电气工程技术交底大全报告MOSFET升压斩波电路设计

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1、 专业资料 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

2、真电路图 10 5 3 仿真波形图 10 5 4 波形分析 11 六 结论 11 专业资料 参考文献 11 专业资料 一 绪论 1 1 直流斩波电路简介 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

3、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 专

4、业资料 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 4 仿真软件介绍 1 4 1 Multisim Multisim 是美国国家仪器

5、 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

6、Lab EW 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 专业资料 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 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 MAT

7、LAB 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 MAT

8、LAB 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 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 专业资料 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 整流电路电源 MOSFET 斩波电路负载 保护电路

9、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 专业资料 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

10、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 专业资料 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

11、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 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 专业资料 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 T 为交流电源的 TRC5 2 5 1 周期 此时输出电压为 2 2 1 UU d 则 V U

12、 U d 7 41 2 1 50 2 1 2 mFT R C5 4 5 1 2 5 3 3 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 3 3 所示 图 3 3 MOSFET 升压斩波电路 专业资料 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 MO

13、S 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 3 offon tIEUtEI 101 1 化简得 3 2 E t T t tt U offoff offon 0 波形如图 5 专业资料 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 3 3 EU 1 1 0 本设计中取占空比 50 则 VVU10050 5 01 1 0 输出电流的平均值为

14、AA U P I3 100 300 0 负载电阻的阻值为 3 33 3 100 0 0 I U R 专业资料 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 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

15、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 专业资料 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 AA R U I d 5 1 3 33 50 2 电流有效值 A355 2 57 1 5 1 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 21 变

16、压器一次侧电流 AAI45 0 110 21355 2 1 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 专业资料 图 4 2 变压器保护电路原理图 专业资料 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 5 2 MATLAB 仿真电路图 图 5 2 MATLAB 仿真电路图 专业资料 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 98V 101V 电压脉率 10 2 100 100 98100 10 1 100 100 100101 经计算可知 输出电压脉率小于 10 满足设计要求 专业资料 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