長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、 電氣與電子工程學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014/1/62014/1/10 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 電氣與電子工程學(xué)院 目錄1.設(shè)計(jì)要求與方案1.1 設(shè)計(jì)要求1.2 設(shè)計(jì)方案2降壓斬波電路設(shè)計(jì)方案2.1降壓斬波電路原理圖2.2降壓斬波電路工作原理圖3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.1驅(qū)動(dòng)電路方案選擇3.2 驅(qū)動(dòng)電路原理4電路各元件的參數(shù)設(shè)定4.1 MOSFET簡(jiǎn)介4.1.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)4.1.2功率MOSFET的工作原理4.2各元件參數(shù)計(jì)算總結(jié)參考文獻(xiàn)題 目: MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）1.

2、設(shè)計(jì)要求與方案1.1 設(shè)計(jì)要求題 目: MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載） 一、設(shè)計(jì)的技術(shù)數(shù)據(jù)1、交流電源：?jiǎn)蜗?20V；2、前級(jí)整流輸出輸電壓： Ud=50V80V；3、輸出功率：300W；4、開關(guān)頻率5KHz；5、占空比10%90%；6、輸出電壓脈率：小于10%。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、方案論證及選擇；2、主電路設(shè)計(jì)（包括整流電路設(shè)計(jì)及器件的具體型號(hào)；斬波電路設(shè)計(jì)，器件選擇及型號(hào)確定，電感電容估算等）3、控制電路設(shè)計(jì)（觸發(fā)電路的選擇與設(shè)計(jì)電路，如：PWM控制芯片SG3525等）；4、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（如IR2110，579系列或其他系列等）；5、總結(jié)及心得體會(huì)；6、參考文獻(xiàn)；7、完成電路

3、原理圖1份。摘 要直流-直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路,Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，利用不同的斬波電路

4、的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。關(guān)鍵字：直流斬波 降壓斬波 MOSFET MATLAB仿真武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書1.2 設(shè)計(jì)方案電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電路電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。根據(jù)MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、驅(qū)動(dòng)電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。控電路 驅(qū)動(dòng)電路 主電路圖1 電路

5、結(jié)構(gòu)圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路用來(lái)產(chǎn)生MOSFET降壓斬波電路的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在MOSFET控制端與公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。通過(guò)控制MOSFET的開通和關(guān)斷來(lái)控制MOSFET降壓斬波電路工作。控制電路中保護(hù)電路是用來(lái)保護(hù)電路，防止電路產(chǎn)生過(guò)電流、過(guò)電壓現(xiàn)象而損壞電路設(shè)備。2降壓斬波電路設(shè)計(jì)方案2.1降壓斬波電路原理圖1、根據(jù)所學(xué)知識(shí)，整流電路如圖所示： 圖2 整流電路使用單相橋式整流電路，在變壓器輸入側(cè)加熔斷器保護(hù)電路，在整流級(jí)輸出電壓側(cè)接LC濾波電路濾波。降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖2所示。該電路使用一個(gè)全控型

6、器件 V，圖中為MOSFET。為在MOSFET關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。 圖2 降壓斬波電路原理圖2.2降壓斬波電路工作原理圖直流降壓斬波電路使用一個(gè)全控型的電壓驅(qū)動(dòng)器件MOSFET，用控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制MOSFET 的導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)t=0 時(shí)MOSFET 管被激勵(lì)導(dǎo)通電源U向負(fù)載供電，負(fù)載電壓為Uo=U,負(fù)載電流io 按指數(shù)曲線上升，當(dāng)t=t1時(shí)控制MOSFET 關(guān)斷負(fù)載電流經(jīng)二極管VD 續(xù)流負(fù)載電壓Uo 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串聯(lián)的電感L較大

7、。電路工作時(shí)的波形圖如圖3所示。圖3 降壓斬波電路的工作波形至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電力電子系統(tǒng)工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖2所示。負(fù)載電壓平均值為 （2.2）負(fù)載電流平均值為式中，ton為MOSFET處于通態(tài)的時(shí)間；toff為MOSFET處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。由式（1.1）可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo最大為U，減小占空比，Uo隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。也稱buck變換器。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)試的方式不同，可分為三種工作方式：1) 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton 不變，改變開關(guān)T，稱為頻率

8、調(diào)制工作方式；2) 保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton ，稱為脈沖寬調(diào)制工作方式；3) 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和開關(guān)周期T 都可調(diào)，稱為混合型。3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.1驅(qū)動(dòng)電路方案選擇該驅(qū)動(dòng)部分是連接控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個(gè)功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使電力MOSFE 管可靠的開通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使MOSFET能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；(5)具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力。而電力MOSFET 是用柵極電壓來(lái)

9、控制漏極電流的，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率?。坏诙€(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快、工作頻率高。但是電力MOSFET電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò)10Kw 的電力電子裝置。在功率變換裝置中,根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式.美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、驅(qū)動(dòng)要求及電力MOSFET 管開關(guān)特性,選擇驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。芯片IR2110 管腳及內(nèi)部電路圖如下圖4 所示。圖4 IR2110 管腳及內(nèi)部電路圖3.2 驅(qū)動(dòng)電路原理IR2110 內(nèi)部

10、功能由三部分組成：邏輯輸入、電平平移及輸出保護(hù)。IR2110 驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖所示，其中C1，VD1分別為自舉電容和自舉二極管，C2 為VCC的濾波電容。假定在S 關(guān)斷期間C1已經(jīng)充到足夠的電壓（VC1 VCC）。當(dāng)HIN 為高電平時(shí)如下圖4-2 ，VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的柵極和源極之間，C1 通過(guò)VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時(shí)C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí)LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg2迅速對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使S2 在S1 開通之前迅速關(guān)斷

11、。圖5 IR2110 驅(qū)動(dòng)半橋電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示.圖6 驅(qū)動(dòng)電路圖4電路各元件的參數(shù)設(shè)定4.1 MOSFET簡(jiǎn)介MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶

12、體管（Static Induction Transistor-SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。 功率MOSFET的種類：按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型；當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型；對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。 4.1.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖1所示；其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子

13、（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET, （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。 MOSFET的結(jié)構(gòu)與電氣圖形符號(hào)如圖7所示。圖7 MOSFET的結(jié)構(gòu)與電氣圖形符號(hào)按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。功率MOSFET為多元集成結(jié)構(gòu)，如國(guó)

14、際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元；西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元；摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列。4.1.2功率MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子-電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面  當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)

15、表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。4.2各元件參數(shù)計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選大小為50v的直流電壓源，如果選取降壓斬波電路的占空比為，則輸出電壓Uo=25v，輸出功率，要求輸出功率為，可計(jì)算出負(fù)載電阻R=2.08。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成MOSFET功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。計(jì)算：由式 ，周期可由開關(guān)頻率得出為，把、代入上式得出Lc=1.04。雖說(shuō)電感L的值越大，得到的圖形越穩(wěn)定，但在此電路中，需要看到文波，因此按計(jì)算值設(shè)置參數(shù)就可以啦。計(jì)算：由式，要求脈動(dòng)率，取，計(jì)算2.5v，代入上式計(jì)算出C=2.4x H 。

16、雖說(shuō)電容C的值越大，得到的圖形越穩(wěn)定，但在此電路中，需要看到文波，因此按計(jì)算值設(shè)置參數(shù)就可以啦。若取其他占空比時(shí)各參數(shù)值的計(jì)算方法與此一致，不同占空比時(shí)各個(gè)參數(shù)的值如表1所示。 表1 不同占空比時(shí)各個(gè)參數(shù)的值占空比輸出電壓U0（V）脈動(dòng)電壓（V）負(fù)載R（）電感值（H）電容值C（F）20%2021.331.07×10-43.74×10-440%4045.333.20×10-49.38×10-550%5058.334.17×10-46.00×10-580%80821.334.27×10-42.34×10-590%909

17、27.002.70×10-41.85×10-5總結(jié)此次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程，我感慨很多。從理論到實(shí)踐，在課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間，我遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力。從最初拿到題目時(shí)，感覺應(yīng)該很簡(jiǎn)單，可到真正動(dòng)手去做的時(shí)候，真的覺得理想與現(xiàn)實(shí)的差距挺大。因?yàn)樵谧约旱闹R(shí)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)的大部分都是理論知識(shí)，對(duì)于這樣實(shí)際從一個(gè)課題做出報(bào)告書并不是很在行，不過(guò)也做過(guò)類似的報(bào)告。但是畢竟還是有一定的差距，因?yàn)檎n本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少，光靠書本上的知識(shí)根本解決不了，只有去圖書館借這方

18、面的書籍來(lái)。現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)不錯(cuò)的工具，有些不懂的或是書本上沒有的，就可以在網(wǎng)絡(luò)上查詢。所以這次課程設(shè)計(jì)的知識(shí)來(lái)源很廣，在此過(guò)程中也學(xué)到了很多課本上沒有的知識(shí)，豐富了自己的理論知識(shí)，還擴(kuò)寬了解決問(wèn)題的方法，感覺特別充實(shí)。在做這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)最終完成，在這之中有自己的努力，也有同學(xué)的幫忙，但更多的還是自己的努力。經(jīng)過(guò)這次的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)降壓斬波電路的理解，