电力电子课程设计--MOSFET升压斩波电路设计.doc

《电力电子课程综合实训》
课程设计

题 目:
MOSFET升压斩波电路设计

专 业：
电气工程及其自动化

班 级：

指导教师 ：

姓名

分工
制作设计任务书、元器件选择、电路参数计算、波形分析
仿真图线路连接、电路工作原理分析
资料搜集、电路图检查

2015年6月

目 录

第一章 前言 1
1.1概述 1
1.2 MOSFET介绍 1
1.3 PWM控制芯片SG3525介绍 1
第二章 MOSFET升压斩波电路设计 2
2.1 设计要求 2
2.2设计课题总体方案介绍及工作原理说明 2
2.1.1总体方案 2
2.3 设计方案各电路简介 2
2.3.1电容滤波单相不可控整流电路 2
2.3.2 MOSFET斩波电路 3
2.3.3触发电路 3
2.3.3保护电路 3
第三章 MOSFET升压斩波主电路设计 4
3.1电容滤波单相不可控整流电路 4
3.1.1电路原理图 4
3.1.2电路原理及其工作波形 4
3.1.3主要的数量关系 5
3.2 MOSFET升压斩波电路 5
3.2.1 电路原理图 5
3.2.2电路原理及其工作波形 5
3.2.3主要的数量关系 6
第四章 控制电路与保护电路设计 7

4.1 MOSFET驱动电路 7
4.1.1驱动电路原理图 7
4.1.2 电路工作原理 7
4.2 保护电路 8
4.1.1变压器的保护 8
第五章 总体电路原理图及其说明 9
5.1总体电路原理图 9
5.2 MATLAB仿真电路图 9
5.3仿真波形图 10
5.4波形分析 11
参考文献 13
第六章 心得体会 14

第1章 前言

1.1概述
直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。MOSFET升压斩波电路又称为boost变换器，它对输入电压进行升压变换。通过控制电路的占空比即通过MOSFET来控制升压斩波电路的输出电压。
直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件MOSFET在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。本文设计的是一个可调的直流升压斩波电源，利用MOSFET升压直流斩波电路原理,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路的控制电路用PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占空比可调的矩形波。
1.2 MOSFET介绍
MOSFET是金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为N沟道型与P沟道型的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
1.3 SG3525介绍
随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。
SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

第2章 MOSFET升压斩波电路设计

2.1 设计要求
1、输入直流电压：Ud=50V
2、输出功率：300W
3、开关频率5KHz
4、占空比10%~50%
5、输出电压脉率：小于10%
2.2设计课题总体方案介绍及工作原理说明
2.1.1总体方案

整流电路

电源
MOSFET
斩波电路

负载

保护电路

触发电路

图1 MOSFET升压斩波电路基本组成框图
2.3 设计方案各电路简介
2.3.1电容滤波单相不可控整流电路
电容滤波单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入场合。本设计中采用的是单相桥式接法，其作用是将直接输入的220V交流电压转变为我们所需大小的直流电压，然后提供给MOSFET升压斩波部分作为输入。
2.3.2 MOSFET斩波电路
MOSFET斩波电路是被设计的核心部分，而其核心器件又是MOSFET。本部分是通过触发电路控制MOSFET的开启与关断，再利用电感和电容的储能作用实现升压功能的。
2.3.3触发电路
本设计的触发电路是基于SG3525控制芯片设计的。由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端管脚11和输出端B管脚与MOSFET的栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET。
2.3.3保护电路
鉴于电源电路存在一些不稳定因素，而设计用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。保护电路是防止电压或电流过大造成元器件的的损坏而导致电路不能正常工作。

第3章 MOSFET升压斩波主电路设计

3.1电容滤波单相不可控整流电路
3.1.1电路原理图
如图2

图2 电容滤波单相不可控整流电路图
3.1.2电路原理及其工作波形
在的正半轴过零点至wt=0的期间，因为﹤,故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需的电流，同时下降。至wt=0之后，将超过，使得VD1和VD4开通，=，交流电源向电容充电，同时向负载R供电，如图3。
图3 电容滤波单相不可控整流电路波形图

3.1.3主要的数量关系
1.输出电压平均值
空载时，R=∞，输出电压最大，=2.
重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。随着负载加重，U逐渐趋近于0.9，即趋近于电阻负载特性。
在设计时根据负载的情况选择电容C,使 , T为交流电源的周期，此时输出电压为
（1）

则 （2）
（3）
3.2 MOSFET升压斩波电路
3.2.1 电路原理图
如图4

图4 MOSFET升压斩波电路
3.2.2电路原理及其工作波形
假设电路中电感L和电感C的值很大。
当MOS管处于通态时，电源E向电感L充电，当充电电流基本恒定为，同时电容C上的电压向负载R供电。因为C的值很大，基本保持输出电压u0为恒值。
当MOS管处于断态时，电源E和电感L共同向电容C充电并向负载R提供能量。
设MOS管处于通态的时间为，此期间电感L上积蓄的能量为。
设MOS管处于断态的时间为，此期间电感L释放的能量为
当电路工作处于稳态时，一个周期T中电感积蓄的能量与释放的能量相等，
即
（4）
化简得
（5）

波形如图5

图5 MOSFET升压斩波电路波形
3.2.3主要的数量关系
用占空比的形势表示输出电压
（6）
本设计中取占空比α=50%，则
（7）
输出电流的平均值为
（8）
负载电阻的阻值为
R=75Ω （9）

第4章 控制电路与保护电路设计
4.1 MOSFET驱动电路
4.1.1驱动电路原理图
如图6

图6 MOSFET驱动电路图
4.1.2 电路工作原理
SG3525是电流控制型PWM控制芯片，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
当SG3525芯片工作时，会从输出端口引脚11和引脚14输出PWM信号。由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端引脚11和引脚与MOSFET的栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET。

4.2 保护电路
4.1.1变压器的保护
1.参数计算
变压器二次侧电流为
(10)
电流有效值 1.51.57A=2.355A (11)
考虑有一定的余量，FU2可以选用5A的熔断器
变压器的变压比为 110∶21
变压器一次侧电流 (12)
考虑有一定的余量，FU1可以选用3A
2.变压器保护电路原理图
如图7
图7 变压器保护电路原理图

第5章 总体电路原理图及其说明
5.1总体电路原理图
如图8

图8 总体电路原理图
5.2 MATLAB仿真电路图
如图9

图9 MATLAB仿真电路图
5.3仿真波形图
如图10
图10 MATLAB仿真波形图

占空比仿真图

输出电流仿真图

输出电压仿真图

5.4波形分析
输出电压U=100V
输出电压范围98V~101V
电压脉率
(13)

(14)

经计算可知，输出电压脉率小于10%，满足设计要求。

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参考文献
[1] 康华光，陈大钦.模拟电子技术基础 [M] .北京：高等教育出版社，2006.8
Kang youhua, Chen daqin. Analog elegtronic technology foundation [M] .Beijing: Higher education press, 2006. 8 (in chinese)
[2] 李源生.电路与模拟电子技术 [M] .成都：电子工业出版社,2007.10
Li yuansheng. Circuit and analog technology [M] .Chengdu: Electronic industry press, 2007. 8(in chinese)
[3] 王赵安，刘进军.电力电子技术 [M] .北京：机械工业出版社,2008.12
Wang zhaoan, Liu zhijun. Electric power and electronic technology [M] .Chengdu: Electronic industry press, 2007. 12(in chinese)

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第6章 心得体会
本次的电力电子课程设计中，我们小组三人查阅了很多资料，向老师请教才得以解决。这让我们了解到课本知识和实践设计还是有很大的差别，这更加让我理解了真理出自实践这句名言的可贵之处，也知道实践是检验真理的唯一标准。我门懂得了要完成一个电路的设计，理论基础是根基，实践操作是完成事物的重要部分，而创新能力则决定了一个电路的价值，因为设计一个电路，绝不是简单的按课本的电路图进行简单的拼凑，我们要进行电路各个元件参数的计算，这个涉及我们所掌握的理论知识，元件的计算是设计中较为重要的一部分，计算准确，则设计出来的电路误差不大，否则，设计出来的电路性能指标根要求相差甚远。最困难的是当电路出现问题时如何检测出错误之处，如何排除错误，它考验了我们如何运用理论知识和实际的调试的能力，另外，通过这次课程设计，我们掌握了常用元件的识别和测试，熟悉了常用的仪器，了解了电路的连接，掌握解决电路中所出现问题的方法，巩固了基础，提高了实际操作技能，并养成注重设计，追求创新的思维习惯。总的来说，这次的课程设计真正培养了我们分析问题，解决问题的能力，同时也对电力电子课程有了进一步的认识。

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