電力電子課程設(shè)計(jì)--mosfet升壓斬波電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　《電力電子課程綜合實(shí)訓(xùn)》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2015年6月</b></p><p>　題 目:MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì) </p><p>　專 業(yè)：

2、電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　班 級(jí)：</p><p>　指導(dǎo)教師 ：</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 前言1</b></p><p><

3、b>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2 MOSFET介紹1</p><p>　　1.3 PWM控制芯片SG3525介紹1</p><p>　　第二章 MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)要求2</p><p>　　2.2設(shè)計(jì)課題總體方案介紹及工作

4、原理說(shuō)明2</p><p>　　2.1.1總體方案2</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)方案各電路簡(jiǎn)介2</p><p>　　2.3.1電容濾波單相不可控整流電路2</p><p>　　2.3.2 MOSFET斬波電路3</p><p>　　2.3.3觸發(fā)電路3</p><p>　　2

5、.3.3保護(hù)電路3</p><p>　　第三章 MOSFET升壓斬波主電路設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.1電容濾波單相不可控整流電路4</p><p>　　3.1.1電路原理圖4</p><p>　　3.1.2電路原理及其工作波形4</p><p>　　3.1.3主要的數(shù)量關(guān)系5</p>&

6、lt;p>　　3.2 MOSFET升壓斬波電路5</p><p>　　3.2.1 電路原理圖5</p><p>　　3.2.2電路原理及其工作波形5</p><p>　　3.2.3主要的數(shù)量關(guān)系6</p><p>　　第四章 控制電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　4.1 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路7

7、</p><p>　　4.1.1驅(qū)動(dòng)電路原理圖7</p><p>　　4.1.2 電路工作原理7</p><p>　　4.2 保護(hù)電路8</p><p>　　4.1.1變壓器的保護(hù)8</p><p>　　第五章 總體電路原理圖及其說(shuō)明9</p><p>　　5.1總體電路原理圖9&l

8、t;/p><p>　　5.2 MATLAB仿真電路圖9</p><p>　　5.3仿真波形圖10</p><p>　　5.4波形分析11</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p>　　第六章 心得體會(huì)14</p><p><b>　　

9、前言</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器,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。MOSFET升壓斬波電路

10、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。</p><p>　　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。全控型電力電子器件MOSFET在牽引電傳動(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)可調(diào)的直流升壓斬波電源，利用MOSFET升壓直流斬波電路原理,將直流電

11、變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。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。</p><p>　　1.2 MOSFET介紹</p><p>　　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

12、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。</p><p>　　1.3 SG3525介紹</p><p>　　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SG

13、3525。SG3525是用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。</p><p>　　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

14、較理想的新型控制器。</p><p>　　第2章 MOSFET升壓斬波電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1、輸入直流電壓：Ud=50V</p><p>　　2、輸出功率：300W</p><p>　　3、開(kāi)關(guān)頻率5KHz</p>&l

15、t;p>　　4、占空比10%~50%</p><p>　　5、輸出電壓脈率：小于10%</p><p>　　2.2設(shè)計(jì)課題總體方案介紹及工作原理說(shuō)明</p><p><b>　　2.1.1總體方案</b></p><p>　　圖1 MOSFET升壓斬波電路基本組成框圖</p><p>　　

16、2.3 設(shè)計(jì)方案各電路簡(jiǎn)介</p><p>　　2.3.1電容濾波單相不可控整流電路</p><p>　　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。</p><p>　　2.3.2 MOSFET斬波電路</p

17、><p>　　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。</p><p><b>　　2.3.3觸發(fā)電路</b></p><p>　　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

18、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。</p><p><b>　　2.3.3保護(hù)電路</b></p><p>　　鑒于電源電路存在一些不穩(wěn)定因素，而設(shè)計(jì)用來(lái)防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護(hù)電路。比如有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、空載保護(hù)、短路保護(hù)

19、等。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。</p><p>　　第3章 MOSFET升壓斬波主電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1電容濾波單相不可控整流電路</p><p>　　3.1.1電路原理圖</p><p><b>　　如圖2</b></p><p>　　圖

20、2 電容濾波單相不可控整流電路圖</p><p>　　3.1.2電路原理及其工作波形</p><p>　　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。</p><p>　　圖3 電容濾波單相不可控整

21、流電路波形圖</p><p>　　3.1.3主要的數(shù)量關(guān)系</p><p><b>　　1.輸出電壓平均值</b></p><p>　　空載時(shí)，R=∞，輸出電壓最大，=2.</p><p>　　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。</p>

22、<p>　　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</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　則 （2）</p><p><b>　　（3）</b></p><p>

23、　　3.2 MOSFET升壓斬波電路</p><p>　　3.2.1 電路原理圖</p><p><b>　　如圖4</b></p><p>　　圖4 MOSFET升壓斬波電路</p><p>　　3.2.2電路原理及其工作波形</p><p>　　假設(shè)電路中電感L和電感C的值很大。</p

24、><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　

25、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</p><p>　　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，</p><p>　　即 </p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　化簡(jiǎn)得 </b></p>

26、<p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　波形如圖5</b></p><p>　　圖5 MOSFET升壓斬波電路波形</p><p>　　3.2.3主要的數(shù)量關(guān)系</p><p>　　用占空比的形勢(shì)表示輸出電壓</p><p><b&

27、gt;　?。?）</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中取占空比α=50%，則</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　輸出電流的平均值為</b></p><p><b>　　（8）</b></p><p>　　

28、負(fù)載電阻的阻值為 </p><p>　　R=75Ω （9）</p><p>　　第4章 控制電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.1.1驅(qū)動(dòng)電路原理圖</p><p><b>　　如圖6</

29、b></p><p>　　圖6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　4.1.2 電路工作原理</p><p>　　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)

30、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。</p><p>　　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。</p&g

31、t;<p><b>　　4.2 保護(hù)電路</b></p><p>　　4.1.1變壓器的保護(hù)</p><p><b>　　1.參數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　變壓器二次側(cè)電流為</b></p><p>　　(10) </

32、p><p>　　電流有效值 1.51.57A=2.355A (11) </p><p>　　考慮有一定的余量，F(xiàn)U2可以選用5A的熔斷器</p><p>　　變壓器的變壓比為 110∶21</p><p>　　變壓器一次側(cè)電流 (12) </p><

33、;p>　　考慮有一定的余量，F(xiàn)U1可以選用3A</p><p>　　2.變壓器保護(hù)電路原理圖</p><p><b>　　如圖7</b></p><p>　　圖7 變壓器保護(hù)電路原理圖</p><p>　　第5章 總體電路原理圖及其說(shuō)明</p><p>　　5.1總體電路原理圖</p

34、><p><b>　　如圖8</b></p><p>　　圖8 總體電路原理圖</p><p>　　5.2 MATLAB仿真電路圖</p><p><b>　　如圖9</b></p><p>　　圖9 MATLAB仿真電路圖</p><p><b

35、>　　5.3仿真波形圖</b></p><p><b>　　如圖10</b></p><p>　　圖10 MATLAB仿真波形圖</p><p><b>　　占空比仿真圖</b></p><p><b>　　輸出電流仿真圖</b></p>&l

36、t;p><b>　　輸出電壓仿真圖</b></p><p><b>　　5.4波形分析</b></p><p>　　輸出電壓U=100V</p><p>　　輸出電壓范圍98V~101V</p><p><b>　　電壓脈率</b></p><p>

37、;<b>　　(13) </b></p><p><b>　　(14) </b></p><p>　　經(jīng)計(jì)算可知，輸出電壓脈率小于10%，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光，陳大欽.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M] .北京：

38、高等教育出版社，2006.8</p><p>　　Kang youhua, Chen daqin. Analog elegtronic technology foundation [M] .Beijing: Higher education press, 2006. 8 (in chinese)</p><p>　　[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,20

39、07.10</p><p>　　Li yuansheng. Circuit and analog technology [M] .Chengdu: Electronic industry press, 2007. 8(in chinese)</p><p>　　[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,2008.12</p><p>　　

40、Wang zhaoan, Liu zhijun. Electric power and electronic technology [M] .Chengdu: Electronic industry press, 2007. 12(in chinese)</p><p><b>　　第6章 心得體會(huì)</b></p><p>　　本次的電力電子課程設(shè)計(jì)中，我們小組三人

41、查閱了很多資料，向老師請(qǐng)教才得以解決。這讓我們了解到課本知識(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，也知道實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。我門(mén)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，

42、計(jì)算準(zhǔn)確，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)，我們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)了我們分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能