1、 電力電子技術課程設計說明書 MOSFET升壓斬波電路設計（純電阻負載） 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 彭世平 指導教師： 肖文英 職稱 專 業： 自動化 班 級： 自本1101班 完成時間： 2014-05-28 摘 要直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的DC-DC變換器,在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.隨之出現了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。MOSFET升壓斬波電路又稱為boost變換器，它對輸入電壓進行升壓變換。通過控制電路的占空比即通過MOSFE

2、T來控制升壓斬波電路的輸出電壓。直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。全控型電力電子器件MOSFET在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域得到了廣泛的應用。本文設計的是一個可調的直流升壓斬波電源，利用MOSFET升壓直流斬波電路原理,將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路的控制電路用PWM控制芯片SG3525為核心構成，控制電路輸出占空比可調的矩形波。關鍵詞：升壓斬波；占空比；變換器ABSTRACTDC chopping circuit as a fix

3、ed voltage or adjustable voltage DC-DC converter DC into, in the DC drive system, charging a storage circuit, switching power supply, power electronic converter and the common application of electrical equipment. Appeared such as down converter circuit means pressure chopper circuit, chopper circuit

4、, Buck chopper circuit, chopper circuit, composite.MOSFET chopper circuit is also known as the boost converter, it is boosted to transform the input voltage. The output voltage cycle through the MOSFET to control the boost chopper control circuit. DC chopper technology has been widely used in the sw

5、itching mode power supply and DC motor, the acceleration is smooth, fast response, energy saving control. Full controlled power electronic devices MOSFET in traction electric drive power transmission and transformation, active power filter has been widely used. This design is an adjustable DC choppe

6、r power, using the principle of MOSFET boost DC chopper circuit, the DC to DC voltage or other fixed adjustable voltage, also known as the DC to DC converter (DC/DC Converter). Control circuit for DC chopper circuit with the PWM control chip SG3525 as the core, the control circuit outputs adjustable

7、 duty cycle rectangular wave.Key words boost chopper; duty cycle; converterI目 錄第1章 緒論11.1直流斬波電路簡介11.2 MOSFET簡介11.3 PWM控制芯片SG3525簡介11.4 仿真軟件介紹21.4.1 Multisim21.4.2 MATLAB2第2章 MOSFET升壓斬波電路設計要求及方案32.1 設計要求32.2設計課題總體方案介紹及工作原理說明32.1.1總體方案32.3 設計方案各電路簡介32.3.1電容濾波單相不可控整流電路32.3.2 MOSFET斬波電路42.3.3觸發電路42.3.3保

8、護電路4第三章 MOSFET升壓斬波主電路設計53.1電容濾波單相不可控整流電路53.1.1電路原理圖53.1.2電路原理及其工作波形53.1.3主要的數量關系63.2 MOSFET升壓斬波電路63.2.1 電路原理圖63.2.2電路原理及其工作波形63.2.3主要的數量關系7第四章 控制電路與保護電路設計84.1 MOSFET驅動電路84.1.1驅動電路原理圖84.1.2 電路工作原理84.2 保護電路94.1.1變壓器的保護9第五章 總體電路原理圖及其說明105.1總體電路原理圖105.2 MATLAB仿真電路圖105.3仿真波形圖115.4波形分析11第6章.心得體會12參考文獻13致

9、謝14第1章 緒論1.1直流斬波電路簡介直流斬波電路（DC Chopper）,也稱直接變流電路，它的的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流。直流斬波的電路的種類較多，包括六種基本電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zata斬波電路。直流斬波電路在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.隨之出現了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路。 直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。1.2 MOS

10、FET簡介MOSFET是金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為N溝道型與P溝道型的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。1.3 SG3525簡介隨著電能變換技術的發展，功率MOSFET在開關變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導體公司Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驅動N溝道功率MOSFET。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型

11、脈寬調制器是按照接反饋電流來調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。1.4 仿真軟件介紹1.4.1 MultisimMultisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地

12、搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現建。1.4.2 MATLABMATLAB是由美國matworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它

13、將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和mathmatics、Maple、Math CAD并稱為四大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連 matlab開發工作界面接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處

14、理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優點，使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以使用。第2章 MOSFET升壓斬波電路設計要求及方案2.1 設計

15、要求1、輸入直流電壓：Ud=50V2、輸出功率：300W3、開關頻率5KHz4、占空比10%50%5、輸出電壓脈率：小于10%2.2設計課題總體方案介紹及工作原理說明2.1.1總體方案 整流電路電源MOSFET斬波電路負載保護電路觸發電路圖1 MOSFET升壓斬波電路基本組成框圖2.3 設計方案各電路簡介2.3.1電容濾波單相不可控整流電路電容濾波單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入場合。本設計中采用的是單相橋式接法，其作用是將直接輸入的220V交流電壓轉變為我們所需大小的直流電壓，然后提供給MOSFET升壓斬波部分作為輸入。2.3.2 MOSFET斬波電路 MOSFET斬波電路是被設計

16、的核心部分，而其核心器件又是MOSFET。本部分是通過觸發電路控制MOSFET的開啟與關斷，再利用電感和電容的儲能作用實現升壓功能的。2.3.3觸發電路 本設計的觸發電路是基于SG3525控制芯片設計的。由于SG3525的輸出驅動電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端管腳11和輸出端B管腳與MOSFET的柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率MOSFET。2.3.3保護電路 保護電路是防止電壓或電流過大造成元器件的的損壞而導致電路不能正常工作。第三章 MOSFET升壓斬波主電路設計3.1電容濾波單相不可控整流電路3.1.1電路原理圖如圖2圖2 電容濾波單相

17、不可控整流電路圖3.1.2電路原理及其工作波形在的正半軸過零點至wt=0的期間，因為,故二極管均不導通，此階段電容C向R放電，提供負載所需的電流，同時下降。至wt=0之后，將超過，使得VD1和VD4開通，=，交流電源向電容充電，同時向負載R供電，如圖3。圖3 電容濾波單相不可控整流電路波形圖3.1.3主要的數量關系1.輸出電壓平均值 空載時，R=，輸出電壓最大，=2. 重載時，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。隨著負載加重，U逐漸趨近于0.9，即趨近于電阻負載特性。在設計時根據負載的情況選擇電容C,使 , T為交流電源的周期，此時輸出電壓為 （1）則 （2） （3）3.2 MOSFET升

18、壓斬波電路3.2.1 電路原理圖如圖4圖4 MOSFET升壓斬波電路3.2.2電路原理及其工作波形假設電路中電感L和電感C的值很大。當MOS管處于通態時，電源E向電感L充電，當充電電流基本恒定為，同時電容C上的電壓向負載R供電。因為C的值很大，基本保持輸出電壓u0為恒值。當MOS管處于斷態時，電源E和電感L共同向電容C充電并向負載R提供能量。設MOS管處于通態的時間為，此期間電感L上積蓄的能量為。設MOS管處于斷態的時間為，此期間電感L釋放的能量為當電路工作處于穩態時，一個周期T中電感積蓄的能量與釋放的能量相等，即 （4）化簡得 （5） 波形如圖5圖5 MOSFET升壓斬波電路波形3.2.3主

19、要的數量關系 用占空比的形勢表示輸出電壓 （6） 本設計中取占空比=50%，則 （7）輸出電流的平均值為 （8）負載電阻的阻值為 （9） 第四章 控制電路與保護電路設計4.1 MOSFET驅動電路4.1.1驅動電路原理圖如圖6圖6 MOSFET驅動電路圖4.1.2 電路工作原理SG3525是電流控制型PWM控制芯片，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性

20、都有提高，是目前比較理想的新型控制器。 當SG3525芯片工作時，會從輸出端口引腳11和引腳14輸出PWM信號。由于SG3525的輸出驅動電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端引腳11和引腳與MOSFET的柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率MOSFET。4.2 保護電路4.1.1變壓器的保護1.參數計算變壓器二次側電流為 (10) 電流有效值 1.51.57A=2.355A (11) 考慮有一定的余量，FU2可以選用5A的熔斷器變壓器的變壓比為 11021變壓器一次側電流 (12) 考慮有一定的余量，FU1可以選用3A2.變壓器保護電路原理圖如圖7圖7

21、 變壓器保護電路原理圖第五章 總體電路原理圖及其說明5.1總體電路原理圖如圖8圖8 總體電路原理圖5.2 MATLAB仿真電路圖如圖9 圖9 MATLAB仿真電路圖5.3仿真波形圖如圖10圖10 MATLAB仿真波形圖5.4波形分析輸出電壓U=100V輸出電壓范圍98V101V電壓脈率 (13) (14) 經計算可知，輸出電壓脈率小于10%，滿足設計要求。第6章 心得體會 在這次的電力電子課程設計中，遇到很多的困難，查閱了很多資料，向同學請教才得以解決。這讓我了解到課本知識和實踐設計還是有很大的差別，這更加讓我理解了真理出自實踐這句名言的可貴之處。我懂得了要完成一個電路的設計，理論基礎是根基，實踐操作是完成事物的重要部分，而創新能力則決定了一個電路的價值，因為設計一個電路，絕不是簡單的按課本的電路圖進行簡單的拼湊，我們要進行電路各個元件參數的計算，這個涉及我們所掌握的理論知識，元件的計算是設計中較為重要的一部分，計算準了，則設計出來的電路誤差不大，否則，設計出來的電路性能指標根要求相差甚遠。最困難的是當電路出現問題時如何檢測出錯誤之處，如何排除錯誤，它考驗了我們如何運用理論知識和實際的調試的能力，另外，通過這次課程設計，我掌握了常用元件的識別和測試，熟悉了常用的儀器，了解了電路的連接，掌握解決電路中所出現問題的方法，鞏固了基礎，提高了實際操作技能，并養成注重設計，追求創新的思維