MOSFET升压斩波电路.pdf

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1、MOSFET 升压斩波电路 2 长春工业 大 学 电力电子技术课程设计 题 目：MOSFET升压斩波电路 院 （系） ：电气与电子工程学院 班级： 110310 学号： 20111211 姓名：沈永来 指导教师：林志琦 3 时间： 2014.1.6-2014.1.10 设 计 说 明 任务: 用 MOSFET 晶体管设计升压斩波电路。 本次课程利用MOSFET 晶体管升压斩波电路的基本原理, 设计一个可调控的斩波电 路. 斩波器的电能变换为功能是由电力电子器件的通断控制实现的. 通过电力电子器件的 开关作用 , 将恒定的直流电压变为可调控的直流电压, 或将变化的直流电压变换为恒定的 直流电压的

2、电力电子电路, 称为直流斩波电路 , 相应的装置称为斩波器. 斩波器具有效率高 , 体积小 , 重量轻 , 成本低等优点 , 广泛用于直流牵引变速拖动系统, 可调整直流开关电源 , 无 轨电车 , 地铁列车中 . 直流升压斩波电路实际上就是利用PWM 技术, 在斩波电路中 , 输入电压 是固定不变的 , 通过开关的开通时间与关断时间, 即可控制输出电压的平均值. MOSFET 工作原理 当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅极之间 电压为零或负时， P型区和 N-型漂移区之间的PN结反 向，漏极之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向 电压 UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅流。但栅极的 正电压所

3、形成电场的感应作用却会将其下面P 型区中 的少数载流子电子吸引到栅极下面的P 型区表面。当 4 UGS大于某一电压值UT时，栅极下面 P型区表面的电子 浓度将超过空穴浓度，形成N 型半导体，沟通了漏极 和源极，形成漏极电流ID. 电压 UT称为开启电压， UGS 超过 UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大. 关键字电能 MOSFET升压斩波电路 升压变换变换器直流斩波技术 一设计要求与方案 一、设计的技术数据 1、交流电源：单相220V ； 2、前级整流输出输电压： Ud=50V80V； 3、输出功率： 300W ； 4、开关频率 5KHz ； 5、占空比 10%90%； 6、输出电压脉率

4、：小于10% 。 二、设计内容及要求 1、方案论证及选择； 2、主电路设计（包括整流电路设计及器件的具体型号；斩波电路设计，器件选择及型号 确定，电感电容估算等） 5 3、控制电路设计 （触发电路的选择与设计电路，如：PWM 控制芯片 SG3525） ； 4、驱动电路设计（如IR2125，三菱 579 系列或其他系列等）； 5、总结及心得体会； 6、参考文献； 7、完成电路原理图1 份。 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

5、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。 1. 根据MOSFET升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升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升压斩波电 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。 2. 主电路设计方案： 控电路 驱动电路 主电路 6 二各主电路的组成 2.

6、1 整流电路的设计 整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子 技术中最为重要，也是应 用最为广泛的电路。不仅应用于工业，也广泛应用于 交通运输，电力系统，通信系统，能源系统等其他领 域。本实验装置采用单相桥式全控整流电路（所接负 载为纯电阻负载）。 在单项桥式全控整流电路中，晶闸管 VT1 和 VT4 组成一对桥臂， VT2 和 VT3 组 成另一对桥臂。在 u2 正半周（即 a 点电位高于 b 点电位），若 4 个晶 闸管均不导通，负载电流 id 为零，ud 也为零，VT1 、 VT4 串联承受电压 u2 ，设 VT1 和 VT4 的漏电 阻相 等，则各承受 u2 的一半。若在触发角 处

7、给 VT1 和 整 流 电 整流驱动斩波 交直 7 2 cos1 29.0)(sin22 1 UttdU U d VT4 加触发脉冲， VT1 、 VT4 即导通，电流从 a 端经 VT1 、R、VT4 流回电源 b 端。当 u2 为零时，流经晶 闸管 的电流也降到零， VT1 和 VT4 关断。 在 u2 负半周，仍在触发延迟角处触发 VT2 和 VT3 （VT2 和 VT3 的=0 处为 t= ）， VT2 和 VT3 导通，电流从电源的 b 端流出，经 VT3、R、VT2 流 回电源 a 端。 到 u2 过零时，电流又降为零， VT2 和 VT3 关断。此 后又是 VT1 和 VT4 导

8、通。如此循环工作下去。晶闸 管承受的最大正向电压和反向电压分别为 2 2 U2和 2U2 。 整流电压平均值为 向负载输电流平均值为 流过晶闸管的电流平均值为 II ddvT 21 R Ud d I 8 2.1.1 晶闸管触发电路的设计 1. TCA785芯片介绍 TCA785是德国西门子 (Siemens) 公司于 1988 年前后开发的第三代晶闸管单片移相 触发集成电路，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽， 且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。 （1）引脚排列、各引脚的功能及用法 TCA785是双列直插式 16 引脚大规模集成电路。它的引脚排列

9、如图所示。 整流电路 9 TCA785 的引脚排列 各引脚的名称、功能及用法如下： 引脚 16(VS)：电源端。 引脚 1(OS)：接地端。 引脚 4(Q1)和 2(Q2)：输出脉冲 1 与 2 的非端。 引脚 14(Q1)和 15(Q2)：输出脉冲 1 和 2 端。 引脚 13(L) ：非输出脉冲宽度控制端。 引脚 12(C12)：输出 Q1 、Q2脉宽控制端。 引脚 11(V11) ：输出脉冲 Q1 、Q2或 Q1 、Q2移相控制直流电压输入端。 引脚 10(C10)：外接锯齿波电容连接端。 引脚 9(R9)：锯齿波电阻连接端。 引脚 8(VREF)：TCA785 自身输出的高稳定基准电压

10、端。 引脚 7(QZ)和 3(QV)：TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。 引脚 6(I) ：脉冲信号禁止端。 引脚 5(VSYNC) ： （2）基本设计特点 TCA785 的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方 便地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速 晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的 单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统 或其它拓扑结构电路的变流系统；它的输入、输出与CMOS 及 TTL电平兼容，具有较宽的 10 应用电压范围和较大的负

11、载驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；其电路结构决 定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范 围(-25 +85C)和工作电源电压范围(-0.5 +18V)。 （3）极限参数 电源电压： +818V或49V； 移相电压范围： 0.2VVS-2V; 输出脉冲最大宽度： 180； 最高工作频率： 10500Hz ； 高电平脉冲负载电流： 400mA ； 低电平允许最大灌电流：250mA ； 输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和 0.3V； 同步电压随限流电阻不同可为任意值； 最高工作频率： 10500Hz ； 工作温度范围：军品 -55 +125，工业

12、品 -25 +85，民品 0 +70。 2.TCA785锯齿波移相触发电路 由于 TCA785自身的优良性能，决定了它可以方便地用于主电路为单个晶闸管或晶体 管，单相半控桥、全控桥和三相半控桥、全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发 晶闸管或晶体管，进而实现用户需要的整流、调压、交直流调速、及直流输电等目的。西 门子 TCA785触发电路，它对零点的识别可靠，输出脉冲的齐整度好，移相范围宽；同时 它输出脉冲的宽度可人为自由调节。西门子TCA785外围电路如图所示。 11 TCA785锯齿波移相触发电路 原理图 锯齿波斜率由电位器RP1 调节，RP2 电位器调节晶闸管的触发角。 交流电源采用

13、同步 变压器提供，同步变压器与整流变压器为同一输入，根据TCA785能可靠地对同步交流电 源的过零点进行识别，从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持同步。同步变压器的 变比选为 K220/1544/ 3 14。 2.2 驱动电路设计 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

14、) 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。 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。 12 芯片IR2110 管脚及内部电路图如下图所示。 IR2110 管脚及内部电路图 IR2110 内部功能由三部分组成

15、：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 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（ VC1 VCC ）。 当HIN 为高电平时如下图，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

16、 在S1 开通之前迅速关断。 IR2110 驱动半桥电路 13 设计驱动电路如图所示 . 驱动电路图 2.3 PMW方波产生控制电路 2.3.1 SG3525 简介 引脚 1：误差放大器反向输入端。引脚 2：误 差放大器同相输入端。 引脚 3: 振荡器外接同步信号输入端。引脚 4：振荡器输出端。 引脚 5： 振荡器定时电容接入端。引脚 6： 振荡器定时电阻接入端。 引脚 7： 振荡器放电端。引脚 8： 软启动电容接入端。 SG3525 14 引脚 9： PWM 信号输入端引脚 10： 外部关断信号输入端。 引脚 11：输出端 A 引脚 12：信号地 引脚 13：输出级偏置电压接入端引脚 14：

17、输出端 B 引脚 15：偏置电源接入端引脚 16：基准电源输出端 SG3525 芯片特点如下： 1 工作电压范围 8-35v。 25.1V 微调基准电源 3 振荡器频率工作范围100Hz-500kHz。 4 具有振荡器外部同步功能 5死区时间可调。 6 内置软启动电路。 7 具有输入欠电压锁定功能。 8 具有 PWM 9逐个脉冲关断。 10/ 拉电流 Ma(峰值) 其 11 和 14 脚输出两个等幅、 等频、相位互补、 占 空比可调的 PWM 信号。脚 6、脚 7 内有一个双门限比 15 路共同构成 SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输 入端( 脚 3) 。脚 1 及脚 2 分别为芯片

18、内部误差放大器 的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差 放大器的输出脚 9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈 10 脚的电压为高电平时11 和 14 脚的电压变为 10 输出。 2.3.2 控制电路原理图 2.4 MOSFET管的 保护电路 考虑到晶闸管在关断过程中，di/dt 很大，在斩波电 路中会产生很大的自感电动势Ldi/dt,故需要采取保 护措施，一般的过电压保护是在晶闸管两端并联一个 相串联的电感和电阻如图所示，利用电容的充电作用， 可降低晶闸管反向电流减小的速度，使感应电动势减 小。 16 与晶闸管并联的阻容经验值见下表 晶 闸 管 额 度电流 /A 10 20 50 1

19、00 200 500 1000 电容/uF 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/ 100 8 40 20 10 5 2 2.5 升压(boost) 斩波电路 2.5.1 升压斩波电路及其工作波形 E V R LV D a) C i o i 1 i G u o b) iG i o I 1 O O t t 17 a）电路图 b）波形 2.5.2 工作原理 假设 L 和 C值很大。 处于通态时，电源E向电感 L 充电，电流恒定 1 i，电容 C向负载 R供电，输出电压 0 u 恒定。 断态时，电源 E和电感 L 同时向电容 C充电，并向负载提供能量。 设 V通态的时间为 on

20、t，此阶段 L 上积蓄的能量为 on tEi1 设 V断态的时间为 off t，则此期间电感L 释放能量为 off tiEu 10 )( 稳态时，一个周期T 中 L 积蓄能量与释放能量相等： on tEi1= off tiEu 10 )( 化简得E t T E t tt u offoff offon 0 off t T 升压比；升压比的倒数记作 ，即 off t T 和的关系： a+=1 所以输出电压为 EEu 1 11 0 三参数计算 由于 18 =/ =2/1,故变压器匝数比为2:1. =311.2466.8 。 取500V 取=80V,由于, 代入 , 故整流器的输出平均电流为3.75A

21、。 流过晶闸管电流的有效值为 考虑两倍的安全裕量，流过晶闸管的额定电流为 取 故晶闸管型号为： 2CZ13F 流过 MOSFET 最大电压为 由升降压斩波电路输出电流的平均值 , 得 C=其中 T 为开关频率， T=2*S, 代入上式可得： 占空比 % 输出电压 （V） 输 出 电 流 （A） 负载 R 电感值 (H* ) 电容值 （C*） 10 89 3.4 26.4 213.8 7.6 30 114 2.6 43.3 636.5 13.9 50 160 1.87 85.3 1066.3 11.7 70 267 1.1 237.6 1496.9 5.9 90 800 0.4 2133 191

22、9.7 0.84 由以上表格知，要求LLB,CCL.选取 L=200mH,C=200uF 19 综上所述， 变压器选取变比为2:1, 的单相交流变压器 晶闸管型号为： 2CZ13F MOSFET 管的型号为： A04454L L=200mH, C=200uF 四总电路设计 见附表 五仿真电路图 见附表 六总结 在本次为期五天的电力电子课程设计中，刚开始的时候稍微有点抓不着 课程设计的核心。 我认为本设计的重点在于硬件电路的设计, 而程序的调试却 是本设计的难点所在 . 但通过查阅资料， 向老师请教 , 以及与同学探讨之后 , 解 决了主体部分的设计问题。这让我了解到了自己在这门课程上的不足之处

23、和 薄弱环节。课本的知识需要熟练掌握才能发挥的淋漓尽致, 对基本原理的熟记 才会加深运用过程的理解. 在以后的职业生涯中, 将理论灵活运用于实践中是非常重要的，这需要 自己打好坚实的专业基础知识。最后, 感谢在这次课程设计中，帮助我的老师 和同学们 . 20 六、参考文献 1 王兆安，刘进军，电力电子技术M. 第五版 . 北京：机械工业出版， 2009:119-123. 2 樊 立 平 ， 王 忠 庆 ， 电 力 电 子 技 术 M. 北 京 ： 中 国 林 业 出 版 ， 北 京 大 学 出 版 社,2006:116-119. 3 曲学基，曲敬铠，于明扬，电力电子整流计算及应用M. 北京：电子工业出版社， 2008:192-196. 4 黄家善，王廷才，电力电子技术M. 北京：机械工业出版， 2000：193. 5 何希才，新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，2001:168. 6 阮新波，严仰光，直流开关电源的软开关技术北京：科学出版社，2000：166. 7 汝全，电子技术常用器件应用手册机械工业出版社，2000：136.