电气工程课程设计MOSFET升压斩波电路设计说明

1、、绪论1.1直流斩波电路简介1.2 MOSFET 简介1.3 SG3525 简介1.4仿真软件介绍目录、MOSFET升压斩波电路设计要求及方案2.1设计要求2.2设计课题总体方案介绍及工作原理说明2.3设计方案各电路简介、MOSFET升压斩波主电路设计5.3.1电容滤波单相不可控整流电路3.2 MOSFET升压斩波电路四、控制电路与保护电路设计1.Q4.1 MOSFET驱动电路1.Q4.2保护电路1.1.五、总体电路原理图及其说明125.1总体电路原理图1.25.2 MATLAB仿真电路图.13.5.3仿真波形图1.35.4波形分析1.4六、结论1.41.4参考文献一、绪论1.1直流斩波电路简

2、介直流斩波电路(DC Chopper ),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MOSF

3、ET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

4、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。1.4仿真软件介绍1.4.1 MultisimMultisim是美国国家仪器（NI）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

5、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 Lab WEW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 MATLABMATLAB是由美国matworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以

6、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（如C、Fortran）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

7、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

8、使用。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：50V2、输出功率：300W3、开关频率：5KHz4、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总体方案负载触发电路图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。232 MOSFET斩波电路MOSFET斩波电路是被设计的核心部

9、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。233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。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电路原理图图3-1电容滤波单相不可控整流电路图电路原理及

10、其工作波形在U2的正半轴过零点至3（t）=0的期间，因为Ud<U2,故二极管均不导通, 此阶段电容C向R放电，提供负载所需的电流,同时Ud下降。至3（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主要的数量关系1输出电压平均值空载时，R= g,输出电压最大,Ud =2U 20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 RC _ 1.52.5T , T为交流电源

11、的周期，此时输出电压为：Ud : 1.2U 2贝U d 50 U 2d41.7V1.2 1.235CT=1.5 4.5mF2R3.2 MOSFET升压斩波电路电路原理图MOSFET升压斩波电路原理图如图3 3所示-A/WV11EioJ”VD9R图3-3 MOSFET升压斩波电路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li, 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uo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提供设MOS管处于通态的时间为ton，此期间电感L上积蓄的

12、能量为Elltoff。设MOS管处于断态的时间为toff，此期间电感L释放的能量为（Uo-E） litoff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即：El i ton = U o - E litoff(3-1)化简得:tont°ffTu °Eto f ft o f f(3-2 )波形如图51GE图3-4 MOSFET升压斩波电路波形主要的数量关系用占空比的形势表示输出电压：1U°E（ 3-3）1 -a本设计中取占空比a=50% ,贝U：1-0.550V =1007输出电流的平均值为300100A = 3A负载电阻的阻值为：二100：3333

13、四、控制电路与保护电路设计4.1 MOSFET驱动电路驱动电路原理图1Hzx74330691 |16O 215 O图4-1 MOSFET驱动电路图电路工作原理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SG

14、3525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保护电路变压器的保护1参数计算变压器二次侧电流为：5033.3A = 1.5A电流有效值：1.5 1.57=2.355A考虑有一定的余量，FU2可以选用5A的熔断器变压器的变压比为：110 212 355 疋 21 变压器一次侧电流：J二2.355 21 A二0.45A110考虑有一定的余量，FU1可以选用3A2.变压器保护电路原理图T7TT1匸TT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

15、体电路原理图图5-1总体电路原理图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5.4波形分析输出电压：U=100V输出电压范围:98V101V电压脉率：100-98100% =2% : 10%100101-100100% =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

16、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。参考文献1 李源生电路与模拟电子技术M

17、.成都：电子工业出版社，2007.102 王赵安.刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社,2008.123 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. 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 andProtect ion SystemsM.NewYork:The In stitute of Electrical and Electro nicsEngin eeri ng,l nc,1987.11 O'CONNELL TC , KR