南华大学电气工程学院课程设计（论文）
1.设计要求与方案
1.1 设计要求
(1)、设计参数：纯电阻负载；输入直流电压:Ud=100V；输出功率:300W；开关频率5KHz；占空比10%~90%；输出电压脉率:小于10%。
(2)、了解掌握降压斩波电路的工作原理，设计主电路、控制电路驱动电路、保护电路等单元电路，画出完整的原理图、列出主电路所用元器件的明细表。 (3)、利用仿真软件对该电路进行仿真建模设计
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。
根据MOSFET降压斩波电路设计任务要求设计主电路、驱动电路。其结构框图如下图所示。
图1.1 电路结构图
在图1结构框图中，控制电路用来产生MOSFET降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降压斩波电路工作。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。
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2.MOSFET简介
2.1 MOSFT的结构
MOSFET的内部结构和电气符号如图1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。
MOSFET的结构与电气图形符号如图7所示。
图2.1 MOSFET的结构与电气图形符号
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），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。
2.2 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。
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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。
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3.降压斩波主电路设计
3.1降压斩波主电路设计
降压斩波主电路如下图所示。该电路使用一个全控型器件 V，图中为MOSFET。为在MOSFET关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
图3.1 降压斩波电路原理图
3.2降压斩波主电路工作原理
直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET 的导通或关断。当t=0 时MOSFET 管被激励导通电源U向负载供电，负载电压为Uo=U,负载电流io 按指数曲线上升，当t=t1时控制MOSFET 关断负载电流经二极管VD 续流负载电压Uo 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L较大。电路工作时的波形图如下图所示。至一个周期T结束，再驱动MOSFET导通，重复上一周期的过程。
图3.2 降压斩波电路的工作波形
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负载电压平均值为
uo?tontU?onU??Uton?toffT（3.1）
负载电流平均值为
i0=U0/R (3.2) 式中，ton为MOSFET处于通态的时间；toff为MOSFET处于断态的时间；T为开关周期；
?为导通占空比。
由式（3.1）可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为U，减小占空比?，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。根据对输出电压平均值进行调试的方式不同，可分为三种工作方式：
1) 保持开关导通时间 不变，改变开关T，称为频率调制工作方式； 2) 保持开关周期T不变，调节开关导通时间 ，称为脉冲宽调制工作方式； 3) 开关导通时间和开关周期T 都可调，称为混合型。
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带电阻负载的MOSFET电力电子课设
