MOSFET升压斩波电路解析

1、1长春工业大学电力电子技术课程设计题目：MOSFE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_扌旨导教师：_ 林志琦_2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 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 直流电压的电力电子电路 , 称为直流斩波电路 , 相应的装置称为斩波器 .

2、 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 .MOSFE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 P 型区和 N-N-型漂移区之间的 PNPN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。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面 P P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的 P

3、P 型区表面。当UGS大于某一电压值 UT时，栅极下面 P P 型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，形成N 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 I 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，设计要求与方案3、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 5KHz5、 占空比 10%90%6、 输出电压脉率：小于 10%。、设计内容及要求1、 方案论证及选择；2、主电路设计（包

4、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）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M579 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 MOSFE 升压斩波

5、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。控电路V驱动电路V主电路图 1 电路结构图在图 1 结构框图中，控制电路用来产生 MOSFE 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MOSFE 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 开通和关断来控制 MOSFET 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：.各主电路的组成2.1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

6、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）。交流整流电路-V驱动电路斩波电路直流整流电5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a处给 VT1 和 VT4 加触发脉冲，VT1、VT4 即导通，电流从 a 端经 V

7、T1、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a处触发 VT2 和 VT3 （VT2 和 VT3 的a=0 处为3t=n）, 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22U2 和2U2。整流电压平均值为-.2U 2sin td（，t） =0.9U 21 C0SHa向负载输电流平均值为IdvT二12Id

8、流过晶闸管的电流平均值为Id二罟整流电62.1.1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。它的引脚排列如图所示1S15U131211TCA785 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

9、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端。引脚 7(QZ)和 3(QV): TCA785 俞出的两个逻辑脉冲信号端。引脚 6(I):脉冲信号禁止端。弓 I 脚 5(VSYNC)6107(2)基本设计特点TCA785 的基本设计特点有：能可靠

10、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，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA 勺驱动电流；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 +85 C)和工作电源电压范围(-0.5 +18V)

11、。(3)极限参数电源电压：+8 18V 或土 4 9V;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 +125C,工业品-25 +85C,民品 0 +70C。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

12、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。8TCA785 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 K =220/15 =44/3 14

13、。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；提供足够大的瞬 态功率或瞬时电流，使 MOSFE 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 MOSFE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 1

14、0Kw 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MOSFETt 开关特性，选择驱动芯片 IR2110 来实现驱动。9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：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, VD 份别为自举电容和自举二极管，C2 为 VCC勺滤波电容。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,VM 开通，VM

15、关断，VC 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，VM 关断，VM 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HINSOLINv55%/Vzu电平 转换誥电平IG延时8初VS2IR2110 驱动半桥电路10迅速关断。VH11设计驱动电路如图所示讴元;糙:15VTR21 IOSNCVbVUJDno HEMVgSET4CUN VCC VSS LONC

16、 COM1971PVL：1O11-1J1Q7*PV-xNll 1231311142驱动电路图2.3 PMW方波产生控制电路231 SG3525简介11616尹基准电压E2 2K Ka+15VC3 31414B 出C4 41313时薙电容CT二3 31212GND时墓电阻RTU6 6U U敲电电瓯 Rn7 710n 黄斷控制轶启动増T9 9SG3525 引脚图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。& 具有 PWM 锁存功能禁止多脉冲。 9逐个脉冲关断。引脚 1:误差放大器反向输入端。 引脚3:振荡器外接同步信号输入端。 弓 I脚 5 :振荡器定时电容接入端。

17、引脚 7 :振荡器放电端。引脚 9: PWM 信号输入端引脚 11:输出端 A引脚 13:输出级偏置电压接入端 引脚15:偏置电源接入端SG3525 芯片特点如下：1.工作电压范围 8-35v。2.5.1V 微调基准电源3.4.振荡器频率工作范围100Hz-500kHz。具有振荡器外部同步功能引脚 2:误差放大器同相输入端。引脚 4:振荡器输出端。引脚 6 :振荡器定时电阻接入端。引脚&软启动电容接入端。引脚 10:外部关断信号输入端。引脚 12:信号地引脚 14:输出端 B引脚 16 :基准电源输出端1210.双路输出 灌电流/拉电流 Ma（峰值）13其 11 和 14 脚输出两个等

18、幅、等频、相位互补、占空比可调的 PWM 信号。脚 6、脚 7 内有一个 SG3525 的振荡器。振荡器还 设有外同步输入端(脚 3)。脚 1 及脚 2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。 该放大9 和脚 1 之间一 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5.IV2.4 MOSFET管的保护电路考虑到晶闸管在关断过程中，di/dtdi/dt 很大，在斩波电路中会产生很大的自感电动势Ldi/dt,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

19、电流减小的速度，使感应电动势减小。与晶闸管并联的阻容经验值见下表晶闸管额度电流/A1020501002005001000电容/uF0.10.150.20.250.512电阻/Q1008402010522.5升压(boost)斩波电路2.5.1 升压斩波电路及其工作波形ViBrrA.pH栉5.1VJ110K2i0 LuFIWJUFGKDGNDh1610-GNDII-1.5 V1414B和a的关系：a+B=12.5.2 工作原理VD=E .T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 i1，电容 C 向负载 R 供电，输出电压 u0恒断态时，电源 E 和电感 L 同

20、时向电容 C 充电，并向负载提供能量。设 V 通态的时间为 ton，此阶段 L 上积蓄的能量为 Eiiton设 V 断态的时间为 toff，则此期间电感 L 释放能量为（Uo- E）iitoff稳态时，一个周期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相等:化简得tonto f fTUo-E =-Eto f ftoffT升压比；升压比的倒数记作Btoff，即壬GVDa）电路图b ）波形15所以输出电压为Uo三. 参数计算由于 -此亦娜虬8酬跚削7v,考詡-詡妁暹 以L5册 翱师04如1305),輒为11血 骗二/=2/1,故变压器匝数比为2:1.觀-川渤需IBHlh -薦许瑚松=311.24668取血二5V-=80v由于厂切訂,代入；-:肌新爲.二】二：；,故整流器的输出平均电流为3.75A。流过晶闸管电流的有效值为一-二.二】考虑两倍的安全裕量，流过晶闸管的额定电流为-；二丄二=4lr57取: 故晶闸管型号为：2CZ13F流过MOSFET最大电压为( (V80斶大讎/犷4战赫IREP34016由升降压斩波电路输出电流的平均值 .,得-其中T为开关频率，T=2*厂S,-1代入上式可得:由以上表格知，要求LLB,CCL.选取L=200mH,C=200uF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：2CZ13