MOSFET降压斩波电路设计.doc

题 目MOSFET降压斩波电路设计姓 名学 号班 级指导老师日期前 言直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。目录1.设计要求与方案11.1 设计要求11.2 设计方案12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23 MOSFET驱动电路设计33.1驱动电路方案选择33.2 驱动电路原理44保护电路54.1过电压保护54.2过电流保护65电路各元件的参数设定65.1 MOSFET简介65.1.1功率MOSFET的结构75.1.2功率MOSFET的工作原理75.2各元件参数计算86系统仿真及结论96.1 仿真电路及其仿真结果96.2仿真结果分析15总结15参考文献16MOSFET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UO=tonton+toffU=tonTU=U （2.1）（2.2）负载电流平均值为IO=UoR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ton 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ton ，称为脉冲宽调制工作方式；3) 开关导通时间ton和开关周期T 都可调，称为混合型。3 MOSFET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4 IR2110 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（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4保护电路4.1过电压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7图74.2过电流保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。5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。 5.1.1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, （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8所示。图8 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。功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）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。5.1.2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。5.2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600W，可计算出负载电阻R=4.17。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LC=UO2(1-)2POT，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C=UO(1-)8LUOT2，要求脉动率，取，计算U0=U010%=5V，代入上式计算出C=1.2010-4F。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U0（V）负载R（）电感值LC（H）电容值C（F）20%2020.670.5310-47.5010-440%4042.671.6010-41.8810-450%5054.172.0810-41.2010-480%80810.672.1310-44.6910-590%90913.501.3510-43.7010-56系统仿真及结论6.1 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9所示。图9 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10所示图10 =0.2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30A。得到的输出功率的平均值近似为600W，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 =0.4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15A。得到的输出功率的平均值近似为600W，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 =0.5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12A。得到的输出功率的平均值近似为600W，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 =0.8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7.5A。得到的输出功率的平均值近似为600W，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14所示。图14 =0.9时的仿真波形图由仿真结果图14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6.67A。得到的输出功率的平均值近似为600W，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。6.2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600W，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。总结做课程设计我们都感觉入手比较困难，因为它首先要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其联系贯穿起来，因此课程设计是综合性比较强的。这次的电力电子课程设计是我做的最辛苦的一