MOSFET降压斩波电路设计

题目MOSFET降压斩波电路设计

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前言

直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流

电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩

波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直

接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电

路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输

出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。

直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电珞：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Zeta斩波电路，利

用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆

斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，匕构成多相多重斩波电路。

目录

1.设计要求与方案1

1.1设计要求1

1.2设计方案1

2降压斩波电路设计方案2

2.1降压斩波电路原理图2

2.2降压斩波电路工作原理图2

3MOSFET驱动电路设计3

3.1驱动电路方案选择3

3.2驱动电路原理4

4保护电路5

4.1过电压保护5

4.2过电流保护6

5电路各元件的参数设定6

5.1MOSFET简介6

5.1.1功率MOSFET的结构7

5.1.2功率MOSFET的工作原理7

5.2各元件参数计算8

6系统仿真及结论9

6.1仿真电路及其仿真结果9

6.2仿真结果分析15

总结15

参考文献16

MOSFET降压斩波电路设计

1.设计要求与方案

1.1设计要求

利用MOSFET设计一个降压斩波电路。输入直流电压Ud=lOOV,输出功率

P=300W,开关频率为5KHz,占空比10%到90%,输出电压脉率小于10机

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。

根据MOSFET降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。

控电路

驱动电路

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MOSFET降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降压斩波电路工作。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降压斩波电路设计方案

2.1降压斩波电路原理图

降压斩波电路的原理图以及工作波形如图2所示。该电路使用一个全控型器

件V,图中为MOSFET。为在MOSFET关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续

流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，乜可拖动直流电动机或带

蓄电池负载等。

%（，）L

——》

in

4-wx（0-

+口

U本「小）c

-VDR

图2降压斩波电路原理图

2.2降压斩波电路工作原理图

直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET,用控制电路和驱

动电路来控制MOSFET的导通或关断。当t=0时MOSFET管被激励导通电源U向负

载供电，负载电压为Uo=U,负载电流io按指数曲线上升,当t=tl时控制MOSFET

关断负载电流经二极管VD续流负载电压U。近似为零，负载电流呈指数曲线下

降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L较大。电路工作时的波形图

如图3所示。

图3降压斩波电路的工作波形

至一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。当电力电子

系统工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2所示。

负载电压平均值为

U=r^r-U=>U=a

ovonI『offA

（2.1）

（2.2）

负载电流平均值为

Uo

京

式中,ton为MOSFET处于通态的时间;toff为MOSFET处于断态的时间;T

为开关周期；

a

为导通占空比。

由式（1.1）可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为U,减小占空比

a

,Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。

根据对输出电压平均值进行调试的方式不同，可分为三种工作方式：

1）保持开关导通时间

不变，改变开关T,称为频率调制工作方式；

2）保持开关周期T不变，调节开关导通时间

,称为脉冲宽调制工作方式;

3）开关导通时间

和开关周期T都可调，称为混合型。

3MOSFET驱动电路设计

3.1驱动电路方案选择

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UOSFE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）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。

在功率变换装置中,根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和

隔离驱动两种方式.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

求实现驱动。

芯片IR2110管脚及内部电路图如下图4所示。

图4IR2110管脚及内部电路图

3.2驱动电路原理

IR2U0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Cl,VD1分别为自举电容和自举二极

管，C2为VCC的滤波电容c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4-2,VY1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和

源极之间，C1通过VM1,Rgl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，YM3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在S1开通之前迅速关断。

图5TR2110驱动半桥电路

设计驱动电路如图6所示.

图6驱动电路图

4保护电路

4.1过电压保护

当达到一定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，

消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力

电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在路中，

当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电

路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与

电容产生振荡，过电压保护电路如图7

图7

4.2过电流保护

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击

穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统

产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由

于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采

用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

5电路各元件的参数设定

5.1MOSFET简介

MOSFET的原意是:MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），

FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以佥属层（M）的栅极隔着氧

化层（0）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应总体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型

（MetalOxideSemiconductorFET），简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型

功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor一

SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率

小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR,但其电流容量小，耐压低，一

般只适用于功率不超过104的电力电子装置。

功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可

分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N

（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是

N沟道增强型。

5.1.1功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载

流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构

上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用