利用MOSFET降压斩波电路设计

1、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

2、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。

3、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

4、初值和终值相等，如图2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 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。3 MOSFET驱动电路设计3.

5、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

6、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IR2113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IR2113 来实现驱动。芯片IR2113 管脚及内部电路图如下图4 所示。图4 IR2113 管脚及内部电路图3.2 驱动电路原理IR2113 内部功能由三部分组成：逻辑输入、电平平移及输出保护。IR2113 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

7、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 IR2113 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 电路各元件的参数设定4.1 MOSFET简介MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Se

8、miconductor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GT

9、R，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。 4.1.1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, （

10、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。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（Mo

11、torola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。4.1.2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。4.2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

12、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

13、（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%90927.002.7010-41.8510-55系统仿真及结论5.1 仿真结果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

14、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

15、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

16、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。5.2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，

17、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。总结此次电力电子技术课程设计的过程，我感慨很多。从理论到实践，在课程设计的这段时

18、间，我遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。从最初拿到题目时，感觉应该很简单，可到真正动手去做的时候，真的觉得理想与现实的差距挺大。因为在自己的知识系统中，学习的大部分都是理论知识，对于这样实际从一个课题做出报告书并不是很在行，不过也做过类似的报告。但是毕竟还是有一定的差距，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，只有去图书馆借这方面的书籍来。现在的网络也是一个不错的工具，有些不懂的或是书本上没有的，就可以在网络上查询。所以这次课程设计的知识来源很广，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，感觉特别充实。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。通过这次课程设计，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。电力电子技术课程设计最终完成，在这之中有自己的努力，也有同学的帮忙，但更多的还是自己的努力。经过这次的电力电子技术课程设计，加深了我对降压斩波电路的理解，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，也知道这门课程在自动化专业的重要性，一定还会花时间