MOSFET升压斩波电路
长春工业
大学
电力电子技术课程设计
题目：MOSFET升压斩波电路
院（系）：电气与电子工程学院
班级： 110310
学号： 20111211
姓名：沈永来
指导教师：林志琦
时间：2014.1.6--2014.1.10
设计说明
任务: 用MOSFET晶体管设计升压斩波电路。
本次课程利用MOSFET晶体管升压斩波电路的基本原理,设计一个可调控的斩波电路.斩波器的电能变换为功能是由电力电子器件的通断控制实现的.通过电力电子器件的开关作用,将恒定的直流电压变为可调控的直流电压,或将变化的直流电压变换为恒定的直流电压的电力电子电路,称为直流斩波电路,相应的装置称为斩波器.斩波器具有效率高,体积小,重量轻,成本低等优点,广泛用于直流牵引变速拖动系统,可调整直流开关电源,无轨电车,地铁列车中.直流升压斩波电路实际上就是利用PWM技术,在斩波电路中,输入电压是固定不变的,通过开关的开通时间与关断时间,即可控制输出电压的平均值.
MOSFET工作原理
当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅极之间电压为零或负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏极之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向，由于栅极是绝缘的，不会有栅流。但栅极的电压U
GS
正电压所形成电场的感应作用却会将其下面P型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。当
U
GS 大于某一电压值U
T
时，栅极下面P型区表面的电子
浓度将超过空穴浓度，形成N型半导体，沟通了漏极
和源极，形成漏极电流I
D .电压U
T
称为开启电压，U
GS
超过U
T 越多，导电能力越强，漏极电流I
D
越大.
关键字电能 MOSFET升压斩波电路
升压变换变换器直流斩波技术
一．设计要求与方案
一、设计的技术数据
1、交流电源：单相220V；
2、前级整流输出输电压： U
d
=50V～80V；
3、输出功率：300W；
4、开关频率5KHz；
5、占空比10%~90%；
6、输出电压脉率：小于10%。
二、设计内容及要求
1、方案论证及选择；
2、主电路设计（包括整流电路设计及器件的具体型号；斩波电路设计，器件选择及型号
确定，电感电容估算等）
3、控制电路设计（触发电路的选择与设计电路，如：PWM控制芯片SG3525）；
4、驱动电路设计（如IR2125，三菱Ｍ579系列或其他系列等）；
5、总结及心得体会；
6、参考文献；
7、完成电路原理图1份。
1.2 设计方案
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、保护电路及以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电路电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。
1.根据MOSFET升压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如图1所示。
控电路
驱动电路
主电路
图1 电路结构图
在图1结构框图中，控制电路用来产生MOSFET升压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET升压斩波电路工作。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。
2.主电路设计方案：
交直
整流驱动斩波
二．各主电路的组成
2.1整流电路的设计
整流电路尤其是单相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应
用最为广泛的电路。不仅应用于工业，也广泛应用于交通运输，电力系统，通信系统，能源系统等其他领域。本实验装置采用单相桥式全控整流电路（所接负载为纯电阻负载）。
整流电
在单项桥式全控整流电路中，晶闸管 VT1 和 VT4 组成一对桥臂，VT2 和 VT3 组成另一对桥臂。在 u2 正半周（即 a 点电位高于 b 点电位），若 4 个晶闸管均不导通，负载电流 id 为零，ud 也为零，VT1、VT4 串联承受电压 u2，设 VT1 和 VT4 的漏电阻相等，则各承受 u2 的一半。若在触发角α处给 VT1 和
2
cos 12
9.0)(sin 221
α
ωωπ
πα
+==
?
U t td U U
d
VT4 加触发脉冲，VT1、 VT4 即导通，电流从 a 端经 VT1、R 、VT4 流回电源 b 端。当 u2 为零时，流经晶闸管 的电流也降到零，VT1 和 VT4 关断。 在 u2 负半周，仍在触发延迟角α处触发 VT2 和 VT3（VT2 和 VT3 的α=0 处为ω t=π） ，VT2 和 VT3 导通，电流从电源的 b 端流出，经 VT3、R 、VT2 流回电源 a 端。
到 u2 过零时，电流又降为零，VT2 和 VT3 关断。此后又是 VT1 和 VT4 导通。如此循环工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为22U2和
2
U2。
整流电压平均值为
向负载输电流平均值为
流过晶闸管的电流平均值为
I I
d
dvT
21=R
Ud d I =
整流电路
2.1.1 晶闸管触发电路的设计
1. TCA785芯片介绍
TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。
（1）引脚排列、各引脚的功能及用法
TCA785是双列直插式16引脚大规模集成电路。它的引脚排列如图所示。
TCA785的引脚排列
各引脚的名称、功能及用法如下：
引脚16(VS)：电源端。
引脚1(OS)：接地端。
引脚4(Q1)和2(Q2)：输出脉冲1与2的非端。
引脚14(Q1)和15(Q2)：输出脉冲1和2端。
引脚13(L)：非输出脉冲宽度控制端。
引脚12(C12)：输出Q1、Q2脉宽控制端。
引脚11(V11)：输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。
引脚10(C10)：外接锯齿波电容连接端。
引脚9(R9)：锯齿波电阻连接端。
引脚8(VREF)：TCA785自身输出的高稳定基准电压端。
引脚7(QZ)和3(QV)：TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。
引脚6(I)：脉冲信号禁止端。
引脚5(VSYNC)：
（2）基本设计特点
TCA785的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路的变流系统；它的输入、输出与CMOS及TTL电平兼容，具有较宽的
应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围(-25—+85°C)和工作电源电压范围(-0.5—+18V)。
（3）极限参数
电源电压：+8—18V或±4—9V；
移相电压范围：0.2V—VS-2V;
输出脉冲最大宽度：180°；
最高工作频率：10—500Hz；
高电平脉冲负载电流：400mA；
低电平允许最大灌电流：250mA；
输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和0.3V；
同步电压随限流电阻不同可为任意值；
最高工作频率：10—500Hz；
工作温度范围：军品 -55—+125℃，工业品 -25—+85℃，民品 0—+70℃。
2.TCA785锯齿波移相触发电路
由于TCA785自身的优良性能，决定了它可以方便地用于主电路为单个晶闸管或晶体管，单相半控桥、全控桥和三相半控桥、全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发晶闸管或晶体管，进而实现用户需要的整流、调压、交直流调速、及直流输电等目的。西门子TCA785触发电路，它对零点的识别可靠，输出脉冲的齐整度好，移相范围宽；同时它输出脉冲的宽度可人为自由调节。西门子TCA785外围电路如图所示。
TCA785锯齿波移相触发电路原理图
锯齿波斜率由电位器RP1 调节，RP2 电位器调节晶闸管的触发角。交流电源采用同步变压器提供，同步变压器与整流变压器为同一输入，根据TCA785能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持同步。同步变压器的==≈。
变比选为K220/1544/314
2.2驱动电路设计
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE 管可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。
而电力MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET 电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw 的电力电子装置。
美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET 管开关特性,选择驱动芯片IR2110 来实现驱动。
芯片IR2110 管脚及内部电路图如下图所示。
IR2110 管脚及内部电路图
IR2110 内部功能由三部分组成：逻辑输入、电平平移及输出保护。
IR2110 驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S 关断期间C1已经充到足够的电压（VC1 VCC）。
当HIN 为高电平时如下图，VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1 通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2 在S1 开通之前迅速关断。
IR2110 驱动半桥电路
设计驱动电路如图所示
.
驱动电路图
2.3 PMW 方波产生控制电路 2.
3.1 SG3525简介
引脚1：误差放大器反向输入端。 引脚2：误差放大器同相输入端。
引脚3: 振荡器外接同步信号输入端。 引脚4：振荡器输出端。
引脚5：振荡器定时电容接入端。 引脚6：振荡器定时电阻接入端。
引脚7：振荡器放电端。 引脚8：软启动电容接入端。
SG3525
引脚9：PWM信号输入端引脚10：外部关断信号输入端。
引脚11：输出端A 引脚12：信号地
引脚13：输出级偏置电压接入端引脚14：输出端B
引脚15：偏置电源接入端引脚16：基准电源输出端
SG3525 芯片特点如下：
1．工作电压范围8-35v。
2．5.1V 微调基准电源
3．振荡器频率工作范围100Hz-500kHz。
4．具有振荡器外部同步功能
5．死区时间可调。
6．内置软启动电路。
7．具有输入欠电压锁定功能。
8．具有PWM 锁存功能 止多脉冲。
9．逐个脉冲关断。
10．双路输出 电流/拉电流Ma(峰值)
其11 和14 脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM 信号。脚6、脚7 内有一个双门限比
较器 设电容充放电电路 上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求 误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络 外当10 脚的电压为高电平时11 和14 脚的电压变为10 输出。
2.3.2 控制电路原理图
2.4 MOSFET管的保护电路
考虑到晶闸管在关断过程中，di/dt 很大，在斩波电路中会产生很大的自感电动势Ldi/dt,故需要采取保护措施，一般的过电压保护是在晶闸管两端并联一个相串联的电感和电阻如图所示，利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电流减小的速度，使感应电动势减小。
与晶闸管并联的阻容经验值见下表
晶闸管额度电流/A 10 20 50 100 200 500 1000
电容/uF 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/Ω
100 8
40
20
10
5
2
2.5升压(boost)斩波电路
2.5.1升压斩波电路及其工作波形
E
V
R
L V D
a)C i o
i 1i G
u o
b)
i G i o
I 1
O O
t t
a ）电路图
b ）波形
2.5.2工作原理
假设L 和C 值很大。
处于通态时，电源E 向电感L 充电，电流恒定1i ，电容C 向负载R 供电，输出电压0
u 恒定。
断态时，电源E 和电感L 同时向电容C 充电，并向负载提供能量。 设V 通态的时间为on t ，此阶段L 上积蓄的能量为on t Ei 1 设V 断态的时间为off t ，则此期间电感L 释放能量为off t i E u 10)(- 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等：
on t Ei 1=off t i E u 10)(-
化简得 E t T
E t t t u off
off
off
on =
+=
0 off t T ——升压比；升压比的倒数记作β ，即off
t T =β β和α的关系：a +β=1 所以输出电压为
E E u α
β
-=
=
11
1
0 三．参数计算
由于
=
/ =2/1,故变压器匝数比为
2:1.
=311.2~466.8。
取500V 取
=80V,由于
,代入
,故整流器的输出平均电流为3.75A 。
流过晶闸管电流的有效值为
考虑两倍的安全裕量，流过晶闸管的额定电流为
取
故晶闸管型号为：2CZ13F 流过MOSFET 最大电压为
由升降压斩波电路输出电流的平均值
,得
C=
其中T 为开关频率，T=2*
S,
代入上式可得：
占空比 %
输出电压（V ） 输出电流（A ） 负载
R
电感值(H* )
电
容
值（C*
）
10 89 3.4 26.4 213.8 7.6 30 114 2.6 43.3 636.5 13.9 50 160 1.87 85.3
1066.3
11.7 70 267 1.1 237.6 1496.9 5.9 90
800
0.4
2133
1919.7
0.84
由以上表格知，要求L ＞＞L B,C ＞＞C L. 选取L=200mH,C=200uF
综上所述，
变压器选取变比为2:1,的单相交流变压器
晶闸管型号为：2CZ13F
MOSFET管的型号为：A04454L
L=200mH, C=200uF
四．总电路设计
见附表
五．仿真电路图
见附表
六总结
在本次为期五天的电力电子课程设计中，刚开始的时候稍微有点抓不着课程设计的核心。我认为本设计的重点在于硬件电路的设计,而程序的调试却是本设计的难点所在.但通过查阅资料，向老师请教,以及与同学探讨之后,解决了主体部分的设计问题。这让我了解到了自己在这门课程上的不足之处和薄弱环节。课本的知识需要熟练掌握才能发挥的淋漓尽致,对基本原理的熟记才会加深运用过程的理解.
在以后的职业生涯中,将理论灵活运用于实践中是非常重要的，这需要自己打好坚实的专业基础知识。最后,感谢在这次课程设计中，帮助我的老师和同学们.
六、参考文献
[1]王兆安，刘进军，电力电子技术[M].第五版.北京：机械工业出版，2009:119-123.
[2]樊立平，王忠庆，电力电子技术[M].北京：中国林业出版，北京大学出版
社,2006:116-119.
[3]曲学基，曲敬铠，于明扬，电力电子整流计算及应用[M].北京：电子工业出版社，
2008:192-196.
[4]黄家善，王廷才，电力电子技术[M].北京：机械工业出版，2000：193.
[5]何希才，新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001:168.
[6]阮新波，严仰光，直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000：166.
[7]汝全，电子技术常用器件应用手册．机械工业出版社，2000：136.