降压斩波电路

摘要直流斩波电路是将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,如果改变开关的动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流平均值。在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件MOSFET在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。关键词：BuckChopperMOSFETSimulink高频开关目录1降压斩波电路主电路基本原理............................12MOSFET基本性能简介....................................52.1电力MOSFET的结构和工作原理......................52.1.1电力MOSFET的结构..........................52.1.2功率MOSFET的工作原理......................62.2功率MOSFET的基本特性............................62.2.1静态特性...................................62.2.2动态特性...................................72.3电力MOSFET的主要参数............................83电力MOSFET驱动电路...................................93.1MOSFET的栅极驱动................................93.2MOSFET驱动电路介绍及分析........................93.2.1不隔离的互补驱动电路.......................93.2.2隔离的驱动电路............................103.2.3驱动电路的设计方案比较....................134保护电路设计.........................................154.1主电路的保护电路设计............................154.2MOSFET的保护设计...............................155仿真结果.............................................17心得体会................................................23参考文献................................................24武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书11降压斩波电路主电路基本原理高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。它能把电网提供的强电和粗电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。降压斩波电路主电路原理图如图1所示。图1降压斩波电路主电路原理图t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流i0按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流i0呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2所示。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2图2电流连续时的工作波形负载电压的平均值为：式中，为V处于通态的时间，为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。输出到负载的电压平均值U0最大为E，减小占空比，U0随之减小。负载电流的平均值为：若负载中L值较小，则在V关断后，到了t2时刻，如图3所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。图3电流断续时的工作波形武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3由波形可见，负载电压U0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波器的可有三种控制方式：（1）脉冲宽度调制（PWM）：保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton。（2）频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。（3）混合型：ton和T都可调，使占空比改变。对降压斩波电路进行解析:基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。电流连续时得出()()式中()()I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把上述式子用泰勒级数近似，可得平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即则假设电源电流平均值为I1，则有其值小于等于负载电流Io，由上式得武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，I2=0，可以得出当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即输出电压平均值为()负载电流平均值为(∫∫)()根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书52MOSFET基本性能简介MOSFET的原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor--SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。2.1电力MOSFET的结构和工作原理MOSFET种类和结构繁多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型，当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；增强型，对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。2.1.1电力MOSFET的结构电力MOSFET的内部结构和电气符号如图4所示，其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。a)内部结构断面示意图b)电气图形符号图4电力MOSFET的结构和电器图形符号武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。2.1.2功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。2.2功率MOSFET的基本特性2.2.1静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs，即GsDGSMOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。静态特性MOSFET的转移特性和输出特性如图5所示。a)转移特性b)输出特性图5电力MOSFET的转移特性和输出特性武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书7MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2.2.2动态特性动态特性MOSFET其测试电路和开关过程波形如图6所示。a)测试电路b)开关过程波形图6电力MOSFET的开关过程图中up为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。开通过程：（1）开通延迟时间td(on)：Up前沿时刻到UGS=U并开始出现iD的时刻间的时间段。（2）上升时间tri：UGS从UT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在Up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。（3）开通时间ton：开通延迟时间与上升时间之和，即driv关断过程：（1）关断延迟时间td(off)：Up下降到零起，Cin通过RS和RG放电，UGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书8（2）下降时间tf：UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。（3）关断时间toff：关断延迟时间和下降时间之和,即drvi电力MOSFET是场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。2.3电力MOSFET的主要参数（1）漏极电压UDS这是标称电力MOSFET电压定额的参数。（2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM这是标称电力MOSFET电流定额的参数。（3）栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，|GS|20𝑉将导致绝缘层击穿。（4）极间电容MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。它们之间的关系是CissCGSCGDCrssCGDCssCDSCGD这些电容都是非线性的。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。在实际使用中，仍应注意留适当裕量。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书93电力MOSFET驱动电路3.1MOSFET的栅极驱动电力MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。由于CISS的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为VGS，开关管的开通时间TON包括开通延迟时间TD和上升时