電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-mosfet降壓斬波電路設(shè)計(jì)（純電阻負(fù)載-文庫吧
2025-07-30 16:27 本頁面
【正文】 ..........18 1 MOSFET 降壓斬波電路設(shè)計(jì) 一 .設(shè)計(jì)要求與方案 設(shè)計(jì)要求 ①利用 MOSFET設(shè)計(jì)一個(gè)降壓斬波電路。 ② 輸入直流電壓 Ud =100V，輸出功率 P=300W。 ③ 開關(guān)頻率為 5KHz，占空比 10%到 90%。 ④輸出電壓脈率小于 10%。 設(shè)計(jì)方案 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中 ， 一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào) ， 通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電路電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷 ， 來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。 根據(jù) MOSFET降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、驅(qū)動(dòng)電路 。 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。 圖 1 電 路 結(jié) 構(gòu) 圖 在圖 1結(jié)構(gòu)框圖中 ， 控制電路用來產(chǎn)生 MOSFET降壓斬波電路的控制信號(hào) ， 控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路 ， 驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在 MOSFET控制端與公共端之間 ， 可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。通過控制 MOSFET的開通和關(guān)斷來控制 MOSFET降壓斬波電路工作?？刂齐娐分斜Ｗo(hù)電路是用來保護(hù)電路 ， 防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓現(xiàn)象而損壞電路設(shè)備。 控制電路 驅(qū)動(dòng)電路 主電路 2 二 .降壓斬波電路設(shè)計(jì)方案 降壓斬波電路原 理圖 降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖 2 所示。該電路使用一個(gè)全控型器件 V，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。圖中為 MOSFET。為在 MOSFET 關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢，如圖中 U0(t)所示。若負(fù)載中無反電動(dòng)勢時(shí)，只需令 U0(t)=0，以下的分析及表達(dá)式均可適用。 u iVV DLU O ( t )CU L ( t )I d ( t )RVI l ( T )L 圖 2降壓斬波電路原理圖 降壓斬波電路工作原 理圖 直流降壓斬波電路使用一個(gè)全控型的電壓驅(qū)動(dòng)器件 MOSFET， 在 t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V導(dǎo)通，電源 Ui 向負(fù)載供電，負(fù)載電壓 U0=E，負(fù)載電流 i0按指數(shù)曲線上升。當(dāng) t=t1時(shí)，控制 MOSFET 關(guān)斷負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD 續(xù)流，負(fù)載電壓 U0近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常使串聯(lián)的電感 L值 較大。電路工作時(shí)的波形圖如圖 3所示 。 U G eTT o nt o f fOI 0i 1i 2I 1 0i 2 0ot 1t 2U 0oE 圖 3 降壓斬波電路的工作波形 3 至一個(gè)周期 T 結(jié)束，再驅(qū)動(dòng) MOSFET 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路 工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖 3 所示。 負(fù)載電壓平均值為 （ ） 負(fù)載電流平均值為 式中， ton為 MOSFET 處于通態(tài)的時(shí)間； toff為 MOSFET 處于斷態(tài)的時(shí)間； T為開關(guān)周期；? 為導(dǎo)通占空比。 由式（ ）可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值 U0 最大為 U，減小占空比 ? ， U0 隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。也 稱 buck 變換器。 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)試的方式不同 ， 可分為三種工作方式 ： 1) 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變 ， 改變開關(guān) T， 稱為頻率調(diào)制工作方式 ； 2) 保持開關(guān)周期 T不變 ， 調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ， 稱為脈沖寬調(diào)制工作方式 ； 3) 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間和開關(guān)周期 T 都可調(diào) ， 稱為混合型。 三 .控制電路 控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。 斬波電路有三種控制方式： T 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型； ，改變開關(guān)周期 T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型； T 都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。 因?yàn)閿夭娐酚羞@三種控制方式，又因?yàn)?PWM 控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM 控制方式來控制 MOSFET 的通斷。 PWM 控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制。 （ ） 4 圖四 . SG3525引腳圖 對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、 CPLD 等等來輸出 PWM 波，也可以通過特定的 PWM 發(fā)生芯片來控制。因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)要求，所以我選用一般的 PWM 發(fā)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。 對(duì)于 PWM 發(fā)生芯片，我選用了 SG3525 芯片，其引腳圖如圖四所示，它是一款專用的 PWM 控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。 其 11 和 14 腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的 PWM 信號(hào)。腳 腳 7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成 SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端 (腳 3)。腳 1 及腳 2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳 9 和腳 1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng) 10 腳的電壓為高電平時(shí)， 11 和 14 腳的電壓變?yōu)?10 輸出。 工作原理 由于 SG3525 的振蕩頻率可表示為 ： )( 1 dtt RRCf ??
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