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.目錄摘要設計目的設計任務主要技術參數.設計內容電路仿真及分析.設計小結

.摘要在現在我們所使用到能源中，電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環保，控制方便能很容易轉換成其他的信號等等。我們的日常生活已經離不開電了。在如今高能耗社會，合理的利用電能，提高電能品質和用電效率成為了全球研究的當務之急。而《電力電子技術》正是與這一主題相關聯的。MOSFET升壓斬波電路設計是里面的一部分，它開關電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便，智能化，易實現計算機控制。直流變換技術已被廣泛的應用于開關電源及直流電動機驅動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能，并同時收到節約電能的效果。由于變速器的輸入是電網電壓經不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調壓的作用，同時還能起到有效地抑制網側諧波電流的作用。直流斬波電路的功能是將直流電變為另一種固定的或可調的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DCConverter），直流斬波電

.路一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多：降壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩種是最基本電路。另外還有升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調制方式（ton不變，改變Ts）。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MOSFET來控制升壓斬波電路的輸出電壓。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.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。MOSFET是金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶，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。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NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。

圖1它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型MOS場效應管，其內部結構見圖1。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由圖可看出，對于N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上，同樣對于P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應管的原因。為解釋MOS場效應管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個P—N結的二極管的工作過程。如圖2所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負極）時，二極管導通，其PN結有電流通過。這是因為在P型半導體端為正電壓時，N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端，而P型半導體端內的

圖2在柵極沒有電壓時，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時場效應管處與截止狀態（圖3a）。當有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應管柵極上時，由于電場的作用，此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中（見圖3b），從而形成電流，使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決。

圖3電力MOSFET的基本特性a轉移特性圖4b輸出特性

a測試電路圖5b開關過程波形MOSFET斬波電路是被設計的核心部分，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。場效應管與晶體管的比較（1）場效應管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用場效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用晶體管。（2）場效應管是利用多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是即有多數載流子，也利用少數載流子導電。被稱之為雙極型器件。（3）有些場效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比晶體管好。

.（4）場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應管集成在一塊硅片上，因此場效應管在大規模集成電路中得到了廣泛的應用關鍵字：電能、MOSFET升壓斬波電路、升壓變換、變換器、直流斬波技術一、設計目的1、把從電力電子技術及其它先修課程（電工基礎、電子技術、電機學等）中所學到的理論和實踐知識，在課程設計實踐中全面綜合的加以運用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實踐技能密切結合起來。2、初步樹立起正確的設計思想，掌握一般電力電子電路設計的基本方法和技能，培養觀察、分析和解決問題及獨立設計的能力，訓練設計構思和創新能力。3、培養具有查閱參考文獻和技術資料的能力，能熟悉或較熟悉地應用相關手冊、圖表、國家標準，為今后成為一名合格的電氣工程技術人員進行必須的基本技能和基本素質訓練。二、設計任務

.設計主電路，主電路為：采用BOOST變換器，主功率管用MOSFET；選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；設計MOSFET驅動電路及控制電路；繪制裝置總體電路原理圖，繪制：MOSFET驅動電壓、BOOST電路中各元件的電壓、電流以及輸出電壓波形；編制設計說明書、設計小結。輸入直流電壓24V，輸出電壓V=48V，輸出電流Io=10A，最大0輸出紋波電壓200mV，工作頻率f=100kHz。三、主要技術參數（一）升壓斬波電路的原理及典型應用（1）升壓斬波電路及其工作波形（IGBT)

圖6、升壓斬波電路及其工作波形圖（2）、工作原理(MOSFET管）圖7、升壓斬波電路工作原理(MOSFET管）根據電力電子技術的原理，升壓式變換器的輸出電壓高于輸入電源電壓，控制開關與負載并聯連接，與負載并聯的濾波電容必須足夠

升壓斬波電路的電路圖：圖8、升壓斬波電路原理圖

（二）、升壓斬波電路典型應用1.用于直流電動機傳動波形分析電路設計參數選擇和計算2、工作原理：（1）、電路原理圖

.升壓斬波電路的電路圖如上圖所示，在該電路中假設電感L1值、電容C2值很大，當可控開關Z2處于通態時，電源V1向電感L1充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C2上的電壓向負載R供電。V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因為C值很大，基本保持輸出電壓U為恒值，記為U設V處于通00。態的時間為Ton,此階段電感L積蓄能量為EI1Ton。當V處于斷態時，V1和L1共同向電容C2充電并向負載R1提供能量。設V處于斷態的時間Toff，則在此期間電感L1釋放的能量為（Uc-V1）I1Toff。當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：V1I1Ton=(Uc-V1)I1Toff化簡為：Uc=（(Ton+Toff）/Toff)V1=（T/Toff)V1式中：(T/Toff)》1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。T/Toff表示升壓比，調節其大小，即可改變輸出電壓Uc的大小，將升壓比的倒數記做β,即β=Toff/T。則β和占空比α的關系為：α+β=1。則：Uc=(1/β)V1=（1/(1-α))V1【2】升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：

.（1）電感L1儲能之后具有使電壓泵升的作用。（2）電容C可將輸出電壓保持住。3、Z2處于通態期間因電容C的作用使得輸出電壓Uc不變，但實際上C2值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，Uc必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于Uc的值，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即：V1I1=UcI0輸出電流的平均值I0為：I0=Uc/R=(1/B)(V1/R)電源電流I1為：I1=(Uc/V1)I0=(1/B^2)(V1/R)（2）、元器件選擇和設計輸入電壓V1=24V輸出電壓V=48V0電感L2=500uH電阻R1=4.8Ω、輸入電感L2的設計WL>>R2*pi*f*L>>RL2取500uH

24V直流電源，500uF電感DIN5823二極管，IRF540（MOS管）驅動電源，電阻（1K,4.8歐姆）電容（10uF，220uF）（3）保護電路（3.1)過流保護電路

五、電路仿真分析

圖9、驅動電壓V1(幅值4v）圖10、V2（沒有驅動MOSFET管)

圖11、V1設為15V圖12、輸出電壓

圖13、輸出紋波六、設計小結回顧起此次的電力電子課程之MOSFET升壓斬波電路設計，感慨頗多，它使我有了很多的心得體會，可以說這次MOSFET升壓斬波電路設計是在自己用心努力和在老師的精心指導下共同完成的。在兩個星期的日子里，可以說自己每天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設計中學到了很多東西。設計過程中，因為是第一次做，難免會遇到各種各樣的問題。在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關資料，并與同課題同學互相討論，交流經驗和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學到了不少知識。通過本次課程設計

.讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器件體會到了電力電子這門學科的重要性。課程設計不僅需要靈活的運用書本上以及課堂上的知識，還需要自己運用電腦上網搜索相關信心和操作相關的軟件來更好的達到設計的目的。這讓我不僅鞏固了老師所傳授的書本上的知識，而且鍛煉了自己解決實際問題的能力。通過課程設計還拓寬了知識面，學到了很多課本上沒有的知識，報告只有自己去做能加深對知識的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。在此次電力電力課程設計，我自學了ORCAD和Multisim軟件。通過對電路圖的研究，也增強了自己的思考能力。另外，在使用ORCAD軟件繪制電路圖的過程中，我學到了很多實用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎。從開始任務到查找資料，到設計電路圖，我學到了課堂上學習不到的知識。上課時總覺得所學的知識太抽象，沒什么用途，現在終于認識到它的重要性。此次老師要求我們選擇電子版的論文，自己分別運用了運用了AUTOCAD2008，Multisim與OFFICEWORD2010等常用工具軟件，也練習了使用的熟練程度。此外對論文的的格式要求等有了比較清晰的認識，也為了以后畢業論文的設計奠定了基礎。總的來說，自己的這次課程設計還算比較成功，非