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 1
1.1 设计要求 1
1.2 设计方案 1
二.降压斩波电路设计方案 2
2.1降压斩波电路原理图 2
2.2降压斩波电路工作原理图 2
三.控制电路 3
3.1工作原理 4
3.2控制芯片介绍 5
四. MOSFET驱动电路设计 6
4.1驱动电路方案选择 6
4.2 驱动电路原理 7
五.电路各元件的参数设定 8
5.1 MOSFET简介 8
5.2功率MOSFET的结构 8
5.3功率MOSFET的工作原理 9
5.4各元件参数计算 9
六. 保护电路 10
6.1主电路器件保护 10
6.2 负载过压保护 11
七． 仿真电路及其仿真结果 11
7.1仿真结果分析 15
八．总结 16
九．参考文献 18

MOSFET降压斩波电路设计
一.设计要求与方案
1.1 设计要求
①利用MOSFET设计一个降压斩波电路。
②输入直流电压=100V，输出功率P=300W。
③开关频率为5KHz，占空比10%到90%。
④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=0.01μF,=,=。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（Ω）
电感值（H）
电容值C（F）
20%
20
2
1.33
1.07×10-4
3.74×10-4
40%
40
4
5.33
3.20×10-4
9.38×10-5
50%
50
5
8.33
4.17×10-4
6.00×10-5
80%
80
8
21.33
4.27×10-4
2.34×10-5
90%
90
9
27.00
2.70×10-4
1.85×10-5

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，2004
[2] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2009
[3] 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，2001
[4] 王维平.现代电力电子技术及应用[M]. 南京：东南大学出版社，1999
[5] 叶斌.电力电子应用技术及装置[M]. 北京：铁道出版社，1999
[6] 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,2005
[7] 王正林,王胜开等. MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第2版) [M]. 北京：电子工业出版社，2008

18