MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）院、部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：彭世平指導(dǎo)教師：肖文英職稱(chēng)專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：自本1101班完成時(shí)間：2014-05-28緒論1.1直流斬波電路簡(jiǎn)介直流斬波電路（DCChopper）,也稱(chēng)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(lèi)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(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開(kāi)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(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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。1.2MOSFET簡(jiǎn)介MOSFET是金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)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(chǎng)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(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。1.3SG3525簡(jiǎn)介隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開(kāi)關(guān)變換器中開(kāi)始廣泛使用，為此美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司SiliconGeneral）推出SG3525。SG3525是用于驅(qū)動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)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(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)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。1.4仿真軟件介紹1.4.1MultisimMultisim是美國(guó)國(guó)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(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)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(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NIMultisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專(zhuān)業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NILabⅥEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建。1.4.2MATLABMATLAB是由美國(guó)matworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)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(jì)（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和mathmatics、Maple、MathCAD并稱(chēng)為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連\o"查看圖片"matlab開(kāi)發(fā)工作界面接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)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(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以使用。第2章MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)要求及方案2.1設(shè)計(jì)要求1、輸入直流電壓：Ud=50V2、輸出功率：300W3、開(kāi)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(jì)課題總體方案介紹及工作原理說(shuō)明2.1.1總體方案整流電路整流電路電源MOSFET斬波電路負(fù)載保護(hù)電路觸發(fā)電路圖1MOSFET升壓斬波電路基本組成框圖2.3設(shè)計(jì)方案各電路簡(jiǎn)介2.3.1電容濾波單相不可控整流電路電容濾波單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)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。2.3.2MOSFET斬波電路MOSFET斬波電路是被設(shè)計(jì)的核心部分，而其核心器件又是MOSFET。本部分是通過(guò)觸發(fā)電路控制MOSFET的開(kāi)啟與關(guān)斷，再利用電感和電容的儲(chǔ)能作用實(shí)現(xiàn)升壓功能的。2.3.3觸發(fā)電路本設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路是基于SG3525控制芯片設(shè)計(jì)的。由于SG3525的輸出驅(qū)動(dòng)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和輸出端B管腳與MOSFET的柵極之間無(wú)須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動(dòng)功率MOSFET。2.3.3保護(hù)電路保護(hù)電路是防止電壓或電流過(guò)大造成元器件的的損壞而導(dǎo)致電路不能正常工作。第三章MOSFET升壓斬波主電路設(shè)計(jì)3.1電容濾波單相不可控整流電路3.1.1電路原理圖如圖2圖2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的正半軸過(guò)零點(diǎn)至wt=0的期間，因?yàn)椹?故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需的電流，同時(shí)下降。至wt=0之后，將超過(guò)，使得VD1和VD4開(kāi)通，=，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電，如圖3。圖3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(shí)，R=∞，輸出電壓最大，=2.重載時(shí)，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲(chǔ)能作用。隨著負(fù)載加重，U逐漸趨近于0.9，即趨近于電阻負(fù)載特性。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C,使,T為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為 （1）則 （2） （3）3.2MOSFET升壓斬波電路3.2.1電路原理圖如圖4圖4MOSFET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(dāng)MOS管處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，當(dāng)充電電流基本恒定為，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電。因?yàn)镃的值很大，基本保持輸出電壓u0為恒值。當(dāng)MOS管處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)MOS管處于通態(tài)的時(shí)間為，此期間電感L上積蓄的能量為。設(shè)MOS管處于斷態(tài)的時(shí)間為，此期間電感L釋放的能量為當(dāng)電路工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感積蓄的能量與釋放的能量相等，即 （4）化簡(jiǎn)得 （5） 波形如圖5圖5MOSFET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(shì)表示輸出電壓 （6）本設(shè)計(jì)中取占空比α=50%，則 （7）輸出電流的平均值為 （8）負(fù)載電阻的阻值為（9） 第四章控制電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)4.1MOSFET驅(qū)動(dòng)電路4.1.1驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6圖6MOSFET驅(qū)動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)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(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)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(dāng)SG3525芯片工作時(shí)，會(huì)從輸出端口引腳11和引腳14輸出PWM信號(hào)。由于SG3525的輸出驅(qū)動(dòng)電路是低阻抗的，而功率MOSFET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(wú)須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動(dòng)功率MOSFET。4.2保護(hù)電路4.1.1變壓器的保護(hù)1.參數(shù)計(jì)算變壓器二次側(cè)電流為 (10)電流有效值1.51.57A=2.355A (11)考慮有一定的余量，F(xiàn)U2可以選用5A的熔斷器變壓器的變壓比為110∶21變壓器一次側(cè)電流 (12)考慮有一定的余量，F(xiàn)U1可以選用3A2.變壓器保護(hù)電路原理圖如圖7圖7變壓器保護(hù)電路原理圖第五章總體電路原理圖及其說(shuō)明5.1總體電路原理圖如圖8圖8總體電路原理圖5.2MATLAB仿真電路圖如圖9圖9MATLAB仿真電路圖5.3仿真波形圖如圖10圖10MATLAB仿真波形圖5.4波形分析輸出電壓U=100V輸出電壓范圍98V~101V電壓脈率 (13) (14)經(jīng)計(jì)算可知，輸出電壓脈率小于10%，滿足設(shè)計(jì)要求。第6章心得體會(huì)在這次的電力電子課程設(shè)計(jì)中，遇到很多的困難，查閱了很多資料，向同學(xué)請(qǐng)教才得以解決。這讓我了解到課本知識(shí)和實(shí)踐設(shè)計(jì)還是有很大的差別，這更加讓我理解了真理出自實(shí)踐這句名言的可貴之處。我懂得了要完成一個(gè)電路的設(shè)計(jì)，理論基礎(chǔ)是根基，實(shí)踐操作是完成事物的重要部分，而創(chuàng)新能力則決定了一個(gè)電路的價(jià)值，因?yàn)樵O(shè)計(jì)一個(gè)電路，絕不是簡(jiǎn)單的按課本的電路圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的拼湊，我們要進(jìn)行電路各個(gè)元件參數(shù)的計(jì)算，這個(gè)涉及我們所掌握的理論知識(shí)，元件的計(jì)算是設(shè)計(jì)中較為重要的一部分，計(jì)算準(zhǔn)了，則設(shè)計(jì)出來(lái)的電路誤差不大，否則，設(shè)計(jì)出來(lái)的電路性能指標(biāo)根要求相差甚遠(yuǎn)。最困難的是當(dāng)電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)如何檢測(cè)出錯(cuò)誤之處，如何排除錯(cuò)誤，它考驗(yàn)了我們?nèi)绾芜\(yùn)用理論知識(shí)和實(shí)際的調(diào)試的能力，另外，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試，熟悉了常用的儀器，了解了電路的連接，掌握解決電路中所出現(xiàn)問(wèn)題的方法，鞏固了基礎(chǔ)，提高了實(shí)際操作技能，并養(yǎng)成注重設(shè)計(jì)，追求創(chuàng)新的思維習(xí)慣?？偟膩?lái)說(shuō)，這次的課程設(shè)計(jì)真正培養(yǎng)了我分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。參考文獻(xiàn)[1]康華光，陳大欽.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.8Kangyouhua,Chendaqin.Analogelegtronictechnologyfoundation[M].Beijing:Highereducationpress,2006.8(inchinese)[2]李源生.電路與模擬電子技術(shù)[M].成都：電子工業(yè)出版社,2007.10Liyuansheng.Circuitandanalogtechnology[M].Chengdu:Electronicindustrypress,2007.8(inchinese)[3]王趙安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.12Wangzhaoan,Liuzhijun.Electricpowerandelectronictechnology[M].C