電氣工程課程設(shè)計(jì)MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、目錄一、緒論.11.1 直流斬波電路簡(jiǎn)介.11.2 MOSFET 簡(jiǎn)介.11.3 SG3525 簡(jiǎn)介.11.4 仿真軟件介紹.2二、MOSFET 升壓斬波電路設(shè)計(jì)要求及方案.32.1 設(shè)計(jì)要求.32.2 設(shè)計(jì)課題總體方案介紹及工作原理說(shuō)明.32.3 設(shè)計(jì)方案各電路簡(jiǎn)介.3三、MOSFET 升壓斬波主電路設(shè)計(jì).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(hù)電路設(shè)計(jì).74.1 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路.74.2 保護(hù)電路.8五、總體電路原理圖及其說(shuō)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(xiàn).11電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）1一、緒論1.1 直流斬波電路簡(jiǎn)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(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)

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(jiǎn)介MOSFET 是金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(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，通常又稱為NMOSFET 與 PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱尚包括 NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET 等。1.3 SG3525 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 Silicon General）推出 SG3525

4、。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。電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）21.4 仿真軟件介紹1.4.1 MultisimMultisim 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

5、/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 NI Multisim，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。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE 分析和虛擬儀器，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 NI LabEW 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

6、能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建。1.4.2 MATLABMATLAB 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、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(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 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

8、己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 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。電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）3二、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：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 整流電路電源MOSFET斬波電路負(fù)載保護(hù)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(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

9、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。電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）42.3.2 MOSFET 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

10、 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。2.3.4 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。三、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(guò)零點(diǎn)至 (t)=0 的期間，因?yàn)?UdU2,故二極管均不導(dǎo)通，電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）5此階段電容 C 向 R 放電，提供負(fù)載所需的電流，同時(shí) Ud下降。至 (t)=0 之后，U2將超過(guò) Ud，使得 VD1 和 VD4

11、 開(kāi)通，Ud=U2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)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(shí)，R=，輸出電壓最大，Ud =2U2。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 0.9U2，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TRC5 . 25 . 1周期，此時(shí)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(jì)（報(bào)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(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I1，同時(shí)電容 C 上的電壓向負(fù)載 R 供電。因?yàn)?C 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 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(shí)間為 toff，此期間電感 L 釋放的能量為(U0-E

13、) I1toff。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： （3-offontIEUtEI1011）化簡(jiǎn)得： （3-2）EtTtttUoffoffoffon0波形如圖 5。電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)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(shì)表示輸出電壓： （3-3）EU110 本設(shè)計(jì)中取占空比 =50%，則：VVU100505 . 0110輸出電流的平均值為：AAUPI31003000負(fù)載電阻的阻值為： 3 .33310000IUR四、控制電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)4.1 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路4.1.1 驅(qū)動(dòng)電路原理圖電氣工程

14、課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）8圖 4-1 MOSFET 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

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(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：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(jì)（報(bào)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(hù)電路原理圖圖 4-2 變壓器保護(hù)電路原理圖電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）10五、總體電路原

16、理圖及其說(shuō)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(jì)（報(bào)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(jì)算可知，輸出電壓脈率小于 10%，滿足設(shè)計(jì)要求。六、結(jié)論本課程設(shè)計(jì)就 MOSFET 升壓斬波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用 MATLAB 軟件進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。具體內(nèi)容包括：電氣工程課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）121設(shè)計(jì)了 MOSFET 升壓

17、斬波電路；2根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)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(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：通過(guò)控制電路的占空比即通過(guò) MOSFET 來(lái)控制升壓斬波電路的輸出電壓；通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我基本掌握了 MOSFET 升壓斬波電路的設(shè)計(jì)。MOSFET升壓斬波電路又稱為 BOOST 變換器，它對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓變換。通過(guò)控制電路的占空比即通過(guò) MOSFET 來(lái)控制升壓斬波電路的輸出電壓。并能夠熟練利用 MATLAB 軟件進(jìn)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(jì)讓我受益匪淺。參考文獻(xiàn)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(jìn)軍.電力電子技術(shù) M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.123 洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng) MATLAB 仿真M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.4 王兆安.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.5 郭曉紅.電機(jī)與拖動(dòng)課程教學(xué)中的創(chuàng)新探討J.電力學(xué)報(bào),2008.6 徐志佳.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的仿真教學(xué)J.時(shí)代教育(教育教學(xué)版),2009.7 孫瑩,王奎.電力系統(tǒng)自動(dòng)化M.北京:中國(guó)電力出版社,2004.8 郭毅軍,陳麗. MOSFET 的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.電子設(shè)計(jì)工程. 2012.9 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京:機(jī)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(jì)（報(bào)告）13