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题目：MOSFET升降压斩波电路设计
一． 课程设计的目的
1. 电力电子技术的课程设计是《电力电子技术》课程的一个重要的实践教学环节。它与理论教学和实践教学相配合，可使我们在理论联系实际，综合分析，理论计算，归纳整理和实验研究方面得到综合训练和提高，从而培养学生解决实际问题的能力。
2. 加深理解电力电子技术的课程内容，建立正确的设计思想，熟悉工程设计的顺序和方法，提高正确使用技术资料，标准，手册等的工作能力。 3. 为后续课程的学习打下坚实的基础。
二．设计的技术数据及要求
1、交流电源：单相220V；
2、前级整流输出输电压： Ud=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%。
三、设计内容及要求
一．方案的论证及方案的选择；
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1. 方案一：
升降压斩波电路图原理图：
升降压斩波电路的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压值，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压。升降压电路可以灵活的改变电压的高低，还可以改变电压的极性，因此常用于电池供电设备中产生负电源的设备和各种开关稳压器。其原理图即为降压与升压斩波电路串联而成的。 一．MOSFET降压斩波电路图如下：
图中L、R 为负载电机的等效电路，负载电压的平均值为 ，因此称为降压斩波电路。若负
载中L 值较少，或ton 较小，或E 较小，则在可控器件V 关断后，到了t2 时刻，负载电流已衰减至零会出现负载电流断续的情况。
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下图中表明了电流连续和断续时的波形情况。
二．MOSFET降压斩波电路图如下：
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假设L值、C值很大
MOSFET导通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton
MOSFET关断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等
（
3-20）
化简得：
（
，输
3-21）
出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。
三．将升压斩波和降压斩波电路串联接成升降压斩波电路
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。
根据MOSFET升降压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动控制
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电路。其结构框图如下
（1） 整流电路设计
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）。
单相桥式整流电路
在单项桥式全控整流电路中，晶闸管 VT1 和 VT4 组成一对桥
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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 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2U2。 整流电压平均值为：
Ud12U2sintd(t)0.9U21cos2Ud向负载输出的直流电流平均值为： IdR
流过晶闸管的电流平均值为：
题目中要求前级整流输出电压在50V~100V之间，输入电压U1为220V，则输入电压U2最大为 ，变压器匝数比N1:N2=
IdvT12Id-------------
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整流电路波形图
（2） 控制驱动电路的设计
SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动功能；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能最大占空比。 其特点如下：
（1）工作电压范围宽：8—35V。 （2）5.1（11.0%）V微调基准电源。
（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz. （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。
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（7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。
（10）双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。
SG3525内部结构如图2.5所示，直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻RT 和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送
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到或非门的一个输入端。其他引脚分别为：引脚1为反相输入，2为同相输入引脚，3为同步端引脚，4为振荡器输出引脚，7为放电端引脚，8为软启动端引脚，9为补偿引脚，10为闭锁控制引脚，引脚12接地。 内部结构如下：
在升降压斩波电路中，三极管V的基极接驱动电路的V-G，发射
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极E接驱动电路的V-E，结点11、12、13、14为SG3525的相应引脚。如图
（3）触发电路
斩波电路有三种控制方式： 1） 2） 3）
保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。 度调制或脉冲调宽型： 频型；
其中第一种是最常用的方法。PWM控制信号的产生方法有很多。这里我使用的是IGBT的专用触发芯片SG3525，其电路原理图如下。 G3525所产生的仅仅只是PWM控制信号，强度不够，不能够直接去驱动IGBT，中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大。另外，主电路会产生很大的谐波，很可能影响到控制电路中PWM信号的产生。因此，还需要对控制电路和主电路进行电气隔离
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（3） 升降压斩波电路
（1） 工作原理
当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，与降压斩波电路和升压斩波电路的情况正好相反，因此该电路也称为反极性斩波电路。 稳态时，一个周期T内电感L两端电压UL对时间的积分为零，即
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TU0Ldt0
当V处于通态期间，UL=E；而当V处于断态期间，UL=-Uo。于是
EtonUotoff
所以输出电压为
UOtontEonEE toffTton1改变占空比α，输出不但电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0＜α＜1／2时为降压，当1／2＜α＜1时为升压，因此将该电路称做升降压斩波电路。
升降压斩波电路原理图
（2） 波形图 输出电压UOtonEE toff1图2.4给出了电源电路i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1、I2，当电流脉动足够小时，有由上式可得I2-------------
I1ton I2tofftofftonI11I1
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如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则有EI1UOI2 其输出功率和输入功率相等，可看做直流变压器。
I1
ton toff 0
t i2 t
输出电流波形图
（二） 保护电路设计
电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt也是必须的。
抑制过电压的方法：用非线性元件过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。
对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电
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压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。保护电路如图所示。
除此之外还有其他的保护装置，如下： 一、防止阳极电压上升率过高保护
在保护电路中串联接入适当的电感即可起到防止阳极电压上升率过高的保护。
二、晶闸管的过电压保护
晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。
对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。
三、晶闸管的过电流保护
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过电压保护电路 -------------
常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
因此，最佳方案是用快速熔断器保护。
快速熔断器
1）前级整流电路
负载平均电压
升高，纹波减小，且
C越大，电容放电速率越
慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为得到平滑的负载电压，一般取
=
C(3~5)
与
式中T为电源交流电压的周期。电容滤波电路的负载电压的关系约为
。
令整流后输出电压为50V，则整流前输入电压
V2=VL/1.2=50/1.2=41.7V
因为电源为交流单项220V，变压器变比需满足V1：
V2=220:41.7=4:1
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此时前级整流输出电压E为50V。
并且为满足输出电流Io最大2A，整流电路中每个二极管所承受的最大电流为，IVT=Io/2=1A。
变压器二次侧的电流2A，由变压器变比为4:1，流过一次侧的电流为0.5A。 （2）输出直流电压
要求输出直流电压Uo在10~100V可调，由输出电压公式
UOE可知，当Uo为10V时，占空比=1/6；当Uo为100V时，1占空比=2/3。即控制占空比在1/6~2/3之间，可得输出直流电压Uo在10~100V可调。
为使电路正常工作驱动电路中R1、R2为1K，R3为5.1KΩ，R4为10KΩ，电位器R0为0~100KΩ，R5为10KΩ。
要求最大输出电流为2A，故负载功率范围为20~200W，流过VT二极管、V三极管的最大电流为2A。熔断器的最大熔断电流为2A。可选WICKMANN 181 2A陶瓷管保险丝。
（3）其他器件选择 整流电路中二极管选择为IN5232，驱动电路中二极管选择为IN4148，驱动电路中C1为0.01μF
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SG3525 15 13 16 11 5 14 6 7 12 1 9 -------------
