MOSFET升降压斩波电路.docx

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1、MOSFET 升降压斩波电路电力电子技术课程设计报告MOSFET 升降压斩波电路设计班姓级:名:110306 班*学号:20231049指导教师: 侯云海时 间: 2023 年 1 月 10 日题目:MOSFET 升降压斩波电路设计一、课程设计的目的1. 电力电子技术的课程设计是电力电子技术课程的一个重要的实践教学环节。它与理论教学和实践教学相协作可使我们在理论联系实际综合分析理论计算归纳整理和试验争论方面得到综合训练和提高从而培育学生独立解决实际问题的力量。2. 加深理解电力电子技术的课程内容建立正确的设计思想生疏工程设计的挨次和方法提高正确使用技术资料标准手册等的独立工作力量。3. 为后续

2、课程的学习打下坚实的根底。二、设计的技术数据及要求1、沟通电源:单相 220V,2、前级整流输出输电压: U=50V，80V, d3、输出功率:300W,4、开关频率 5KHz,5、占空比 10%90%,6、输出电压脉率:小于 10%。三、设计内容及要求1、方案的论证及方案的选择:1.1 总体方案论证图 11.2 方案一:MOSFET 降压斩波电路, MOSFET 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供给通道设臵了续流二极管 VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源也可拖动直

3、流电动机或带蓄电池负载等。图 2 降压斩波电路原理图, MOSFET 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用掌握电路和驱动电路来掌握 MOSFET 的导通或关断。当 t=0 时 MOSFET 管被鼓励导通电源 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 时掌握 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。至一个周期 T 完毕再驱动 MOSFET 导通重复上一周期的过程。当电力电子系

4、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: ,2.1,负载电流平均值为: ,2.2,式中t 为 MOSFET 处于通态的时间,t 为 MOSFET 处于断态的 onoff 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 U 最大为 U减小 o占空比,U 随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称 bucko 变换器。依据对输出电压平均值进展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 不变转变开关 T称为频率调制工作方式,2, 保持开关周期 T 不变调整开关导通时间 称为脉冲宽调制工作方式,3) 开关导

5、通时间和开关周期 T 都可调称为混合型。图 3 降压斩波电路的工作波形2、主电路的设计2.1 整流电路的设计整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要也是应用最为广泛的电路。不仅应用于工业也广泛应用于交通运输电力系统通信系统能源系统等其他领域。本试验装臵承受单相桥式全控整流电路,所接负载为纯电阻负载,如图 4 所示。图 4 单相桥式全控整流电路在单项桥式全控整流电路中晶闸管 VT1 和 VT4 组成一对桥臂VT2 和 VT3 组 成另一对桥臂。在 u2 正半周,即 a 点电位高于 b 点电位, 假设 4 个晶闸管均不导 通负载电流 id 为零ud 也为零VT1、VT4 串联承受

6、电压 u2设 VT1 和 VT4 的漏电 阻相等则各承受 u2 的一半。假设在触发角 处给 VT1 和 VT4加触发脉冲VT1、 VT4 即导通电流从 a 端经 VT1、R、VT4 流回电源 b 端。当 u2 为零时流经晶闸管 的电流也降到零VT1 和 VT4 关断。在 u2 负半周仍在触发延迟角 处触发 VT2 和 VT3,VT2 和 VT3 的 =0 处为 t=, VT2 和 VT3 导通电流从电源的 b 端流出经 VT3、R、VT2 流回电源 a 端。到 u2 过零时电流又降为零VT2 和 VT3 关断。此后又是 VT1 和 VT4 导通。如此循环工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反2

7、 向电压分别为 U2 和 U2。图 5 是电阻性负载的单项桥式全控 22 整流电路波形图。图 5 单项桥式全控整流电路电阻性负载波形图整流电压平均值为:, 11cos，,22sin0.92UtdtU, U,d2, , 向负载输出的直流电流平均值为:Ud, RId流过晶闸管的电流平均值为:,12IIdvTd题目中要求前级整流输出电压限制在 50V100V 之间输入电压 U1 为 220V 则输入电压 U2 最大为 41.7 变压器匝数比 N1:N2=4:1 。2.2 电路各元件的参数设定2.2.1 MOSFET 简介MOSFET 的原意是:MOS,Metal Oxide Semiconducto

8、r 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,利用电场的效应来掌握半导体,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掌握漏极电流驱动电路简洁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

9、般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装臵。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加型,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 沟道增加型。2.2.2 功率 MOSFET 的构造功率 MOSFET 的内部构造和电气符号如图 6 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 管一样但构造上有较大区分小功率 MOS 管是横向导电器件功率 MOSFET 大都承受垂直导电构造 又称为 VMOSFET,

10、 ,Vertical MOSFET,大大提高了 MOSFET 器件的耐压和耐电流力量。图 6 MOSFET 的构造与电气图形符号2.2.3 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 J 反偏漏源极之间无电流流过。 1导电:在栅源极间加正电压 U栅极是绝缘的所以不会有栅极 GS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 区外表。当 U 大于 U,开启电压或阈值电压,时栅极下 P 区外表的 GST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

11、 N 沟道而使 PN 结 J 消逝漏极和源极导电。 12.2.4 各元件参数计算100V 依据设计要求可选大小为的直流电压源假设选取降压斩波2Uo50%P,电路的占空比为则输出电压输出功率要求 UV,50ooR300W 输出功率为可计算出负载电阻 R,8.33。电压掌握电压源和脉冲电压源可组成 MOSFET 功率开关的驱动电路。,4T5KHz 计算 LU:由式周期可由开关频率得出为把、210，sCo,4P 代入上式得出。虽说电感 L 的值越大得到的图形 LH,，4.1710oC越稳定但在此电路中需要看到文波因此按计算值设臵参数就可以啦。C,10%10% 计算:由式要求脉动率取计算代入上式计算出

12、。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臵参数就可以啦。假设取其他占空比时各参数值的计算方法与此全都不同占空比时各个参数的值如表 7 所示。表 7 不同占空比时各个参数的值输出电压脉动电压负载 R 电容值 C 占空比 电感值(H)(V) (V) () (F) U0-4 -420% 20 2 1.33 1.07103.7410-4-540%4045.33 3.2010 9.3810-4-550%5058.33 4.1710 6.0010-4-580%80821.33 4.2710 2.3410-4-590%90927.00 2.7010 1.85103、掌握

13、电路设计SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成 PWM 掌握芯片它简洁牢靠及使用便利敏捷输出驱动为推拉输出形式增加了驱动功能,内部含有欠压锁定电路、软启动掌握电路、PWM 锁存器有过流保护功能频率可调同时能限制最大占空比。 其特点如下:,1,工作电压范围宽:835V。,2,5.1,11.0%,V 微调基准电源。,3,振荡器工作频率范围宽:100Hz400KHz.,4,具有振荡器外部同步功能。,5,死区时间可调。,6,内臵软启动电路。,7,具有输入欠电压锁定功能。,8,具有 PWM 琐存功能制止多脉冲。,9,逐个脉冲关断。,10,双路输出,灌电流/拉电流,:mA(峰值)。 S

14、G3525 内臵了 5.1V 周密基准电源微调至 1.0%在误差放大器共模输入电压范围内无须外接分压电组。SG3525 还增加了同步功能可以工作在主从模式也可以与外部系统时钟信号同步为设计供给了极大的敏捷性。在 CT 引脚和 Discharge 引脚之间参加一个电阻就可以实现对死区时间的调整功能。由于 SG3525 内部集成了软启动电路因此只需要一个外接定时电容。SG3525 内部构造如图 2.5 所示直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路一路加到或非门,另一路送到基准电压稳压器的输入端产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻 R

15、T 和电容 CT 打算振荡器的输出分为两路一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门,另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端比较器的反向输入端接误差放大器的输出误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进展比较输出一个随误差放大器输出电压凹凸而转变宽度的方波脉冲再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。其他引脚分别为:引脚 1 为反相输入2 为同相输入引脚3 为同步端引脚4 为振荡器输出引脚7 为放电端引脚8 为软启动端引脚9 为补偿引脚10 为闭锁掌握引脚引脚 12 接地。内部构造如图 8 所示:图 8 掌握电路内部构造图在升降压斩波电路中三极管 V 的基极接驱动电路的 V-G放射极 E 接驱

16、动电路的 V-E结点 11、12、13、14 为 SG3525 的相应引脚。如图 9:图 9 SG3525 芯片的相应引脚4、MOSFET 驱动电路设计4.1 驱动电路方案选择该驱动局部是连接掌握局部和主电路的桥梁该局部主要完成以下几个功能:(1)供给适当的正向和反向输出电压使电力 MOSFE 管牢靠的开通和关断,(2)供给足够大的瞬态功率或瞬时电流使 MOSFET 能快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足够高的输入输出电气隔离性能使信号电路与提高工作效率,(4) 栅极驱动电路绝缘,(5)具有灵敏的过流保护力量。而电力 MOSFET 是用栅极电压来掌握漏极电流的因此它的第

17、一个显著特点是驱动电路简洁需要的驱动功率小,其次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 的电力电子装臵。在功率变换装臵中,依据主电路的构造起功率开关器件一般承受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臵中驱动器件的首选。依据设计要求、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以下图 10 所示。图 10 IR2110 管脚及内部电路图4.2 驱动电路原理IR2110 内部功能由三

18、局部组成:规律输入、电平平移及输出保护。IR2110 驱动半桥的电路如下图其中 C1VD1 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 为高电寻常如以下图 11VM1 开通VM2 关断VC1 加到 S1 的栅极和源极之间C1 通过 VM1Rg1 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 导通这时聚拢在 S2 栅极和源极的电荷在芯片内部通过 Rg2 快速对地放电由于死区时间影响使 S2

19、在 S1 开通之前快速关断。图 5 IR2110 驱动半桥电路图 11设计驱动电路如图 12 所示:图 12 驱动电路图四、电路保护电力电子电路中除了电力电子器件参数选择适宜驱动电路设计良好外承受适宜的过电压保护、过电流保护、du/dt 保护和 di/dt 也是必需的。抑制过电压的方法:用非线性元件限制过电压的幅度用电阻消耗生产过电压的能量用储能元件吸取生产过电压的能量。 对于非线性元件不是额定电压小使用麻烦就是不宜用于抑制频繁消灭过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸取生产过电压的能量的保护。使用 RC 吸取电路这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电

20、容两端电压不能突变所以能有效抑制过电压串联电阻消耗局部产生过电压的能量并抑制 LC 回路的震惊。保护电路如图 13 所示。图 13 过压保护电路图除此之外还有其他的保护装臵如下:1 防止阳极电压上升率过高保护 ?在保护电路中串联接入适当的电感即可起到防止阳极电压上升率过高的保护。2 晶闸管的过电压保护 ?晶闸管的过电压力量较差当它承受超过反向击穿电压时会被反向击穿而损坏。假设正向电压超过管子的正向转折电压会造成晶闸管硬开通不仅使电路工作失常且屡次硬开关也会损坏管子。因此必需抑制晶闸管可能消灭的过电压常承受简洁有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护我们使用阻容保护。

21、3 晶闸管的过电流保护 ?常见的过电流保护有:快速熔断器保护过电流继电器保护直流快速开关过电流保护。4 快速熔断器保护是最有效的保护措施,过电流继电器保护中?过电流继电器开关时间长,只有在短路电流不大时才有用,直流快速开关过电流保护功能很好但造价高体积大不宜承受。 因此最正确方案是用快速熔断器保护。快速熔断器,1,前级整流电路负载平均电压错误:未找到引用源。上升纹波减小且错误:未找到引用源。C 越大电容放电速率越慢则负载电压中的纹波成分越小负载平均电压越高。为得到平滑的负载电压一般取:错误:未找到引用源。=错误:未找到引用源。C 错误:未找到引用源。(35)错误:未找到引用源。式中 T 为电源

22、沟通电压的周期。电容滤波电路的负载电压错误:未找到引用源。与错误:未找到引用源。的关系约为:令整流后输出电压为 50V则整流前输入电压 :=/1.2=50/1.2=41.7 VV2L由于电源为沟通单项 220V变压器变比需满足:=220:41.7=4:1 VV12此时前级整流输出电压 E 为 50V。并且为满足输出电流最大 2A整流电路中每个二极管所承受的 Io 最大电流为=/2=1A。 IIVTo变压器二次侧的电流 2A由变压器变比为 4:1流过一次侧的电流为 0.5A。,2,输出直流电压要求输出直流电压在 10100V 可调由输出电压公式 Uo,可知当 U 为 10V 时占空比=1/6,当

23、 U 为 100V 时UE,ooO1, 占空比=2/3。即掌握占空比在 1/62/3 之间可得输出直流电压, U 在 10100V 可调。 o,为使电路正常工作驱动电路中 R1、R2 为 1KR3 为 5.1KR4 为 10K电位器 R0 为 0100KR5 为 10K。要求最大输出电流为 2A故负载功率范围为 20200W流过 VT 二极管、V 三极管的最大电流为 2A。熔断器的最大熔断电流为 2A。可选 WICKMANN 181 2A 陶瓷管保险丝。,3,其他器件选择 整流电路中二极管选择为 IN5232驱动电路 中二极管选择为 IN4148驱动电路中 C1 为 0.01F。 五、总结及心

24、得体会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间我遇到了很多困难但是同时也学到了好多东西。它不仅稳固了以前所学的理论学问更是学到了很多课外的东西熬炼了自己解决实际问题的力量。从最初拿到题目时感觉应当很简洁可到真正动手去做的时候真的觉得抱负与现实的差距挺大。由于在自己的学问系统中学习的大局部都是理论学问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。但是到底还是有肯定的差距由于课本上涉及这局部的原理学问比较少光靠书本上的学问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

25、课程设计的学问来源很广在此过程中也学到了很多课本上没有的学问丰富了自己的理论学问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缺乏之处知道自己对以前所学过的学问理解得不够深刻把握得不够结实以后还要努力。通过这次课程设计觉察了自己的缺乏和缺陷也熬炼了自己将理论学问运用到实际中的力量受益良多。 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助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的学问增加了解决问题的力量。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肯定还会花时间学习的只有连

26、续努力才会学到更多的学问。六、参考文献1 周克宁.电力电子技术M. 北京:机械工业出版社2023 2 王兆安,刘进军.电力电子技术M. 北京:机械工业出版社2023 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20234 王维平.现代电力电子技术及应用M. 南京:东南大学出版社19995 叶斌.电力电子应用技术及装臵M. 北京:铁道出版社 1999 6 周志敏, 周纪海等.现代开关电源掌握电路设计及应用M. 北京:人民邮电出版社,2023七、电路原理图1V3LRiio UC1IGBT M VzCoV2V4RgUL 沟通电沟通电直流电驱动电路压检测流检测压检测SPWM 比较器电流调三角波 ULf 乘法器节器发生器 URUCULo 直流参电压调整器考电压