電力電子課程設(shè)計--mosfet升壓斬波電路設(shè)計

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

2、電氣工程及其自動化 </p><p>　班 級：</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2</p><p>　　2.1 設(shè)計要求2</p><p>　　2.2設(shè)計課題總體方案介紹及工作

4、原理說明2</p><p>　　2.1.1總體方案2</p><p>　　2.3 設(shè)計方案各電路簡介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7</p><p>　　4.1 MOSFET驅(qū)動電路7

7、</p><p>　　4.1.1驅(qū)動電路原理圖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,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(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，它對輸入電壓進(jìn)行升壓變換。通過控制電路的占空比即通過MOSFET來控制升壓斬波電路的輸出電壓。</p><p>　　直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，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)計的是一個可調(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-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管，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在開關(guān)變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出SG

13、3525。SG3525是用于驅(qū)動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調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(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，無論開關(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</p><p><b>　　2.1 設(shè)計要求</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)計課題總體方案介紹及工作原理說明</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)計方案各電路簡介</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合。本設(shè)計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)計的核心部分，而其核心器件又是MOSFET。本部分是通過觸發(fā)電路控制MOSFET的開啟與關(guān)斷，再利用電感和電容的儲能作用實(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)計的觸發(fā)電路是基于SG3525控制芯片設(shè)計的。由于SG3525的輸出驅(qū)動電路是低阻抗的，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的柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率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)計用來防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護(hù)電路。比如有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(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</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，同時下降。至wt=0之后，將超過，使得VD1和VD4開通，=，交流電源向電容充電，同時向負(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，R=∞，輸出電壓最大，=2.</p><p>　　重載時，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。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)計時根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C,使 , T為交流電源的周期，此時輸出電壓為</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　則 （2）</p><p><b>　?。?）</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，電源E向電感L充電，當(dāng)充電電流基本恒定為，同時電容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，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，一個周期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>　　用占空比的形勢表示輸出電壓</p><p><b&

27、gt;　?。?）</b></p><p>　　本設(shè)計中取占空比α=50%，則</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　輸出電流的平均值為</b></p><p><b>　?。?）</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</p><p>　　4.1 MOSFET驅(qū)動電路</p><p>　　4.1.1驅(qū)動電路原理圖</p><p><b>　　如圖6</

29、b></p><p>　　圖6 MOSFET驅(qū)動電路圖</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調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(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，無論開關(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，會從輸出端口引腳11和引腳14輸出PWM信號。由于SG3525的輸出驅(qū)動電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端引腳11和引腳與MOSFET的柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率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)計算可知，輸出電壓脈率小于10%，滿足設(shè)計要求。</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</b></p><p>　　本次的電力電子課程設(shè)計中，我們小組三人

41、查閱了很多資料，向老師請教才得以解決。這讓我們了解到課本知識和實(shí)踐設(shè)計還是有很大的差別，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)。我門懂得了要完成一個電路的設(shè)計，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電路的價值，因?yàn)樵O(shè)計一個電路，絕不是簡單的按課本的電路圖進(jìn)行簡單的拼湊，我們要進(jìn)行電路各個元件參數(shù)的計算，這個涉及我們所掌握的理論知識，元件的計算是設(shè)計中較為重要的一部分，

42、計算準(zhǔn)確，則設(shè)計出來的電路誤差不大，否則，設(shè)計出來的電路性能指標(biāo)根要求相差甚遠(yuǎn)。最困難的是當(dāng)電路出現(xiàn)問題時如何檢測出錯誤之處，如何排除錯誤，它考驗(yàn)了我們?nèi)绾芜\(yùn)用理論知識和實(shí)際的調(diào)試的能力，另外，通過這次課程設(shè)計，我們掌握了常用元件的識別和測試，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，追求創(chuàng)新的思維習(xí)慣?？偟膩碚f，這次的課程設(shè)計真正培養(yǎng)了我們分析問題，解決問題的能