都有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1210240109姓名设计时间2014年12月10日指导教师银川能源学院2014年12月10日电力电子技术课程设计任务书课程设计任务书题 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=100V 2、输出功率：300W 3、开关频率5KHz 4、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。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22.1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85.1 MOSFET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106.1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降压斩波电路设计一.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=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。控制电路根据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。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。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=0.01F,=,=。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Silicon General 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4 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。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（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5 IR2110 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5.1 MOSFET简介MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor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（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor-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,（Vertical MOSFET），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7 MOSFET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（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力MOSFET也是多元集成结构，一个器件由许多个小MOSFET元组成。每个元的形状和排列方法，不同生产厂家采用了不同的设计，甚至因此对其产品去了不同的名称。具体的单元形状有六边形、正方形等，也有矩形单元按“品”字型排列的5.3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。5.4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。计算：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（）电感值（H）电容值C（F）20%2021.331.0710-43.7410-440%4045.333.2010-49.3810-550%5058.334.1710-46.0010-580%80821.334.2710-42.3410-590%90927.002.7010-41.8510-5六. 保护电路过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。6.1主电路器件保护当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图6.1.1所示。图6.1.1 RC阻容过电压保护电路图6.2 负载过压保护如图6.1.1所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。七仿真电路及其仿真结果在MAT LAB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。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。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。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。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。7.1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。并且波形是连续的，符合理论要求。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； 当占空比=0.8输出电压为80V；当占空比=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。八总结通过这次的电力电子技术课程设计，我学到了很多在平常没有学到的知识。没有开始设计之前，我很自负，总是觉得无法成功的完成此次任务。但是通过我的同学的帮助和一些同专业校友的指导，我的课程设计就勉强的在今天完成了。有种说不出来的成就感，原来我也差不到哪里去，至少在老师布置的任务当中我也能够出色的完成，这对于缺乏知识的我来说是十分珍贵的一次实践经验。第一次看到课程设计的题目时，我就觉得不会是那么简单就能完成的。然后在真正开始动手做的时候，我发现了很多棘手的东西，导致我无法下手解决。我也有放弃的时候，总觉得干脆在网上找一篇蒙混过关算了，但是我的搭档这是给了我充分的帮助和信心。在他的帮助下，我学到了很多我之前不会的东西，最重要的是，我居然能够完成这项课程设计，再一次的感谢他。在课程设计的时候，遇到最难的问题就是在自己的知识里，学到的大部分都是理论知识，第一次就开始用实践的方法来完成课程设计对我来说难度真的很大，不过还好之前也做过类似的报告。但是毕竟与这次的课程设计还是有很大的不同。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，听同学说图书馆有很多的有关于此次课程设计的书籍，这对于我来说是一笔巨大的财富。我欣喜若狂的来到图书馆借阅有关书籍，但是那还不够。网路就在这个时候充分的发挥出了它的优势，有很多网友推荐了很多关于课程设计的书籍，看都看不过来。只能找几本推荐最高的书籍来当做参考。这次课程设计的知识来源很广，对我们来说真的很宝贵，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，不得不感谢图书馆的存在和网络的帮助。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。当然也通过这次的课程设计，我对以后的课程设计充满了期待，这对于我来说就是一种挑战，它成功的引起了我的好胜心，我想通过更过的课程设计学习到很多的实践知识。这将是一笔永远也用不完的财富，我必须要牢牢的抓住它。电力电子技术课程设计终于在今天完成，写到这里我顿时不经感慨，想想刚开始的那种愁眉苦脸以及做好了遇到任何困难的准备，感谢我的搭档，老师，还有那些指点我的朋友们，我成功的完成了这次的课程设计。其中有一半的成就是属于你们的。经过这次的电力电子技术课程设计，我对降压斩波电路的理解不像刚开始那样处在什么都不懂的阶段上，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，知道这门课程在自动化专业的重要性，我以后一定还会花更多的时间学习这门电力电子技术的。我相信，只有通过我们的坚持和努力，就一定会在探索新知识的道路上学习到更多也会认识到更多。九参考文献1 周克宁.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，20042 王兆安,刘进军.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，20093 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南M. 北京：机械工业出版社，20014 王维平.现代电力电子技术及应用M. 南京：东南大学出版社，19995 叶斌.电力电子应用技术及装置M. 北京：铁道出版社，19996 周志敏,周纪海等.现代开关电源控制电路设计及应用M. 北京：人民邮电出版社,20057 王正林,王胜开等. 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