MOSFET升壓斬波電路

1、 長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目：MOSFET升壓斬波電路院 （系）： 電氣與電子工程學(xué)院 班 級(jí)： 110310 學(xué) 號(hào)： 20111211 姓 名： 沈永來 指導(dǎo)教師： 林志琦 時(shí)間：2014.1.6-2014.1.10設(shè)計(jì)說明任務(wù): 用MOSFET晶體管設(shè)計(jì)升壓斬波電路。 本次課程利用MOSFET晶體管升壓斬波電路的基本原理,設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)控的斬波電路.斬波器的電能變換為功能是由電力電子器件的通斷控制實(shí)現(xiàn)的.通過電力電子器件的開關(guān)作用,將恒定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)控的直流電壓,或?qū)⒆兓闹绷麟妷鹤儞Q為恒定的直流電壓的電力電子電路,稱為直流斬波電路,相應(yīng)的裝置稱為斬波器.斬波器

2、具有效率高,體積小,重量輕,成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于直流牽引變速拖動(dòng)系統(tǒng),可調(diào)整直流開關(guān)電源,無軌電車,地鐵列車中.直流升壓斬波電路實(shí)際上就是利用PWM技術(shù),在斬波電路中,輸入電壓是固定不變的,通過開關(guān)的開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間,即可控制輸出電壓的平均值. MOSFET工作原理當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，柵極之間電壓為零或負(fù)時(shí)，P型區(qū)和N-型漂移區(qū)之間的PN結(jié)反向，漏極之間無電流流過。如果在柵極和源極加正向電壓UGS，由于柵極是絕緣的，不會(huì)有柵流。但柵極的正電壓所形成電場(chǎng)的感應(yīng)作用卻會(huì)將其下面P型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P型區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，柵極下面P型區(qū)表面的電

3、子濃度將超過空穴濃度，形成N型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID.電壓UT稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大.關(guān)鍵字 電能 MOSFET升壓斬波電路 升壓變換 變換器 直流斬波技術(shù)一設(shè)計(jì)要求與方案一、設(shè)計(jì)的技術(shù)數(shù)據(jù)1、交流電源：?jiǎn)蜗?20V；2、前級(jí)整流輸出輸電壓： Ud=50V80V；3、輸出功率：300W；4、開關(guān)頻率5KHz；5、占空比10%90%；6、輸出電壓脈率：小于10%。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、方案論證及選擇；2、主電路設(shè)計(jì)（包括整流電路設(shè)計(jì)及器件的具體型號(hào)；斬波電路設(shè)計(jì)，器件選擇及型號(hào)確定，電感電容估算等）3、控制電路設(shè)計(jì)（觸發(fā)電路的選擇與設(shè)

4、計(jì)電路，如：PWM控制芯片SG3525）；4、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（如IR2125，三菱579系列或其他系列等）；5、總結(jié)及心得體會(huì)；6、參考文獻(xiàn)；7、完成電路原理圖1份。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(dòng)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(hào)，通過驅(qū)動(dòng)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。1.根據(jù)MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、驅(qū)動(dòng)電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？仉娐?驅(qū)動(dòng)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升壓

5、斬波電路的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)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(hào)。通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷來控制MOSFET升壓斬波電路工作。控制電路中保護(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.主電路設(shè)計(jì)方案：整流電路驅(qū)動(dòng)電路斬波電路交流直流二各主電路的組成2.1整流電路的設(shè)計(jì)整流電路尤其是單相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)整流電路圖用最為廣泛的電路。不僅應(yīng)用于工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)裝置采用單相橋式全控整流電路（所接負(fù)載為純電

6、阻負(fù)載）。在單項(xiàng)橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1 和 VT4 組成一對(duì)橋臂，VT2 和 VT3 組 成另一對(duì)橋臂。在 u2 正半周（即 a 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位） ，若 4 個(gè)晶閘管均不導(dǎo) 通，負(fù)載電流 id 為零，ud 也為零，VT1、VT4 串聯(lián)承受電壓 u2，設(shè) VT1 和 VT4 的漏電 阻相等，則各承受 u2 的一半。若在觸發(fā)角處給 VT1 和 VT4 加觸發(fā)脈沖，VT1、 VT4 即導(dǎo)通，電流從 a 端經(jīng) VT1、R、VT4 流回電源 b 端。當(dāng) u2 為零時(shí)，流經(jīng)晶閘管 的電流也降到零，VT1 和 VT4 關(guān)斷。在 u2 負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā) VT2 和 VT3（VT

7、2 和 VT3 的=0 處為 t=） ，VT2 和 VT3 導(dǎo)通，電流從電源的 b 端流出，經(jīng) VT3、R、VT2 流回電源 a 端。 到 u2 過零時(shí)，電流又降為零，VT2 和 VT3 關(guān)斷。此后又是 VT1 和 VT4 導(dǎo)通。如此循環(huán)工作下去。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和U2。整流電壓平均值為向負(fù)載輸電流平均值為流過晶閘管的電流平均值為整流電路波形圖:2.1.1 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)1. TCA785芯片介紹    TCA785是德國(guó)西門子(Siemens)公司于1988年前后開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，它對(duì)零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠，輸

8、出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬，且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。（1）引腳排列、各引腳的功能及用法TCA785是雙列直插式16引腳大規(guī)模集成電路。它的引腳排列如圖所示。 TCA785的引腳排列各引腳的名稱、功能及用法如下：引腳16(VS)：電源端。    引腳1(OS)：接地端。    引腳4(Q1)和2(Q2)：輸出脈沖1與2的非端。引腳14(Q1)和15(Q2)：輸出脈沖1和2端。    引腳13(L)：非輸出脈沖寬度控制端。    引腳12(

9、C12)：輸出Q1、Q2脈寬控制端。引腳11(V11)：輸出脈沖Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流電壓輸入端。    引腳10(C10)：外接鋸齒波電容連接端。引腳9(R9)：鋸齒波電阻連接端。       引腳8(VREF)：TCA785自身輸出的高穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓端。引腳7(QZ)和3(QV)：TCA785輸出的兩個(gè)邏輯脈沖信號(hào)端。    引腳6(I)：脈沖信號(hào)禁止端。引腳5(VSYNC)： （2）基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)  TCA785的基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：能可靠地對(duì)同步交流電源

10、的過零點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，因而可方便地用作過零觸發(fā)而構(gòu)成零點(diǎn)開關(guān)；它具有寬的應(yīng)用范圍，可用來觸發(fā)普通晶閘管、快速晶閘管、雙向晶閘管及作為功率晶體管的控制脈沖，故可用于由這些電力電子器件組成的單管斬波、單相半波、半控橋、全控橋或三相半控、全控整流電路及單相或三相逆變系統(tǒng)或其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的變流系統(tǒng)；它的輸入、輸出與CMOS及TTL電平兼容，具有較寬的應(yīng)用電壓范圍和較大的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，每路可直接輸出250mA的驅(qū)動(dòng)電流；其電路結(jié)構(gòu)決定了自身鋸齒波電壓的范圍較寬，對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于較寬的環(huán)境溫度范圍(-25+85°C)和工作電源電壓范圍(-0.5+18V)。（3）極限參數(shù)電源電壓：+

11、818V或±49V；移相電壓范圍：0.2VVS-2V;輸出脈沖最大寬度：180°；最高工作頻率：10500Hz；高電平脈沖負(fù)載電流：400mA；低電平允許最大灌電流：250mA；輸出脈沖高、低電平幅值分別為VS和0.3V；同步電壓隨限流電阻不同可為任意值；最高工作頻率：10500Hz；工作溫度范圍：軍品 -55+125，工業(yè)品 -25+85，民品 0+70。2.TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路由于TCA785自身的優(yōu)良性能，決定了它可以方便地用于主電路為單個(gè)晶閘管或晶體管，單相半控橋、全控橋和三相半控橋、全控橋及其它主電路形式的電力電子設(shè)備中觸發(fā)晶閘管或晶體管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶需

12、要的整流、調(diào)壓、交直流調(diào)速、及直流輸電等目的。西門子TCA785觸發(fā)電路，它對(duì)零點(diǎn)的識(shí)別可靠，輸出脈沖的齊整度好，移相范圍寬；同時(shí)它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)。西門子TCA785外圍電路如圖所示。 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路原理圖鋸齒波斜率由電位器RP1 調(diào)節(jié)，RP2 電位器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角。交流電源采用同步變壓器提供，同步變壓器與整流變壓器為同一輸入，根據(jù)TCA785能可靠地對(duì)同步交流電源的過零點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，從而可保證觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓保持同步。同步變壓器的變比選為。2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)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?/p>

13、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(shí)電流，使MOSFET能迅速建立柵控電場(chǎng)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(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小；第二個(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。美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)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(dòng)器件的

14、首選。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、驅(qū)動(dòng)要求及電力MOSFET 管開關(guān)特性,選擇驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。芯片IR2110 管腳及內(nèi)部電路圖如下圖 所示。 IR2110 管腳及內(nèi)部電路圖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(dòng)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 ，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LI

15、N與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，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(duì)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。IR2110 驅(qū)動(dòng)半橋電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖所示. 驅(qū)動(dòng)電路圖2.3 PMW方波產(chǎn)生控制電路2.3.1 SG3525簡(jiǎn)介SG3525引腳圖引腳1：誤差放大器反向輸入端。 引腳2：誤差放大器同相輸入端。引腳3: 振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。 引腳4：振蕩器輸出端。引腳5：振蕩器定時(shí)電容接入端。 引腳6：振蕩器定時(shí)電阻接入端。引腳7：振蕩器放電端。 引腳8：軟啟動(dòng)電容接入端。引腳9：PWM信號(hào)輸入端 引腳10：外

16、部關(guān)斷信號(hào)輸入端。引腳11：輸出端A 引腳12：信號(hào)地引腳13：輸出級(jí)偏置電壓接入端 引腳14：輸出端B引腳15：偏置電源接入端 引腳16：基準(zhǔn)電源輸出端SG3525 芯片特點(diǎn)如下：1 工作電壓范圍8-35v。25.1V 微調(diào)基準(zhǔn)電源3 振蕩器頻率工作范圍􀉕100Hz-500kHz。4 具有振蕩器外部同步功能5死區(qū)時(shí)間可調(diào)。6 內(nèi)置軟啟動(dòng)電路。7 具有輸入欠電壓鎖定功能。8 具有PWM 鎖存功能􀉔禁止多脈沖。9逐個(gè)脈沖關(guān)斷。10雙路輸出􀉒灌電流/拉電流Ma(峰值)其11 和14 腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM 信號(hào)。腳6

17、、腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器􀉔內(nèi)設(shè)電容充放電電路􀉔加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求􀉔在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)􀉔另外當(dāng)10 腳的電壓為高電平時(shí)􀉔11 和14 腳的電壓變?yōu)?0 輸出。2.3.2 控制電路原理圖2.4 MOSFET管的 保護(hù)電路考慮到晶閘管在關(guān)斷過程中，di/dt 很大，在斬波電

18、路中會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)Ldi/dt,故需要采取保護(hù)措施，一般的過電壓保護(hù)是在晶閘管兩端并聯(lián)一個(gè)相串聯(lián)的電感和電阻如圖所示，利用電容的充電作用，可降低晶閘管反向電流減小的速度，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小。與晶閘管并聯(lián)的阻容經(jīng)驗(yàn)值見下表晶閘管額度電流/A1020501002005001000電容/uF0.10.150.20.250.512電阻/1008402010522.5升壓(boost)斬波電路2.5.1升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖 b）波形2.5.2工作原理假設(shè)L和C值很大。處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓恒定。斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并

19、向負(fù)載提供能量。設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：=化簡(jiǎn)得 升壓比；升壓比的倒數(shù)記作 ，即和的關(guān)系：a+=1所以輸出電壓為三參數(shù)計(jì)算由于U1=220V , Ud=0.9U2*1+cosa2 Ud=5080V，取Ud=80V,得到U2為87v，考慮到一定的安全裕量，U21.21.5U2，得到U2104.4130.5，取U2為110v， 可得 U1/U2 =N1/N2 =2/1,故變壓器匝數(shù)比為2:1.選U2=110v,晶閘管的額定電壓為Un=2 (23)U2 =311.2466.8。取Un=500V取U

20、E=80V,由于P0=U0I0,代入P0=300W可得Id=Ii=3.75A,故整流器的輸出平均電流為3.75A。流過晶閘管電流的有效值為IT=12Id=2.65A考慮兩倍的安全裕量，流過晶閘管的額定電流為IN=2*IT1.57A=3.4A取IN=4A故晶閘管型號(hào)為：2CZ13F流過MOSFET最大電壓為UTM=80V,最大電流ITM=4A,故選擇IRFP340由升降壓斬波電路輸出電流的平均值I0=TU02L(1-D)2,得L=TU022I0(1-D)2C=P0U0UdDT，其中T為開關(guān)頻率，T=2*10-4S,P0=300W,U0=U0*%10代入上式可得：占空比%輸出電壓（V）輸出電流（A）負(fù)載R電感值(H*10-6)電容值（C*10-6）10893.426.4213.87.6301142.643.3636.513.9501601.8785.31066.311.7702671.1237.61496.95.9908000.42133191