MOSFET降压斩波电路设计

学号：课程设计题目MOSFET降压斩波电路设计（纯电阻负载）学院专业班级姓名指导教师2012年12月29日课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：自动化学院题目:MOSFET降压斩波电路设计（纯电阻负载）初始条件：1、输入直流电压：Ud=100V2、输出功率：300W3、开关频率5KHz4、占空比10%~90%5、输出电压脉率：小于10%要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；2、用MATLAB/Simulink对设计的电路进行仿真；3、撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形，绘出触发信号（驱动信号）波形，并给出仿真波形，说明仿真过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；4、通过答辩。时间安排：2012.12.24-12.29指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。关键字：直流斩波降压斩波MOSFETMATLAB仿真目录1.设计要求与方案...................................................................................................11.1设计要求.....................................................................................................11.2设计方案.....................................................................................................12降压斩波电路设计方案........................................................................................22.1降压斩波电路原理图..................................................................................22.2降压斩波电路工作原理图..........................................................................23MOSFET驱动电路设计..........................................................................................43.1驱动电路方案选择......................................................................................43.2驱动电路原理.............................................................................................44电路各元件的参数设定........................................................................................64.1MOSFET简介................................................................................................64.1.1功率MOSFET的结构..........................................................................64.1.2功率MOSFET的工作原理..................................................................74.2各元件参数计算..........................................................................................75系统仿真及结论....................................................................................................95.1仿真电路及其仿真结果.............................................................................95.2仿真结果分析............................................................................................14总结.........................................................................................................................16参考文献.................................................................................................................17武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1MOSFET降压斩波电路设计1.设计要求与方案1.1设计要求利用MOSFET设计一个降压斩波电路。输入直流电压Ud=100V，输出功率P=300W，开关频率为5KHz，占空比10%到90%，输出电压脉率小于10%。1.2设计方案电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如图1所示。图1电路结构图在图1结构框图中，控制电路用来产生MOSFET降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。控电路驱动电路主电路武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书22降压斩波电路设计方案2.1降压斩波电路原理图降压斩波电路的原理图以及工作波形如图2所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为MOSFET。为在MOSFET关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。图2降压斩波电路原理图2.2降压斩波电路工作原理图直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。当t=0时MOSFET管被激励导通电源U向负载供电，负载电压为Uo=U,负载电流io按指数曲线上升，当t=t1时控制MOSFET关断负载电流经二极管VD续流负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L较大。电路工作时的波形图如图3所示。图3降压斩波电路的工作波形至一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。当电力电子系统武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2所示。负载电压平均值为UO=tonton+toffU=tonTU=αU（2.1）负载电流平均值为IO=UoR式中，ton为MOSFET处于通态的时间；toff为MOSFET处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由式（1.1）可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为U，减小占空比，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。根据对输出电压平均值进行调试的方式不同，可分为三种工作方式：1)保持开关导通时间ton不变，改变开关T，称为频率调制工作方式；2)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽调制工作方式；3)开关导通时间ton和开关周期T都可调，称为混合型。（2.2）武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书43MOSFET驱动电路设计3.1驱动电路方案选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE管可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4)足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。而电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw的电力电子装置。在功率变换装置中,根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET管开关特性,选择驱动芯片IR2110来实现驱动。芯片IR2110管脚及内部电路图如下图4所示。图4IR2110管脚及内部电路图3.2驱动电路原理IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入、电平平移及输出保护。IR2110驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5为VCC的滤波电容。假定在S关断期间C1已经充到足够的电压（VC1VCC）。当HIN为高电平时如下图4-2，VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。图5IR2110驱动半桥电路设计驱动电路如图6所示.图6驱动电路图武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书64电路各元件的参数设定4.1MOSFET简介MOSFET的原意是：MOS（Me