南华大学电气工程学院课程设计（论文）
4.控制电路设计
4.1控制原理
控制电路需要实现的功能是产生控制信号,用于控制斩波电路中主功率器件的通断,通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式 1保持开关周期T不变,调节开关导通时间ton,称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型 2保持导通时间不变,改变开关周期T.成为频率调制或调频型 3导通时间和周期T都可调,是占空比改变,称为混合型
因为斩波电路有这三种控制方式,又因为PMM控制技术应用最为广泛,所以采用PWM控制方式来控制MOSFET的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲,改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制,只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压,因此脉冲既是等幅的,也是等宽的,仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法,可以通过一些数字运算芯片如单片、CPLD等等来输出PWM波,也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为课程设计要求,所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，引脚图如下图所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片,它采用恒频调宽控制方案,内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
图4.1 SG3525引脚图
SG3525有过电流保护的功能,可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用,转换成电压信号来进行过流保护,同理也可以用10端进行过压保护,如图4.1所示10端外接过压过流保护电路。
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当驱动电路检测到过流时发出电流信号,由于电阻的作用将10脚的电位抬高,从而11、14脚输出低电平,而当其没有过流时,10脚一直处于低电平,从而正常的输出PWM波。
SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位,从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比,若负载电位升高则输出脉宽占空比减小,使得输出电压减小从而稳定了输出电压,反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位,控制输出脉宽的占空比,从而可使得输出电压为20V~90V范围。
4.2控制电路
图4.2控制电路图 由于SG3525的振荡频率可表示为: f?1
Ct(0.7Rt?0.3Rd) （4.1）
式中:Ct,Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻;Rd是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为5kHz,所以由上式可取Ct=0.01uF,Rt=1kΩ,Rd=75Ω，可得f=5kHz,满足要求。
其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7内有一个双门限比较器,内设电容充放电电路,加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求,在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。
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5.驱动电路设计
5.1驱动电路方案选择
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能： (1)提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE 管可靠的开通和关断； (2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通； (3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；
(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘； (5)具有灵敏的过流保护能力。
而电力MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw 的电力电子装置。
在功率变换装置中,根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。
根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET 管开关特性,选择驱动芯片IR2110 来实现驱动。
芯片IR2110 管脚及内部电路图如下图所示。
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图5.1 IR2110 管脚及内部电路图
5.2 驱动电路原理
IR2110 内部功能由三部分组成：逻辑输入、电平平移及输出保护。
IR2110 驱动半桥的电路如图所示，其中C1，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2 为VCC的滤波电容。假定在S 关断期间C1已经充到足够的电压（VC1 VCC）。
当HIN 为高电平时如下图4-2 ，VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1 通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2 在S1 开通之前迅速关断。
图5.2 IR2110 驱动半桥电路
设计驱动电路如下图所示.
图5.3 驱动电路图
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6.保护电路
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位,加入不同的保护电路,当达到一定电压值时,自动开通保护电路,所以可分为主电路器件保护和负载保护。
6.1主电路器件保护
当达到一定电压值时,自动开通保护电路,使过压通过保护电路形成通路,消耗过压储存的电磁能量,从而使过压的能量不会加到主开关器件上,保护了电力电子器件。
为了达到保护效果,可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中,当电路中出现电压尖峰电压时,电容两端电压不能突变的特性,可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制电路中的电感与电容产生振荡,过电压保护电路如图6.1所示
6.2负载过压保护
如图6.1所示，比较器同相端接到负载端,反相端接到一个基淮电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时,PMM琐存器将立即动作,禁止SG3525的输出,同时,软启动电容将开始放电。如果该高电平持续,软启动电容将充分放电,直到关断信号结束,才重新进入软启动过程,从而实现过压保护。
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带电阻负载的MOSFET电力电子课设
