MOSFET降壓斬波電路設(shè)計

1、標(biāo)準(zhǔn)實用文案題目MOSFET 降壓斬波電路設(shè)計姓名學(xué)號班級指導(dǎo)老師日期文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案前言直流 - 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?，這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

2、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)的基本斬波電路進行組合，可構(gòu)成多相多重斬波電路。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案目錄1.設(shè)計要求與方案11.1 設(shè)計要求11.2 設(shè)計方案12 降壓斬波電路設(shè)計方案22.1 降壓斬波電路原理圖22.2 降壓斬波電路工作原理圖23 MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計33.1 驅(qū)動電路方案選擇33.2 驅(qū)動電路原理4文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案4保護電路 .54.1過電壓保護 .54.2過電流保護 .65電路各元件的參數(shù)設(shè)定 .65.1 MOSFET

3、 簡介 .65.1.1 功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu) .75.1.2 功率 MOSFET 的工作原理.85.2各元件參數(shù)計算 .86系統(tǒng)仿真及結(jié)論 .96.1仿真電路及其仿真結(jié)果 .96.2 仿真結(jié)果分析 .16總結(jié) .16參考文獻 .17文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案MOSFET 降壓斬波電路設(shè)計1.設(shè)計要求與方案1.1 設(shè)計要求利用 MOSFET 設(shè)計一個降壓斬波電路。輸入直流電壓 Ud=100V ，輸出功率 P=300W ，開關(guān)頻率為 5KHz ，占空比 10% 到 90% ，輸出電壓脈率小于 10% 。1.2 設(shè)計方案電力電子器件在實際應(yīng)用中， 一般是由控制電路、 驅(qū)動電路、 保護電路及以電力電子器件

4、為核心的主電路組成一個系統(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， 通過驅(qū)動電路去控制主電路中電路電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。根據(jù) MOSFET 降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、 驅(qū)動電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示?？仉娐夫?qū)動電路主電路圖 1 電路結(jié)構(gòu)圖在圖 1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路用來產(chǎn)生MOSFET 降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(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。 通過控制 MOSFET的開通和關(guān)斷來控制 MOSFET 降壓斬波電路工作。 控制電路中保護電路是用來

5、保護電路，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓現(xiàn)象而損壞電路設(shè)備。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案2 降壓斬波電路設(shè)計方案2.1 降壓斬波電路原理圖降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖2 所示。該電路使用一個全控型器件 V，圖中為 MOSFET 。為在 MOSFET 關(guān)斷時給負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，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。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全控型的電壓驅(qū)動器件MOSFET ，用控制電路和驅(qū)動電路來控制 MOSFET 的導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng) t=0時MOSFET 管被激勵導(dǎo)通電源 U向負載供電

6、，負載電壓為 Uo=U, 負載電流 io 按指數(shù)曲線上升，當(dāng) t=t1 時控制 MOSFET 關(guān)斷負載電流經(jīng)二極管 VD 續(xù)流負載電壓 Uo 近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小通常使串聯(lián)的電感 L較大。電路工作時的波形圖如圖 3所示。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案圖 3 降壓斬波電路的工作波形至一個周期 T 結(jié)束，再驅(qū)動 MOSFET 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電力電子系統(tǒng)工作處于穩(wěn)態(tài)時， 負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖 2 所示。負載電壓平均值為UO =t onU = t on U = U（2.1 ）ton + t offT負載電流平均值為（ 2.2）UoIO =R式

7、中， ton為 MOSFET 處于通態(tài)的時間； toff 為 MOSFET 處于斷態(tài)的時間；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)對輸出電壓平均值進行調(diào)試的方式不同，可分為三種工作方式：1) 保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton 不變，改變開關(guān) T，稱為頻率調(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)通時間t on ，稱為脈沖寬調(diào)制工作方式；3) 開關(guān)導(dǎo)通時間ton 和開關(guān)周期 T 都可調(diào)，稱為混合型。3 MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計3.1 驅(qū)動電路方案選擇該

8、驅(qū)動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功能：(1) 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海闺娏?MOSFE 管可靠的開通和關(guān)斷； (2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使MOSFET 能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通； (3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；(5) 具有靈敏的過流保護能力。而電力 MOSFET 是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單， 需要的驅(qū)動功率?。?第二個顯著特點是開關(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10Kw的

9、電力電子裝置。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案在功率變換裝置中 ,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)動和隔離驅(qū)動兩種方式 .美國 IR公司生產(chǎn)的 IR2110 驅(qū)動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。根據(jù)設(shè)計要求、驅(qū)動要求及電力 MOSFET 管開關(guān)特性 ,選擇驅(qū)動芯片 IR2110來實現(xiàn)驅(qū)動。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)動電路原理IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入、電平平移及輸出保護。IR2110 驅(qū)動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

10、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 VM1 ，Rg1 和柵極和源極形成回路放電，這時 C1 就相當(dāng)于一個電壓源，從而使 S1導(dǎo)通。由于 LIN 與HIN 是一對互補輸入信號，所以此時LIN 為低電平， VM3 關(guān)斷， VM4 導(dǎo)通，這時聚集在 S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過 Rg2 迅速對地放電，由于死區(qū)時間影響使S2 在S1 開通之前迅速關(guān)斷。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案圖 5 IR2110 驅(qū)動半橋電路設(shè)計驅(qū)動電路如圖 6所示 .圖 6 驅(qū)動

11、電路圖4 保護電路4.1 過電壓保護當(dāng)達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量， 從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案電路中的過壓。 與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖7圖 74.2 過電流保護當(dāng)電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。 當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可

12、逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗， 以及交流電源電壓過高或過低、 缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當(dāng)?shù)倪^流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種的過流保護措施。5 電路各元件的參數(shù)設(shè)定5.1 MOSFET 簡介MOSFET 的原意是： MOS（ Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體）， FET（ Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M ）的柵極隔著氧化層（ O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵

13、型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡稱功率 MOSFET（ Power MOSFET ）。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案Transistor-SIT）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，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)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強型；對于 N（P）

14、溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道， 功率 MOSFET主要是 N 溝道增強型。功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)功率 MOSFET 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖1 所示；其導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。 導(dǎo)電機理與小功率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)與電氣圖形符號如圖8 所示。圖 8 MOSFET 的結(jié)構(gòu)與電氣圖形符號文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異

15、， 又分為利用 V 型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET 和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS 結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET （Vertical Double-diffusedMOSFET ），本文主要以 VDMOS 器件為例進行討論。功率 MOSFET 為多元集成結(jié)構(gòu)，如國際整流器公司（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。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

16、區(qū)之間形成的 PN 結(jié) J1 反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓U GS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面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，柵極下 P 區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，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。5.2 各元件參數(shù)計算根據(jù)設(shè)計要求可選大小為100V 的直流電壓源，如果選取降壓斬波電路的占空比為 50% ，則輸出電壓 U o50V ，輸出功率 PU o2，要求輸

17、出功率為600W，oR可計算出負載電阻 R=4.17 。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)動電路。2)計算 LC ：由式L =UO(1-10 4 s，T，周期 T 可由開關(guān)頻率 5KHz 得出為 2C2P O文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案把 U o 、Po 代入上式得出 LC2.0810 4 H 。雖說電感 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，因此按計算值設(shè)置參數(shù)就可以啦。計算 C ：由式C =UO ( 1 - )10% ，取 10% ，計算 ?U0 =T2 ，要求脈動率8L? UOU0 10% = 5V，代入上式計算出C = 1.20 10- 4 F。雖說電

18、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， 因此按計算值設(shè)置參數(shù)就可以啦。若取其他占空比時各參數(shù)值的計算方法與此一致， 不同占空比時各個參數(shù)的值如表 1 所示。表 1 不同占空比時各個參數(shù)的值輸出電壓 U 0脈動電壓占空比? U0 （V）負載 R（）電感值LC（ H ）電容值 C（ F）（ V ）20%2020.670.53 10 -47.50 10 -440%4042.671.60 10 -41.88 10 -450%5054.172.08 10 -41.20 10 -480%80810.672.13 10 -44.69 10 -590%90913.501.35 1

19、0 -43.70 10 -56 系統(tǒng)仿真及結(jié)論6.1 仿真電路及其仿真結(jié)果在 MAT LAB 里的 Model 畫出仿真的圖形。仿真電路圖如圖 9 所示。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案圖 9 仿真電路圖各個參數(shù)的設(shè)置方法： 用鼠標(biāo)左鍵雙擊圖標(biāo)， 會出現(xiàn)一個對話框， 然后再相應(yīng)的位置修改參數(shù)， 就可完成參數(shù)的設(shè)置。 在不同的占空比時， 其他參數(shù)也不一樣，修改的方式都有一樣。完成參數(shù)的設(shè)置，就可以開始仿真。仿真時可能會出現(xiàn)問題，這就得在仿真的過程中去解決， 解決好問題后， 最終得到的仿真波形如下。在波形圖中，從上到下的波形依次是輸入電壓、占空比、輸出電流、輸出電壓。Simulink仿真結(jié)果如圖 10 所示文檔標(biāo)

20、準(zhǔn)實用文案圖 10=0.2 時的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖 10 得到的波形可以看出在輸入電壓為100V 時，在純電阻負載情況下，占空比選擇20% 時，得到的輸出電壓的平均值近似20V ，輸出電流的平均值近似30A 。得到的輸出功率的平均值近似為600W ，這滿足電路所需的要求。且從波形圖中可以看出， 輸出的電壓電流波形的形狀是一致的，這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案Simulink仿真結(jié)果如圖 11 所示。圖 11=0.4 時的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖 11 得到的波形可以看出在輸入電壓為100V 時，在純電阻負載情況下，占空比選擇40% 時，得到的輸出電壓的平

21、均值近似40V ，輸出電流的平均值近似15A 。得到的輸出功率的平均值近似為600W ，這滿足電路所需的要求。且從波形圖中可以看出， 輸出的電壓電流波形的形狀是一致的，這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案Simulink仿真結(jié)果如圖 12 所示。圖 12=0.5 時的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖 12 得到的波形可以看出在輸入電壓為100V 時，在純電阻負載情況下，占空比選擇50% 時，得到的輸出電壓的平均值近似50V ，輸出電流的平均值近似12A 。得到的輸出功率的平均值近似為600W ，這滿足電路所需文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案的要求。且從波形圖中可以看出， 輸出的電壓電流波

22、形的形狀是一致的，這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。Simulink仿真結(jié)果如圖 13 所示。圖 13=0.8 時的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖 13 得到的波形可以看出在輸入電壓為 100V 時，在純電阻負載情況下，占空比選擇 80% 時，得到的輸出電壓的平均值近似 80V ，輸出電流文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文案的平均值近似7.5A 。得到的輸出功率的平均值近似為600W ，這滿足電路所需的要求。且從波形圖中可以看出， 輸出的電壓電流波形的形狀是一致的，這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。Simulink仿真結(jié)果如圖 14 所示。圖 14=0.9 時的仿真波形圖文檔標(biāo)準(zhǔn)實用文

23、案由仿真結(jié)果圖 14 得到的波形可以看出在輸入電壓為100V 時，在純電阻負載情況下，占空比選擇90% 時，得到的輸出電壓的平均值近似90V ，輸出電流的平均值近似 6.67A 。得到的輸出功率的平均值近似為 600W ，這滿足電路所需的要求。且從波形圖中可以看出， 輸出的電壓電流波形的形狀是一致的， 這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。6.2 仿真結(jié)果分析由仿真得到的波形可以看出在輸入電壓為100V 時，在純電阻負載情況下，不同占空比時， 得到的輸出電壓的平均值，輸出電流的平均值都不一樣。但是得到的輸出功率的平均值近似為600W ，這點滿足電路設(shè)計所需的要求。且從波形圖中可以看出， 無論占空比有怎么變化， 輸出電壓、輸出電流的波形的形狀始終是一致的，這滿足純電阻的要求。并且波形是連續(xù)的，符合理論要求。由仿真圖可以看得到，當(dāng)占空比= 0.2 輸出電壓為 20V ；當(dāng)占空比= 0.4輸出電壓為 40V ； 當(dāng)占空比= 0.5 輸出電壓為 50V ； 當(dāng)占空比= 0.8 輸出電壓為 80V ；當(dāng)占空比= 0.9 輸出電壓為90V 。這與理論計算的結(jié)果是一致的，說明這此仿真結(jié)果是正確的，符合要求?？偨Y(jié)做課程設(shè)計我們都感覺入手比較困難， 因為它首先要求你對所學(xué)的知識都要弄懂，并且能將其聯(lián)系貫穿起來， 因此課程