【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 MOSFET柵極電荷和導(dǎo)通阻抗S是選擇管子的重要一部分，是因?yàn)槎叨紝?duì)電源的效率有直接的影響。對(duì)效率有影響的損耗主要分為兩種形式傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。柵極電荷是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫(kù)侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造工藝中相互關(guān)聯(lián)，一般來(lái)說(shuō)，器件的柵極電荷值較低，其導(dǎo)通阻抗參數(shù)就稍高。開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOS管參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。某些特殊的拓?fù)湟矔?huì)改變不同MOS管參數(shù)的相關(guān)品質(zhì)，例如，可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過(guò)零時(shí)才進(jìn)行MOS管開(kāi)關(guān)，從而可把開(kāi)關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開(kāi)關(guān)或零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開(kāi)關(guān)損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓?fù)渲酗@得更加重要。低輸出電容(COSS)值對(duì)這兩類轉(zhuǎn)換器都大有好處。諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個(gè)MOS管關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，諧振電路必須讓COSS完全放電。 本設(shè)計(jì)MOSFET：由于所承受的電壓為57V。故選取最大耐壓值為100V，額定電流為60A的SUM60N10。 (4) 主變壓器：由AP法公式，求得AP=、PC40作為變壓器的鐵芯，其AP=；由，求得原邊匝數(shù)為：8匝，副邊：，求得副邊匝數(shù)為14匝。由J=， ，考慮肌膚效應(yīng)采用4 并饒。 ，考慮肌膚效應(yīng)采用 。(5)在典型的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管（Q1）閉合時(shí)，電流開(kāi)始通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)流向輸出端，并以某一速率穩(wěn)步增大，增加速率取決于電路電感。根據(jù)楞次定律，di=E*dt/L，流過(guò)電感的電流所發(fā)生的變化量等于電壓乘以時(shí)間變化量，再除以這個(gè)電感值。由于流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流穩(wěn)定增加，輸出電壓成正比增大。在達(dá)到預(yù)定的電壓或電流限值時(shí)，控制集成電路將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，從而使電感周圍的磁場(chǎng)衰減，并使偏置二極管D1正向?qū)?，從而繼續(xù)向輸出電路供給電流，直至開(kāi)關(guān)再度接通。這一循環(huán)反復(fù)進(jìn)行，而開(kāi)關(guān)的次數(shù)由控制集成電路來(lái)確定，并將輸出電壓調(diào)控在要求的電壓值上。電感值對(duì)于在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間保持流向負(fù)載的電流很關(guān)鍵。所以必須算出保持降壓變換器輸出電流所必需的最小電感值，以確保在輸出電壓和輸入電流處于最差條件下，仍能夠?yàn)樨?fù)載供應(yīng)足夠的電流。本設(shè)計(jì)濾波電感：由,ION=3A得IOC= 。 =得到L=496uH。 選擇磁芯77439A7，相對(duì)磁導(dǎo)率Ur為60 Al=135 OD= ID= Ht== 采用1mm。(6) 濾波電容紋波：由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。紋波的成分較為復(fù)雜，它的形態(tài)一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使電源是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，為了使輸入電源和負(fù)載等條件變化時(shí)對(duì)輸出造成最小的影響，可以通過(guò)減小電源的導(dǎo)線電阻，濾波電路，增加容性負(fù)載能力，通過(guò)取樣進(jìn)行比較放大，調(diào)節(jié)輸出，使輸出保持穩(wěn)定。 由公式 求得C=470uF[11]。圖31 主回路 控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 ，故可選擇SG3525作為控制芯片。若采用直接驅(qū)動(dòng)MOSFET可能由于G極電壓低于S極，而無(wú)法驅(qū)動(dòng)MOSFET，因此采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。為能達(dá)到使輸出電壓030V可調(diào)，輸出電流03A可調(diào)的目的，需要使誤差放大器的基準(zhǔn)從零開(kāi)始變化，而SG3525內(nèi)部誤差放大器的基準(zhǔn)無(wú)法調(diào)到0V ，故采用外接的運(yùn)放作為誤差放大器使用。采用外接正負(fù)電源的運(yùn)放作為誤差放大器，其基準(zhǔn)由SG3525的16腳輸出的5V外接電位器提供。 頻率的確定：設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率為71KHz 由SG3525可得其CT=102 RT=10K RD=10。采樣電阻的確定，由在基準(zhǔn)為5V時(shí)輸出電壓為30V， 和23K串聯(lián)分壓，如圖32所示。圖32 控制電路圖33 控制電路驅(qū)動(dòng)波形隔離驅(qū)動(dòng)變壓器如圖34所示：若采用直接驅(qū)動(dòng)MOSFET可能由于G極電壓低于S極，而無(wú)法驅(qū)動(dòng)MOSFET，因此采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。為了保證MOSFET完全導(dǎo)通，設(shè)計(jì)變壓器匝比為30:40:40[19] 。 圖34 隔離驅(qū)動(dòng)變壓器 輔助電源電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 參數(shù)計(jì)算 輔助電路采用反激式開(kāi)關(guān)電源，輸出為一個(gè)5V，一個(gè)是12V，一個(gè)是12V，由UC3843控制，開(kāi)關(guān)頻率為82KHz，如圖35所示。 反激變壓器的計(jì)算 （1）原邊匝數(shù)Np: 求得Np=22。 （2）原邊電感量Lp： 求得Lp=。(3) 5V輸出副邊匝數(shù)Ns5: 求得Ns5=6。 (4) 12V輸出副邊匝數(shù)Ns12： 求得Ns12=11。 同理可得12V輸出繞組：Ns12=11。(5) 輔助繞組匝數(shù) 求得Naux=14。(6) 啟動(dòng)電阻 求得R=22K。(7) RT CT選取 由公式 及f=82KHz 綜合考慮選取RT=10K CT=222，原邊峰值電流采樣電阻推出 R=。 圖35 輔助電源主電路 吸收回路電路的設(shè)計(jì) 吸收電路它由電阻Rsn、電容Csn和二極管VDs構(gòu)成。電阻Rs也可以與二極管VDs并聯(lián)連接。吸收電路對(duì)過(guò)電壓的抑制要好于吸收電路，與電路相比Vce升高的幅度更小。由于可以取大阻值的吸收電阻，在一定程度上降低了損耗。 吸收回路原理若開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，蓄積在寄生電感中能量通過(guò)開(kāi)關(guān)的寄生電容充電，開(kāi)關(guān)電壓上升。其電壓上升到吸收電容的電壓時(shí)，吸收二極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)電壓被吸收二極管所嵌位，約為1V左右。寄生電感中蓄積的能量也對(duì)吸收電容充電。開(kāi)關(guān)接通期間，吸收電容通過(guò)電阻放電，如圖36所示。 本設(shè)計(jì)吸收電阻 求得Rsn=。 吸收電容 求得Csn=103/1KW。圖36 吸收回路 MOSFET的選擇 功率MOSFET的種類：按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型；當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型；對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET。本設(shè)計(jì)由于MOSFET所承受的電壓為200V選擇IRF640。 續(xù)流二極管的選擇 續(xù)流二極管都是并聯(lián)在線圈的兩端，線圈在通過(guò)電流時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn) 生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當(dāng)反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)把原件如三極管，等造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線 兩端，當(dāng)流過(guò)線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。叢而保護(hù)了電路中的其它原件的安全。 在電路中反向并聯(lián)在繼電器或電感線圈的兩端，當(dāng)電感線圈斷電時(shí)其兩端的電動(dòng)勢(shì)并不立即消失，此時(shí)殘余電動(dòng)勢(shì)通過(guò)一個(gè)二極管釋放，起這種作用的二極管叫續(xù)流二極管。其實(shí)還是個(gè)二極管只不過(guò)它在這起續(xù)流作用而以，經(jīng)常和儲(chǔ)能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路。電感可以經(jīng)過(guò)它給負(fù)載提供持續(xù)的電流，以免負(fù)載電流突變，起到平滑電流的作用！在開(kāi)關(guān)電源中，就能見(jiàn)到一個(gè)由二極管和電阻串連起來(lái)構(gòu)成的的續(xù)流電路。這個(gè)電路與變壓器原邊并聯(lián)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，續(xù)流電路可以釋放掉變壓器線圈中儲(chǔ)存的能量，防止感應(yīng)電壓過(guò)高，擊穿開(kāi)關(guān)管。 本設(shè)計(jì)為考慮提高效率，使用MBR20100[10]。第4章 測(cè)試分析 測(cè)試方法 采用外接滑動(dòng)變阻器作為負(fù)載測(cè)試輸出電流，帶負(fù)載能力，記錄并計(jì)算效率，采用示波器測(cè)量輸出紋波電壓，輸出波形，改變采樣電路反饋環(huán)節(jié)中的滑動(dòng)變阻102阻值從而改變輸出電壓、電流的變化。 測(cè)試儀器 萬(wàn)用表 、示波器、滑動(dòng)變阻器、直流穩(wěn)壓源、電流表、電壓表。 測(cè)試數(shù)據(jù) 輸出電壓 ：0—30V、輸出電流 ：0—3A、電壓紋波噪聲：400mV、效率≥70%。 測(cè)試結(jié)果分析 這次設(shè)計(jì)制作的可變電壓電源是成功的，在輸出端可以輸出310V的電壓并且是穩(wěn)定的各點(diǎn)的參數(shù)也符合要求。但是這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤因?yàn)闆](méi)有齊納二極管所以買了一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)代替器材，買完之后就開(kāi)始焊接沒(méi)有去深入探討。所以一直是根據(jù)設(shè)計(jì)的圖來(lái)焊接的最后焊接完成之后測(cè)試卻不能達(dá)到效果調(diào)節(jié)電位器電壓的變化范圍，只有零點(diǎn)伏而且總在4V左右變化。沒(méi)有得到結(jié)果只好深入電路圖，最后發(fā)現(xiàn)買的發(fā)光二極管反接的，因?yàn)闀系凝R納二極管是反接的，但沒(méi)有去想這二者是不一樣的，發(fā)光二極管只有在導(dǎo)通是的壓降才會(huì)等于2V左右，但齊納二極管是反相時(shí)穩(wěn)定2V左右的電壓這里便是一個(gè)很關(guān)鍵的地方，只好把發(fā)光二極管拆下來(lái)重新正相焊接上去。再經(jīng)過(guò)測(cè)試輸出電壓可以在310V之間變化也是穩(wěn)定輸出的， 通過(guò)這次的設(shè)計(jì)制作我又得到了一個(gè)教訓(xùn)。當(dāng)給定的器材不一樣時(shí)要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行探討原理圖是否還可以照用還是要經(jīng)過(guò)變化才可以用的，不能照著書上的一路走下去，要學(xué)會(huì)思考變化之后的影響，對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)都要進(jìn)行深入的探討，這樣才不容易犯錯(cuò)?；就瓿稍O(shè)計(jì)要求，仍有改進(jìn)空間。第5章 芯片簡(jiǎn)介 主控芯片G3525簡(jiǎn)介隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開(kāi)關(guān)變換器