MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、題 目MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)姓 名學(xué) 號班 級指導(dǎo)老師日期前 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(shí)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，升壓斬波電路，升降壓斬波電路,Cuk斬波電路，Se

2、pic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(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐贰Ｄ夸?.設(shè)計(jì)要求與方案11.1 設(shè)計(jì)要求11.2 設(shè)計(jì)方案12降壓斬波電路設(shè)計(jì)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(jì)33.1驅(qū)動電路方案選擇33.2 驅(qū)動電路原理44保護(hù)電路54.1過電壓保護(hù)54.2過電流保護(hù)65電路各元件的參數(shù)設(shè)定65.1 MOSFET簡介65.1.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)75.1.2功率MOSFET的工作原理75.2各元件參數(shù)計(jì)算86系統(tǒng)仿真及

3、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15總結(jié)15參考文獻(xiàn)16MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)要求與方案1.1 設(shè)計(jì)要求利用MOSFET設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)方案電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路及以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的功能。根據(jù)MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主

4、電路、驅(qū)動電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？仉娐?驅(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?？刂齐娐分斜Ｗo(hù)電路是用來保護(hù)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。2降壓斬波電路設(shè)計(jì)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(gè)全控型器件 V，圖中為MOSFET。為在MOSFET關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供

5、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(jī)或帶蓄電池負(fù)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(gè)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(shí)MOSFET 管被激勵(lì)導(dǎo)通電源U向負(fù)載供電，負(fù)載電壓為Uo=U,負(fù)載電流io 按指數(shù)曲線上升，當(dāng)t=t1時(shí)控制MOSFET 關(guān)斷負(fù)載電流經(jīng)二極管VD 續(xù)流負(fù)載電壓Uo 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)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(shí)的波形圖如圖3所示。圖3 降壓斬波電路的工作波形至一個(gè)周期T結(jié)

6、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(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖2所示。負(fù)載電壓平均值為UO=tonton+toffU=tonTU=U （2.1）（2.2）負(fù)載電流平均值為IO=UoR式中，ton為MOSFET處于通態(tài)的時(shí)間；toff為MOSFET處于斷態(tài)的時(shí)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(fù)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(jìn)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(shí)間ton 不變，改變開關(guān)T，稱為頻率調(diào)制工

7、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(shí)間ton ，稱為脈沖寬調(diào)制工作方式；3) 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)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(jì)3.1驅(qū)動電路方案選擇該驅(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(gè)功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使電力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(shí)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(shí)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(hù)能力。而電力MOSFET 是用柵極電壓來控制漏

8、極電流的，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率?。坏诙€(gè)顯著特點(diǎn)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 的電力電子裝置。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(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)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

9、三部分組成：邏輯輸入、電平平移及輸出保護(hù)。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(shí)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(shí)C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對互補(bǔ)輸入信號，所以此時(shí)LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時(shí)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(shí)間影響使S2 在S1 開通之前迅速關(guān)斷。圖5

10、 IR2110 驅(qū)動半橋電路設(shè)計(jì)驅(qū)動電路如圖6所示.圖6 驅(qū)動電路圖4保護(hù)電路4.1過電壓保護(hù)當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)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(hù)了電力電子器件。 為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)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(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖7圖74.2過電流保護(hù) 當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或短

11、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(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。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(hù)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），F(xiàn)ET（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

12、為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的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 Transistor-SIT）。其特點(diǎn)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(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型；對于N（

13、P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。 5.1.1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(shí)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(jī)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)與電氣圖形符號按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VV

14、MOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件為例進(jìn)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。5.1.2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

15、壓UGS，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(shí)，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(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選大小為的直流電壓源，如果選取降壓斬波電路的占空比為，則輸出電壓，輸出功率，要求輸出功率為600W，可計(jì)算出負(fù)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。計(jì)算：由式LC=UO2(1-)2POT，周期可由開

16、關(guān)頻率得出為，把、代入上式得出。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(jì)算值設(shè)置參數(shù)就可以啦。計(jì)算：由式C=UO(1-)8LUOT2，要求脈動率，取，計(jì)算U0=U0×10%=5V，代入上式計(jì)算出C=1.20×10-4F。雖說電容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(jì)算值設(shè)置參數(shù)就可以啦。若取其他占空比時(shí)各參數(shù)值的計(jì)算方法與此一致，不同占空比時(shí)各個(gè)參數(shù)的值如表1所示。 表1 不同占空比時(shí)各個(gè)參數(shù)的值占空比輸出電壓U0（V）脈動電壓U0（V）負(fù)載R（）電感值LC（H）電容值C（F）20%2020.670.53

17、5;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%90913.501.35×10-43.70×10-56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。圖9 仿真電路圖各個(gè)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(gè)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(shí)，其

18、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(shí)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所示圖10 =0.2時(shí)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(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇20%時(shí)，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

19、續(xù)的，符合理論要求。Simulink仿真結(jié)果如圖11所示。圖11 =0.4時(shí)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(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇40%時(shí)，得到的輸出電壓的平均值近似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。Simulink仿真結(jié)果如圖12所示。圖12 =0.5時(shí)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(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇50%時(shí)，得到的輸出電壓的平

20、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13所示。圖13 =0.8時(shí)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(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇80%時(shí)，得到的輸出電壓的平均值近似80V，輸出電流的平均值近似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

21、理論要求。Simulink仿真結(jié)果如圖14所示。圖14 =0.9時(shí)的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖14得到的波形可以看出在輸入電壓為100V時(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，占空比選擇90%時(shí)，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(shí)，在純電阻負(fù)載情況下，不同占空比時(shí)，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

22、，這點(diǎn)滿足電路設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)我們都感覺入手比較困難，因?yàn)樗紫纫竽銓λ鶎W(xué)的知識都要弄懂，并且能將其聯(lián)系貫穿起來，因此課程設(shè)計(jì)是綜合性比較強(qiáng)的。這次的電力電子課程設(shè)計(jì)是我做的最辛苦的一次，主要的原因