电气工程课程设计MOSFET升压斩波电路设计.docx

电气工程课程设计MOSFET升压斩波电路设计目录 一、绪论. 1 1.1直流斩波电路简介. 1 1.2 MOSFET简介 . 1 1.3 SG3525简介 . 1 1.4仿真软件介绍. 2 二、MOSFET升压斩波电路设计要求及方案 . 3 2.1设计要求. 3 2.2设计课题总体方案介绍及工作原理说明. 3 2.3设计方案各电路简介. 3 三、MOSFET升压斩波主电路设计 . 4 3.1电容滤波单相不可控整流电路. 4 3.2 MOSFET升压斩波电路 . 5 四、控制电路与保护电路设计. 7 4.1 MOSFET驱动电路 . 7 4.2保护电路. 8 五、总体电路原理图及其说明. 9 5.1总体电路原理图 . 9 5.2 MATLAB仿真电路图 . 10 5.3仿真波形图. 10 5.4波形分析. 11 六、结论. 11 参考文献. 11电气工程课程设计 一、绪论 1.1直流斩波电路简介 直流斩波电路，也称直接变流电路，它的的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流。 直流斩波的电路的种类较多，包括六种基本电路：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Zata斩波电路。 直流斩波电路在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。 1.2 MOSFET简介 MOSFET是金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为N沟道型与P沟道型的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。 1.3 SG3525简介 随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 1 电气工程课程设计 1.4 仿真软件介绍 1.4.1 Multisim Multisim是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。 Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建。 1.4.2 MATLAB MATLAB是由美国matworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和mathmatics、Maple、Math CAD并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。 2 电气工程课程设计 二、MOSFET升压斩波电路设计要求及方案 2.1 设计要求 1、输入直流电压：50V 2、输出功率：300W 3、开关频率：5KHz 4、占空比：10%50% 5、输出电压脉率：小于10% 2.2设计课题总体方案介绍及工作原理说明 2.1.1总体方案 保护电路 电源 整流电路 MOSFET 斩波电路 负载 触发电路 图2-1 MOSFET升压斩波电路基本组成框图 2.3 设计方案各电路简介 2.3.1电容滤波单相不可控整流电路 电容滤波单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入场合。本设计中采用的是单相桥式接法，其作用是将直接输入的220V交流电压转变为我们所需大小的直流电压，然后提供给MOSFET升压斩波部分作为输入。 3 电气工程课程设计 2.3.2 MOSFET斩波电路 MOSFET斩波电路是被设计的核心部分，而其核心器件又是MOSFET。本部分是通过触发电路控制MOSFET的开启与关断，再利用电感和电容的储能作用实现升压功能的。 2.3.3触发电路 本设计的触发电路是基于SG3525控制芯片设计的。由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端管脚11和输出端B管脚与MOSFET的栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET。 2.3.4保护电路 保护电路是防止电压或电流过大造成元器件的的损坏而导致电路不能正常工作。 三、MOSFET升压斩波主电路设计 3.1电容滤波单相不可控整流电路 3.1.1电路原理图 图3-1 电容滤波单相不可控整流电路图 3.1.2电路原理及其工作波形 在U2的正半轴过零点至(t)=0的期间，因为Ud<U2,故二极管均不导通，此4 电气工程课程设计 阶段电容C向R放电，提供负载所需的电流，同时Ud下降。至(t)=0之后，U2将超过Ud，使得VD1和VD4开通，Ud=U2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电，如图3。 图3-2 电容滤波单相不可控整流电路波形图 3.1.3主要的数量关系 1.输出电压平均值 空载时，R=，输出电压最大，Ud =2U2。 重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。随着负载加重，U逐渐趋近于0.9U2，即趋近于电阻负载特性。 在设计时根据负载的情况选择电容C,使RC³(1.52.5)T，T为交流电源的周期，此时输出电压为： Ud»1.2U2 则： U2=Ud50=»41.7V 1.21.2 C³35T=1.54.5mF 2R3.2 MOSFET升压斩波电路 3.2.1 电路原理图 MOSFET升压斩波电路原理图如图33所示。 5 电气工程课程设计 图3-3 MOSFET升压斩波电路 3.2.2电路原理及其工作波形 假设电路中电感L和电感C的值很大。 当MOS管处于通态时，电源E向电感L充电，当充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。因为C的值很大，基本保持输出电压u0为恒值。 当MOS管处于断态时，电源E和电感L共同向电容C充电并向负载R提供能量。 设MOS管处于通态的时间为ton，此期间电感L上积蓄的能量为EI1toff。 设MOS管处于断态的时间为toff，此期间电感L释放的能量为(U0-E) I1toff。 当电路工作处于稳态时，一个周期T中电感积蓄的能量与释放的能量相等， 即： EI1ton=(U0-E)I1toff 化简得： U0=波形如图5。 ton+tofftoff=TE toff6 电气工程课程设计 图3-4 MOSFET升压斩波电路波形 3.2.3主要的数量关系 用占空比的形势表示输出电压： U0=1E 1-a本设计中取占空比=50%，则： 1U0=´50V=100V 1-0.5输出电流的平均值为： P300I0=A=3A U100负载电阻的阻值为： R=U0100=W»33.3W I03四、控制电路与保护电路设计 4.1 MOSFET驱动电路 4.1.1驱动电路原理图 7 电气工程课程设计 图4-1 MOSFET驱动电路图 4.1.2 电路工作原理 SG3525是电流控制型PWM控制芯片，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 当SG3525芯片工作时，会从输出端口引脚11和引脚14输出PWM信号。由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端引脚11和引脚与MOSFET的栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET。 4.2 保护电路 4.1.1变压器的保护 1.参数计算 变压器二次侧电流为： I2=Ud50=A=1.5A R33.3电流有效值：1.5´1.57=2.355A 8 考虑有一定的余量，FU2可以选用5A的熔断器 电气工程课程设计 变压器的变压比为：11021 2.355´21变压器一次侧电流 ：I1=A=0.45A 110考虑有一定的余量，FU1可以选用3A 2.变压器保护电路原理图 图4-2 变压器保护电路原理图 五、总体电路原理图及其说明 5.1总体电路原理图 图5-1 总体电路原理图 9 电气工程课程设计 5.2 MATLAB仿真电路图 图5-2 MATLAB仿真电路图 5.3仿真波形图 图5-3 MATLAB仿真波形图 10 电气工程课程设计 5.4波形分析 输出电压：U=100V 输出电压范围：98V101V 电压脉率： 100-98´100%=2%<10% 100101-100´100%=1%<10% 100经计算可知，输出电压脉率小于10%，满足设计要求。 六、结论 本课程设计就MOSFET升压斩波电路进行设计，使用MATLAB软件进行了仿真，验证了设计的合理性和可行性。具体内容包括： 1设计了MOSFET升压斩波电路； 2根据设计任务指标直流斩波电路的控制电路用PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占空比可调的矩形波； 3利用MATLAB软件进行了仿真，仿真结果表明：通过控制电路的占空比即通过MOSFET来控制升压斩波电路的输出电压； 通过这次设计，我基本掌握了MOSFET升压斩波电路的设计。MOSFET升压斩波电路又称为BOOST变换器，它对输入电压进行升压变换。通过控制电路的占空比即通过MOSFET来控制升压斩波电路的输出电压。并能够熟练利用MATLAB软件进行仿真，利用MOSFET升压直流斩波电路原理,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，控制电路输出占空比可调的矩形波。此次课程设计让我受益匪浅。 11 电气工程课程设计 参考文献 1 李源生.电路与模拟电子技术 M .成都：电子工业出版社,2007.10 2 王赵安.刘进军.电力电子技术 M .北京：机械工业出版社,2008.12 3 洪乃刚.电力电子和电力拖动MATLAB仿真M.北京：机械工业出版社，2006. 4 王兆安.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2000. 5 郭晓红.电机与拖动课程教学中的创新探讨J.电力学报,2008. 6 徐志佳.电力拖动控制系统中的仿真教学J.时代教育(教育教学版),2009. 7 孙莹,王奎.电力系统自动化M.北京:中国电力出版社,2004. 8 郭毅军,陈丽. MOSFET的驱动保护电路的设计与应用J.电子设计工程. 2012. 9 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京:机械工业出版社,2000. 10 Sachdev M S,et al.IEEE Tutorial Course Microprocessor Relays and ProtectionSystemsM.NewYork:The Institute of Electrical and Electronics Engineering,Inc,1987. 11 O'CONNELL TC，KREINPT.A Schwarz-Christoffel-based analyticalmethod for electric machine field analysisJ.IEEE Transactions on Energy Conversion,2009. 12 Zhuzq，Howed.Analytical prediction of the cogging torque in radial-field permanent magnet brushless motorsJ .IEEE Transactions on Magnetics,2008. 12