MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載）學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師2012年12月29日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動化學(xué)院 題 目: MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載） 初始條件：1、輸入直流電壓：Ud=100V2、輸出功率：300W3、開關(guān)頻率5KHz4、占空比10%90%5、輸出電壓脈率：小于10%要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計(jì)主電路、控制電路；2、用MATLAB/Simulink對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真；3、撰寫課程設(shè)

2、計(jì)報(bào)告畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理、選擇元器件參數(shù)，說明控制電路的工作原理、繪出主電路典型波形，繪出觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形，并給出仿真波形，說明仿真過程中遇到的問題和解決問題的方法，附參考資料；4、通過答辯。時間安排：2012.12.24-12.29指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘 要直流-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)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之

3、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，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(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。關(guān)鍵字：直流斬波 降壓斬波 MOSFET MATLAB仿真目錄1.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

4、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)43.1驅(qū)動電路方案選擇43.2 驅(qū)動電路原理44電路各元件的參數(shù)設(shè)定64.1 MOSFET簡介64.1.1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)64.1.2功率MOSFET的工作原理74.2各元件參數(shù)計(jì)算75系統(tǒng)仿真及結(jié)論95.1 仿真電路及其仿真結(jié)果95.2仿真結(jié)果分析14總結(jié)16參考文獻(xiàn)17武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書MOSFET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

5、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(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、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M

6、OSFET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。該電路使用一個全控型器件 V，圖中為MOSFET。為在MOSFET關(guān)斷時給負(fù)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(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MO

7、SFET 管被激勵導(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(fù)載電流在一個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)的時間；

8、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(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ton ，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(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功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼?/p>

9、和反向輸出電壓，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(hù)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(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率?。坏诙€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I

10、R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 為高電平時如下圖4-2 ，VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到

11、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(bǔ)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。圖5 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電路各元件的參數(shù)設(shè)定4.1 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

12、），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

13、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(qiáng)型；對于N（P）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(qiáng)型。 4.1.1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

14、形符號如圖7所示。圖7 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VVMOSFET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。4.1.2功率MOSFET的工作原理截止：漏源極間加

15、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，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。4.2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，可計(jì)算出負(fù)載電阻。電壓控制電壓源和脈沖電

16、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=6.00×10-5F。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。若取其他占空比時各參數(shù)值的計(jì)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)的值占空比輸出電壓U0（V）脈

17、動電壓U0（V）負(fù)載R（）電感值LC（H）電容值C（F）20%2021.331.07×10-43.74×10-440%4045.333.20×10-49.38×10-550%5058.334.17×10-46.00×10-580%80821.334.27×10-42.34×10-590%90927.002.70×10-41.85×10-55系統(tǒng)仿真及結(jié)論5.1 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8所示。圖8 仿真電路圖各個參數(shù)的設(shè)置方法：用鼠標(biāo)左鍵雙

18、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9所示。圖9 =0.2時的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖9得到的波形可以看出在輸入電壓為100V時，在純電阻負(fù)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15A。得到的輸出功率的平均值近似為300W，這滿足電路所需的要求。

19、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10所示。圖10 =0.4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(fù)載情況下，占空比選擇40%時，得到的輸出電壓的平均值近似40V，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300W，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11所示。圖11 =0.5時的仿真波形圖由仿真結(jié)果圖11得到的波形

20、可以看出在輸入電壓為100V時，在純電阻負(fù)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6A。得到的輸出功率的平均值近似為300W，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 =0.8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(fù)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，輸出電流的平均值近似3.75A。得到的輸出功率的平均值近似為300W，這滿足電路所需的要求。且從波形

21、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 =0.9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(fù)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3.34A。得到的輸出功率的平均值近似為300W，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。5.2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(fù)載情況下，不同占空比時，

22、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300W，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)此次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的過程，我感慨很多。從理論到實(shí)踐，在課程設(shè)計(jì)的這段時

23、間，我遇到了很多困難，但是同時也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力。從最初拿到題目時，感覺應(yīng)該很簡單，可到真正動手去做的時候，真的覺得理想與現(xiàn)實(shí)的差距挺大。因?yàn)樵谧约旱闹R系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)的大部分都是理論知識，對于這樣實(shí)際從一個課題做出報(bào)告書并不是很在行，不過也做過類似的報(bào)告。但是畢竟還是有一定的差距，因?yàn)檎n本上涉及這部分的原理知識比較少，光靠書本上的知識根本解決不了，只有去圖書館借這方面的書籍來?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)也是一個不錯的工具，有些不懂的或是書本上沒有的，就可以在網(wǎng)絡(luò)上查詢。所以這次課程設(shè)計(jì)的知識來源很廣，在此過程中也學(xué)到了很多課本上沒有的知識，豐富了自己的理論知識，還擴(kuò)寬了解決問題的方法，感覺特別充實(shí)。在做這次課程設(shè)計(jì)的過程中學(xué)到了很多東西