MOSFET直流斩波电路的设计.docx

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1、MOSFET 直流斩波电路的设计设计要求利用 MOSFET 设计一降压变流器。输入电压 E=50V，输出电压 Ud=20V ，负载电阻为10，电感 2mH 。设计方案电力电子器件在实际应用中，一般是由掌握电路、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掌握电路依据系统的工作要求形成掌握信号，通过驱动电路去掌握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。依据 MOSFET 降压斩波电路设计任务要求设计主电路、掌握电路、驱动电路及保护电路，其构造框图如图 1-1 所示。掌握电路含保护电路驱动电路主电路图 1-1在图 1-1 构造框图中，掌握电路

2、用来产生 MOSFET 降压斩波电路的掌握信号，掌握电路产生的掌握信号传到驱动电路，驱动电路把掌握信号转换为加在 MOSFET 掌握端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过掌握MOSFET 的开通和关断来掌握 MOSFET 降压斩波电路工作。掌握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 降压斩波主电路设计2.1 电力MOSFET 降压斩波主电路在电力系统中，直接担当电能的变换或掌握任务的电路称为主电路。MOSFET 降压斩波电路的主电路图如以下图 2-1 所示。该电路使用一个全控型器件电力 MOSFET。且为了给负载中的电感电流供给通道，设置有续流二

3、极管 VD。电路通过在电力 MOSFET 管的掌握端输入掌握信号，以得到所需要的输出电压，实现降压。2.2 电路原理分析图 2-2电流续流时工作波形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 E 向负载供电，负载电压为 Ud=E,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Ud 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 2-2 所示：一个周

4、期 T 完毕，再驱动 MOSFET 导通，重复上一周期的过程。当电力电子系统工作在稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载侧输出电压平均值为：TTU=onE = on E = a Ed平均电流值为：IdT+ TTonoffU=dR式中 T 为 MOSFET 开关周期， Ton为导通时间，a为占空比。通过调整占空比小。a 使输出到负载的电压 Ud 最大为 E，假设减小占空比，则 Ud 随之减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 ton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 ton，称为脉冲宽调制

5、工作方式；3) 开关导通时间 ton和开关周期 T 都可调，称为混合型。但是普遍承受脉冲宽调制工作方式，由于承受频率调制工作方式简洁产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是承受脉冲宽调制掌握 MOSFET 的通断。2.3 主要器件的选择主电路中，电源、电感及电阻的参数由设计要求给定，现确定主电路中MOSFET 管及电力二极管的参数：其中 MOSFET 管的主要参数包括漏极电压UDS，漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值I。而依据设计要求可知，电源为 50V 直流电压源，计算得，主电路平均电流DMUI=d = 2 A ；有效电流值 IdRD= 3.14 A ；所以可选择额定电压为 60V

6、,额定电流为 6A 的 MOSFET 管。同样对于电力二极管，可选择额定电压为 60V，电流为 6A 的二极管。3 掌握电路设计掌握电路方案选择MOSFET 掌握电路的功能有：给变流器的电子开关供给掌握信号；以及对保护信号作出反响，关闭掌握信号。脉宽调整器的根本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入始终流电平，比较后输出一方波信号，转变负输入端直流电平的大小，即可转变方波信号的脉宽。对于掌握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 发生芯片来掌握。该设计中我选用 PWM 发生芯片T

7、L494 芯片来进展调整掌握。TL494 的引脚图如图 3-1 所示：3.2 掌握电路原理图 3-1TL494 管脚排列图TL494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进展调整，其振荡频率如下：1.1foscR CTT其内部构造图如图 3-2 所示：输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个掌握信号进展比较来实现。功率输出管Q1 和 Q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电寻常才会被选通，即只有在锯齿波电压大于掌握信号期间才会被选通。当掌握信号增大，输出脉冲的宽度将减小。掌握信号由集成电路外部输入，一路送至死

8、区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有 120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的 4%，当输出端接地，最大输出占空比为 96%，而输出端接参考电寻常，占空比为 48%。当把死区时间掌握输入端接上固定的电压范围在 03.3V 之间即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调整输出脉宽供给了一个手段：当反响电压从 0.5V 变化到 3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到Vcc-2.0的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流觉察得到。误差放大器的输出端常处

9、于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进展 “或”运算，正是这种电路构造，放大器只需最小的输出即可支配掌握回路。当比较器 CT放电，一个正脉冲消灭在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进展计时，同时停顿输出管Q1 和 Q2 的工作。假设输出掌握端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。假设工作于单端状态， 且最大占空比小于 50%时，输出驱动信号分别从晶体管 Q1 或 Q2 取得。输出变压器一个反响绕组及二极管供给反响电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1 和 Q2 并联使用，这时，需将输出模式掌握脚接地以关闭双稳触发

10、器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。掌握电路如以下图 3-3 所示：图 3-3 掌握电路图4 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MOSFET 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，因此它的第一个显著特点是驱动电

11、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 的电力电子装置。在功率变换装置中，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，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。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 4-1 所示：图 4-1IR2110 管脚及内部电路图4.2 驱动电路原理IR2110 内部功能由三局部组成：

12、规律输入；电平平移及输出保护。R2110 驱动半桥的电路如下图，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 S1 关断期间 C1 已经充到足够的电压VC1 VCC。图 4-2IR2110 驱动半桥电路当 HIN 为高电寻常如以下图 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，这时聚拢在 S2 栅极和源极的电荷在芯片内部通过

13、 Rg2 快速对地放电，由于死区时间影响使 S2 在 S1 开通之前快速关断。设计驱动电路如图 4-3 所示：图 4-3驱动电路图5 MATLAB 仿真与分析1) 设计电路硬件图如以下图 5-1 所示：图 5-1 设计电路硬件图2仿真电路如以下图 5-2 所示：图 5-2simulink 仿真图3） 仿真输出电压波形图如以下图 5-2 所示：图 5-3 仿真输出电压波形图4） 仿真输出电流波形图如以下图 5-3 所示：图 5-4仿真输出电流波形图由输出电压波形得，输出电压满足设计要求，输出平均电压值为 20V，符合设计要求而输出电流波形为断续波形。6 心得与体会本次课程设计中，从理论到实践，在

14、短短一星期的时间里，我遇到了很多问题，也学到了很多东西。它不仅稳固了我以前所学的理论学问，更使我们知道了由理论结合实践的根本方法，熬炼了自己解决实际问题的力量。在此次课程设计过程中，遇到的主要问题集中在设计掌握与驱动电路中。虽然遇到的问题比较多，靠自己专业课上所学的学问还不能完全解决，但通过网上查找资料，询问同学，与同学一起探讨，根本解决了这些问题，同时也学到了很多课本上没有的东西。在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的哪些缺乏之处，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，以后仍需努力。通过这次课程设计，看到了自己的缺乏之处，同时也熬炼了自己将理论学问运用到实际中的力量，加强了自己的实际运用力量，也学会了怎么样去分析问题和解决问题。参考文献1 王兆安, 刘进军2 张义和.Protel DXP 电路设计快速入门，中国铁道出版社，20233 薛定宇，陈阳泉.基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用，清华大学出版社，20234 陈礼明.实际直流斩波电路中假设干问题的浅析，梅山科技，2023