降压斩波电路Word下载.docx

1、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。电流连续时得出式中I10和I20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 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量相等，即 则假设电源电流平均值为I1，则有其值小于等于负载电流Io

2、，由上式得 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I10=0，且t=ton+tx时，I2=0，可以得出 当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即输出电压平均值为 负载电流平均值为 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

3、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 MOSFET（Power MOSFET）。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

4、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

5、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（Vertical 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

6、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 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MOSFET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。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工作在开关状态，即

7、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） ：Up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进入非饱和区的栅压UGSP 的时间

8、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，到 UGS0.5时不用此驱动电路。由集成芯片UC3724/3725构成的驱动电路，适用于不确定时，正好符合任务中变化大的条件，故最好使用由集成芯片UC3724/3725构成的驱动电路。4

9、 保护电路设计4.1 主电路的保护电路设计（1） 过电压保护所谓过电压保护，即指流过MOSFET两端的电压值超过MOSFET在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。其电路如图13所示.图 13 过电压保护电路（2）过电流保护 所谓过电流保护，即指流过MOSFET的电流值超过MOSFET在正常工作时

10、所能承受的最大峰值Im都称为过电流。这里采用图14所示的电路图 14 过电流保护电路4.2 MOSFET的保护设计（1）静电保护在静电较强的场合，MOSFET容易静电击穿，造成栅源短路。采用以下方法进行保护：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V24V的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。（

11、2）防止偶然性振荡损坏器件功率MOSFET与测试仪器、接插盒等的输入电容、输入电阻匹配不当时会出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此，在用图示仪等仪器测试时，需在器件的栅极端子处外接10k的串联电阻，也可在栅极源极之间外接大约0.5F的电容器。（3）过电压保护首先是栅源间的过电压保护。如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的UGS电压过冲，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏，如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。为此要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或并接稳压值约20V的稳压管。特别要注意防止栅极开路工作。其次是漏极间的过电压防护

12、。如果电路中有电感性负载，则当器件关断时，漏极电流的突变（di/dt）会产生比电源电压高的多的漏极电压过冲，导致器件损坏。应采取稳压管箝位，二极管RC箝位或RC抑制电路等保护措施。（4）过电流保护若干负载的接入或切除均可能产生很高的冲击电流，以至超过IDM的极限值，此时必须用电流传感器和控制电路使器件回路迅速展开。在脉冲应用中不仅要保证峰值电流不超过最大额定值IDM，而且还要保证其有效值电流也在正常范围之内。5 仿真结果用simulink进行仿真，在simulink中搭建模块，最后完成的仿真图如图15所示。图15 simulink仿真图任务要求输入电压Ud=200V，输出功率P0=500W，开

13、关频率5KHz,周期T=210-4。占空比为20%-99%。电压设置方式如图16所示。图16 电压Ud=200V 查阅资料，得到各个参数计算表达式，分别计算不同占空比下各个参数值，将各个参数值整理后形成表3。表3 不同占空比下参数值设置输出电压U0（V）脉动电压（V）负载R（）电感值（H）电容值C（F）20%4043.22.1610-41.8540%80812.87.683.910-560%1201228.81.1510-31.7480%1601651.21.089.2210-699%1981878.47.856.38 Scope显示不同占空比下仿真波形如图17-图21所示。 当占空比为20%

14、时，当一个周期T结束后，理论的输出电压平均值，经过相关参数调整，仿真波形图17分析后得到输出电压约为42.5V。图17 占空比为20%时仿真波形当占空比为40%时，当一个周期T结束后，理论的输出电压平均值，经过相关参数调整，仿真波形图18分析后得到输出电压约为42.5V。图18 占空比为40%时仿真波形当占空比为60%时，当一个周期T结束后，理论的输出电压平均值，经过相关参数调整，仿真波形图19分析后得到输出电压约为42.5V。图19 占空比为60%时仿真波形当占空比为80%时，当一个周期T结束后，理论的输出电压平均值，经过相关参数调整，仿真波形图20分析后得到输出电压约为42.5V。图20

15、占空比为80%时仿真波形 当占空比为99%时，当一个周期T结束后，理论的输出电压平均值，经过相关参数调整，仿真波形图21分析后得到输出电压约为42.5V。图21 占空比为99%时仿真波形心得体会做这次的电力电子课程设计，初接触时觉得题目不是很难，直流斩波虽然不是学习的重点，但是在上课时还是有仔细讲过，降压斩波又是基础，如此看来好像还并不是很困难。而且电力电子的课设是本学期的第二个课设，相对于前面的来说更加有经验，在格式例如表格编号、图表编号、公式编号、大小标题编号上面有了前面的教训，一些小错误就能避免了。 不过真正着手开始做这个课设的时候，就发现有些自己意想不到的状况发生了。首先，我做的是MO

16、SFET的降压斩波电路，而书本上的内容是IGBT，虽然两者差异不大，不过在驱动和保护上面还是有些不同，器件需要注意的方面也有些微的差异。 在考虑电路的保护问题上也有些欠缺，因为自己对这方面不是很了解，于是去图书馆查阅了一些资料，在网上也有搜索，不过最后的结果并不是很满意。在仿真过程中出现的问题更大，simulink是第一次接触，所以连基本的元器件的使用都不会，从图书馆借了书自己一点一点地学，虽然不是很精通，不过好歹把这次课设所需要的仿真给画出来了。可是电路图画完检查无误后，出来的仿真波形却不是自己想要的波形，经过几次实验，改变参数值等，才终于稍微有些进步。感谢在课程设计的过程中帮助过我的同学，在设计过程中的困难的克服，不仅有我自身的努力，也离不开别人的帮助。参考文献1黄忠霖.电工学的MATLAB实践.北京:国防工业出版社,20102王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，20083胡翔骏.电路基础.北京：高等教育出版社，19964黄家善，