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:Buck Chopper MOSFET Simulink 高频开关
目录
1 降压斩波电路主电路基本原理 ............................ 1
2 MOSFET基本性能简介 .................................... 5
2.1 电力MOSFET的结构和工作原理 ...................... 5
2.1.1 电力MOSFET的结构 .......................... 5
2.1.2 功率MOSFET的工作原理 ...................... 6
2.2 功率MOSFET的基本特性 ............................ 6
2.2.1 静态特性 ................................... 6
2.2.2 动态特性 ................................... 7
2.3 电力MOSFET的主要参数 ............................ 8
3 电力MOSFET驱动电路 ................................... 9
3.1 MOSFET的栅极驱动 ................................ 9
3.2 MOSFET驱动电路介绍及分析 ........................ 9
3.2.1 不隔离的互补驱动电路 ....................... 9
3.2.2 隔离的驱动电路 ............................ 10
3.2.3 驱动电路的设计方案比较 .................... 13
4 保护电路设计 ......................................... 15
4.1 主电路的保护电路设计 ............................ 15
4.2 MOSFET的保护设计 ............................... 15
5 仿真结果 ............................................. 17
心得体会 ................................................ 23
参考文献 ................................................ 24
1 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u0=E,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。
图2 电流连续时的工作波形
负载电压的平均值为:
U0=tontonE=E=αE onoff式中,ton为V处于通态的时间,toff为V处于断态的时间;T为开关周期;α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α,U0随之减小。
负载电流的平均值为:
I0=U0−Em 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
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
I10et1/τ−1EEmeαρ−1E= −=(−m) I20
式中 1−e−t1/τEEm1−e−αρE= −=(−m)LTEmt1t1Tτ= ,ρ= ,m= ,= ∗ =αρ 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
I10≈I20≈(α−m)E=I0 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
EI0ton=RI02T+EmI0T
则
I0=
假设电源电流平均值为I1,则有
I1=tonI=αI0 0
αE−Em其值小于等于负载电流Io,由上式得
EI1=αEI0=U0I0
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
1−(1−m)e−αρtx=τln[] 当tx
eαρ−1m> 输出电压平均值为
U0=tonE+(T−ton−tx)Emton+tx=[α+ 1− m]E 负载电流平均值为
tonton+tx1ton+txEU0−EmI0= i1dt+ i2dt = α−m =0ton
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。
2 MOSFET基本性能简介
MOSFET的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor 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(Metal Oxide Semiconductor FET),简称功率 MOSFET(Power
MOSFET)。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor--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(Vertical MOSFET),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
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(Vertical Double-diffused MOSFET)。
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
Gfs=dIDGS
MOSFET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
MOSFET 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
ton=td(on)+tri+tfv
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。
(2)下降时间tf:UGS从UGSP继续下降起,iD减小,到 UGS
(3)关断时间 toff:关断延迟时间和下降时间之和,即
toff=td(off)+trv+tfi
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, UGS >20