電氣工程課程設(shè)計MOSFET升壓斬波電路設(shè)計

1、目錄一、緒論.11.1 直流斬波電路簡介.11.2 MOSFET 簡介.11.3 SG3525 簡介.11.4 仿真軟件介紹.2二、MOSFET 升壓斬波電路設(shè)計要求及方案.32.1 設(shè)計要求.32.2 設(shè)計課題總體方案介紹及工作原理說明.32.3 設(shè)計方案各電路簡介.3三、MOSFET 升壓斬波主電路設(shè)計.43.1 電容濾波單相不可控整流電路.43.2 MOSFET 升壓斬波電路.5四、控制電路與保護電路設(shè)計.74.1 MOSFET 驅(qū)動電路.74.2 保護電路.8五、總體電路原理圖及其說明.95.1 總體電路原理圖.95.2 MATLAB 仿真電路圖.105.3 仿真波形圖.105.4 波

2、形分析.11六、結(jié)論.11參考文獻.11電氣工程課程設(shè)計（報告）1一、緒論1.1 直流斬波電路簡介直流斬波電路（DC Chopper） ，也稱直接變流電路，它的的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流。直流斬波的電路的種類較多，包括六種基本電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk 斬波電路、Sepic 斬波電路和 Zata 斬波電路。直流斬波電路在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動

3、中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。1.2 MOSFET 簡介MOSFET 是金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。MOSFET 依照其“通道”的極性不同，可分為 N 溝道型與 P 溝道型的 MOSFET，通常又稱為NMOSFET 與 PMOSFET，其他簡稱尚包括 NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET 等。1.3 SG3525 簡介隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率 MOSFET 在開關(guān)變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導(dǎo)體公司 Silicon General）推出 SG3525

4、。SG3525 是用于驅(qū)動N 溝道功率 MOSFET。SG3525 是電流控制型 PWM 控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。電氣工程課程設(shè)計（報告）21.4 仿真軟件介紹1.4.1 MultisimMultisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以 Windows 為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬

5、/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借 NI Multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準 SPICE 模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE 分析和虛擬儀器，能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與 NI LabEW 和 SignalExpress 軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而

6、能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建。1.4.2 MATLABMATLAB 是由美國 matworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計（如 C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。MATLAB 和 mathmatics、Maple、Math CAD 并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值

7、計算方面首屈一指。MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab 開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點，使MATLAB 成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自

8、己編寫的實用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以使用。電氣工程課程設(shè)計（報告）3二、MOSFET 升壓斬波電路設(shè)計要求及方案2.1 設(shè)計要求1、輸入直流電壓：50V2、輸出功率：300W3、開關(guān)頻率：5KHz4、占空比：10%50%5、輸出電壓脈率：小于 10%2.2 設(shè)計課題總體方案介紹及工作原理說明2.1.1 總體方案 整流電路電源MOSFET斬波電路負載保護電路觸發(fā)電路圖 2-1 MOSFET 升壓斬波電路基本組成框圖2.3 設(shè)計方案各電路簡介2.3.1 電容濾波單相不可控整流電路電容濾波單相

9、不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入場合。本設(shè)計中采用的是單相橋式接法，其作用是將直接輸入的 220V 交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯璐笮〉闹绷麟妷?，然后提供給 MOSFET 升壓斬波部分作為輸入。電氣工程課程設(shè)計（報告）42.3.2 MOSFET 斬波電路MOSFET 斬波電路是被設(shè)計的核心部分，而其核心器件又是 MOSFET。本部分是通過觸發(fā)電路控制 MOSFET 的開啟與關(guān)斷，再利用電感和電容的儲能作用實現(xiàn)升壓功能的。2.3.3 觸發(fā)電路本設(shè)計的觸發(fā)電路是基于 SG3525 控制芯片設(shè)計的。由于 SG3525 的輸出驅(qū)動電路是低阻抗的，而功率 MOSFET 的輸入阻抗很高，因此輸出端管腳 11

10、 和輸出端 B 管腳與 MOSFET 的柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率 MOSFET。2.3.4 保護電路保護電路是防止電壓或電流過大造成元器件的的損壞而導(dǎo)致電路不能正常工作。三、MOSFET 升壓斬波主電路設(shè)計3.1 電容濾波單相不可控整流電路3.1.1 電路原理圖圖 3-1 電容濾波單相不可控整流電路圖3.1.2 電路原理及其工作波形在 U2的正半軸過零點至 (t)=0 的期間，因為 UdU2,故二極管均不導(dǎo)通，電氣工程課程設(shè)計（報告）5此階段電容 C 向 R 放電，提供負載所需的電流，同時 Ud下降。至 (t)=0 之后，U2將超過 Ud，使得 VD1 和 VD4

11、 開通，Ud=U2，交流電源向電容充電，同時向負載 R 供電，如圖 3。圖 3-2 電容濾波單相不可控整流電路波形圖3.1.3 主要的數(shù)量關(guān)系1.輸出電壓平均值空載時，R=，輸出電壓最大，Ud =2U2。重載時，R 很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。隨著負載加重，U逐漸趨近于 0.9U2，即趨近于電阻負載特性。在設(shè)計時根據(jù)負載的情況選擇電容 C,使，T 為交流電源的TRC5 . 25 . 1周期，此時輸出電壓為：22 . 1 UU d則：VUUd7 .412 . 1502 . 12 mFTRC5 . 45 . 12533.2 MOSFET 升壓斬波電路3.2.1 電路原理圖MOSFET 升

12、壓斬波電路原理圖如圖 33 所示。電氣工程課程設(shè)計（報告）6圖 3-3 MOSFET 升壓斬波電路3.2.2 電路原理及其工作波形假設(shè)電路中電感 L 和電感 C 的值很大。當 MOS 管處于通態(tài)時，電源 E 向電感 L 充電，當充電電流基本恒定為I1，同時電容 C 上的電壓向負載 R 供電。因為 C 的值很大，基本保持輸出電壓u0為恒值。當 MOS 管處于斷態(tài)時，電源 E 和電感 L 共同向電容 C 充電并向負載 R 提供能量。設(shè) MOS 管處于通態(tài)的時間為 ton，此期間電感 L 上積蓄的能量為 EI1toff。設(shè) MOS 管處于斷態(tài)的時間為 toff，此期間電感 L 釋放的能量為(U0-E

13、) I1toff。當電路工作處于穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 中電感積蓄的能量與釋放的能量相等，即： （3-offontIEUtEI1011）化簡得： （3-2）EtTtttUoffoffoffon0波形如圖 5。電氣工程課程設(shè)計（報告）7圖 3-4 MOSFET 升壓斬波電路波形3.2.3 主要的數(shù)量關(guān)系用占空比的形勢表示輸出電壓： （3-3）EU110 本設(shè)計中取占空比 =50%，則：VVU100505 . 0110輸出電流的平均值為：AAUPI31003000負載電阻的阻值為： 3 .33310000IUR四、控制電路與保護電路設(shè)計4.1 MOSFET 驅(qū)動電路4.1.1 驅(qū)動電路原理圖電氣工程

14、課程設(shè)計（報告）8圖 4-1 MOSFET 驅(qū)動電路圖4.1.2 電路工作原理SG3525 是電流控制型 PWM 控制芯片，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。 當 SG3525 芯片工作時，會從輸出端口引腳 11 和引腳 14 輸出 PWM 信號。由于 SG3525 的輸出驅(qū)動電路是低阻抗的，而功率 MOSFET

15、 的輸入阻抗很高，因此輸出端引腳 11 和引腳與 MOSFET 的柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率 MOSFET。4.2 保護電路4.1.1 變壓器的保護1.參數(shù)計算變壓器二次側(cè)電流為：AARUId5 . 13 .33502 電流有效值： A355. 257. 15 . 1考慮有一定的余量，F(xiàn)U2 可以選用 5A 的熔斷器電氣工程課程設(shè)計（報告）9變壓器的變壓比為：11021變壓器一次側(cè)電流 ： AAI45. 011021355. 21考慮有一定的余量，F(xiàn)U1 可以選用 3A2.變壓器保護電路原理圖圖 4-2 變壓器保護電路原理圖電氣工程課程設(shè)計（報告）10五、總體電路原

16、理圖及其說明5.1 總體電路原理圖圖 5-1 總體電路原理圖5.2 MATLAB 仿真電路圖圖 5-2 MATLAB 仿真電路圖電氣工程課程設(shè)計（報告）115.3 仿真波形圖圖 5-3 MATLAB 仿真波形圖5.4 波形分析輸出電壓：U=100V輸出電壓范圍：98V101V電壓脈率：%10%2%10010098100%10%1%100100100101經(jīng)計算可知，輸出電壓脈率小于 10%，滿足設(shè)計要求。六、結(jié)論本課程設(shè)計就 MOSFET 升壓斬波電路進行設(shè)計，使用 MATLAB 軟件進行了仿真，驗證了設(shè)計的合理性和可行性。具體內(nèi)容包括：電氣工程課程設(shè)計（報告）121設(shè)計了 MOSFET 升壓

17、斬波電路；2根據(jù)設(shè)計任務(wù)指標直流斬波電路的控制電路用 PWM 控制芯片 SG3525為核心構(gòu)成，控制電路輸出占空比可調(diào)的矩形波；3利用 MATLAB 軟件進行了仿真，仿真結(jié)果表明：通過控制電路的占空比即通過 MOSFET 來控制升壓斬波電路的輸出電壓；通過這次設(shè)計，我基本掌握了 MOSFET 升壓斬波電路的設(shè)計。MOSFET升壓斬波電路又稱為 BOOST 變換器，它對輸入電壓進行升壓變換。通過控制電路的占空比即通過 MOSFET 來控制升壓斬波電路的輸出電壓。并能夠熟練利用 MATLAB 軟件進行仿真，利用 MOSFET 升壓直流斬波電路原理,將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，控制電

18、路輸出占空比可調(diào)的矩形波。此次課程設(shè)計讓我受益匪淺。參考文獻1 李源生.電路與模擬電子技術(shù) M .成都：電子工業(yè)出版社,2007.102 王趙安.劉進軍.電力電子技術(shù) M .北京：機械工業(yè)出版社,2008.123 洪乃剛.電力電子和電力拖動 MATLAB 仿真M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.4 王兆安.電力電子技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.5 郭曉紅.電機與拖動課程教學(xué)中的創(chuàng)新探討J.電力學(xué)報,2008.6 徐志佳.電力拖動控制系統(tǒng)中的仿真教學(xué)J.時代教育(教育教學(xué)版),2009.7 孫瑩,王奎.電力系統(tǒng)自動化M.北京:中國電力出版社,2004.8 郭毅軍,陳麗. MOSFET 的驅(qū)動保護電路的設(shè)計與應(yīng)用J.電子設(shè)計工程. 2012.9 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.10 Sachdev M S,et al.IEEE Tutorial Course Microprocessor Relays and ProtectionSystemsM.NewYork:The Institute of Electrical and Electronics Engineering,Inc,1987.電氣工程課程設(shè)計（報告）13