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1、摘要直流斩波电路是将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换 器 , 如果改变开关的动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，就可 以改变加到负载上的电压、电流平均值。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。全控型电力电子器件 MOSFET 在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等 领域得到了广泛的应用。关键词：Buck Choppe
2、r MOSFET Simulink 高频开关目录1 降压斩波电路主电路基本原理 12 MOSFET基本性能简介52.1电力MOSFET的结构和工作原理52.1.1 电力MOSFET的结构52.1.2功率MOSFET的工作原理62.2 功率MOSFET的基本特性62.2.1 静态特性62.2.2 动态特性72.3 电力MOSFET的主要参数83 电力MOSFET驱动电路93.1 MOSFET的栅极驱动93.2 MOSFET驱动电路介绍及分析93.2.1 不隔离的互补驱动电路 93.2.2 隔离的驱动电路103.2.3 驱动电路的设计方案比较 134 保护电路设计154.1 主电路的保护电路设计1
3、54.2 MOSFET的保护设计155 仿真结果17心得体会23参考文献241 降压斩波电路主电路基本原理 高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源， 通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。它能把电网提供的强电和粗电， 它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。BUCK变换器是开关电源基本拓扑 结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压 变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因 此可以直接用于需要直接降压的地方。降压斩波电路主电路原理图如图 1 所示。图 1 降压斩波电路主电路原理图t=0时刻驱动V导通，电
4、源E向负载供电，负载电压u0 = E，负载电流i0按 指数曲线上升。t=t时控制V关断，二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流i0呈 指数曲线下降。通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动小。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图 2 所示。图 2 电流连续时的工作波形负载电压的平均值为：ttU = on E = -on E = aE0 t +1 “ Ton off式中，ton为V处于通态的时间，上曲为V处于断态的时间；T为开关周期;a为导通占空比，简称占空比或导通比。输出到负载的电压平均值U0最大为E,减小占空比
5、a, U0随之减小。 负载电流的平均值为：I =U0-Em I0R若负载中L值较小，则在V关断后，到了 t2时刻，如图3所示，负载电流 已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。图 3 电流断续时的工作波形由波形可见，负载电压U0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情 况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波器的可有三种控制方式：(1) 脉冲宽度调制(PWM):保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton。(2) 频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。(3) 混合型：ton和T都可调，使占空比改变。 对降压斩波电路进行解析:基于分时段线性电路这一思想，按 V 处于通态和处
6、于断态两个过程来分析， 初始条件分电流连续和断续。电流连续时得出/et1/T l E Em (eap 1E10 (eT/T 1) R R(ep 1)R(1 et1/A EEm/1 eap20(1 eT/T 丿 R(1 ep式中L T E t t TT = R,p = T，m =供占甘)*(T)= apI10和I2o分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把上述式子用泰勒级数近似，可得(a m|Elulu L = I1020 A R厂0平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损 耗，则电源提供的能量与负载消耗的能
7、量相等，即EI t = RI 2T+ E I T0 on0m 0aE EI0R假设电源电流平均值为I.则有I1 = TI0 = aI其值小于等于负载电流Io,由上式得EI1=aEI0 =U0I0即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。电流断续时有【10=0且t=ton+tx时，12=0,可以得出1 - (1 - m)e_aPmtxtoff是电流断续的条件，即当tx输出电压平均值为t E + (T - t - t )EU on on x0T负载电流平均值为m = a + (1 ton + tx) mEep 11 tonton +txton + tx E U0 EmI = 不i
8、dt + Ii dt) = (a -o_xm)石 =mtonOTJ1 丿 2丿、T 丿 R R0根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。2 MOSFET基本性能简介MOSFET的原意是:MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体）， FET （Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧 化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。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（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率 MO
9、SFET （PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor-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 10kW 的电力电子装置。2.1电力MOSFET的结构和工作原理MOSFET种类和结构繁多，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。电力MOSFET 主
10、要是N沟道增强型。2.1.1 电力MOSFET的结构电力MOSFET的内部结构和电气符号如图4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 用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET 器件的耐压和耐电流能力。a） 内部结构断面示意图b）电气图形符号图4电力MOSFET的结构和电器图形符号按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET 和具有垂直导电双扩散 MOS 结构的 VDMOSFET(V
11、ertical Double-diffused MOSFET)。2.1.2功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成 的 PN 结 J1 反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压ugs，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。 但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到 栅极下面的P区表面当UGS大于UT (开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将 超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道 而使PN结J1消失，漏极和源极导电。2.2 功率MOSFET的基本特性2.2.1
12、 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性,ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs，即dIG =D-f dU“GSMOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。静态特性MOSFET的转移特性和输出特性如图5所示。5U40I2010500 itk/ai) 30 6/50v) 藏止区廿已一驭a) 转移特性b) 输出特性图5电力MOSFET的转移特性和输出特性MOSFET 的漏极伏安特性(输出特性)：截止区(对应于 GTR 的截止区)； 饱和区(对应于GTR的放大区)；非饱和区(对应于GTR的饱和区)。电力MOSFET 工作在
13、开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力 MOSFET 漏源极之 间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2.2.2 动态特性动态特性 MOSFET 其测试电路和开关过程波形如图6 所示。a)测试电路b)开关过程波形图6电力MOSFET的开关过程图中up为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，Rg为栅极电阻，Rl为漏极负psGL载电阻，Rf用于检测漏极电流。开通过程：(1) 开通延迟时间td(on) : q前沿时刻到UGS=U并开始出现iD的时刻间的 时间段。(2) 上升时间tri: UGS从UT上升到MOSFET
14、进入非饱和区的栅压UGSP的 时间段；iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD 的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在Up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已 不变。(3) 开通时间ton:开通延迟时间与上升时间之和，即tontd(on)+ t +trifv关断过程:(1)关断延迟时间td(off): Up下降到零起，Cin通过RS和Rg放电，UGS按指 数曲线下降到ugsp时，iD开始减小为零的时间段。(2) 下降时间tf： UGS从UGSp继续下降起，iD减小，至Ugs20y将导致绝缘层击 穿。(4)极间电容 MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容Cgs、Cgd、Cds。 一般生产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容ciss、共源极输出电容co
