反激电路设计

前言

电力电子技术是建立在电子学电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件电力电子电路和电力电力装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学和电工学、自动控制、信号检理处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术整流，逆变,等几个分支。现已成为现代电气工程和自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制科学三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。作为电力转换和控制的器件，电力电子技术已经成为控制科学的推动学科，已经作为自动化专业学生以后研究和应用的主要技能。在我们学习电力电子技术时应积极参加实验和实验操作，通过课程设计我们可以更好的学习和掌握课本的知识提升自己的设计和实际操作能力。

1 设计目的

作为一名自动化专业的学生，在平时的学习中要经常进行电路分析，在这个过程中，难免会遇到各种各样的问题。而且随着电路规模的加大,微分方程阶数以及联立方程的个数必然增多,解题运算变得越来困难。传统的计算机编程语言,如FORTRAN、C 语言等在处理高阶微分方程和大规模联立方程组问题时,大量的时间和精力都花在矩阵处理(如矩阵输入、求逆、稀疏矩阵处理等)和图形的生成分析等繁琐易错的细节上。

通过分析研究发现，用MATLAB语言进行电工、电子电路的分析、设计与仿真，简单、高效，可以避免复杂的数学计算编程(比如矩阵的计算)，并且借助其绘图函数可方便实现计算结果的可视化，若采用MATALAB进行电路的调试、仿真、验证，不仅省时、省力，而且还可以节约大量的成本。MATALB语言不但可作为从事电工、电子专业的技术人员提供强大的设计和论证方面的保障，也可以作为学习、了解掌握电工、电子知识的一种更方便、更可靠的开发工具，还可以作为大中专学校实践教学手段的一种扩充和补充，将其引入电工电子电路的教学和科研中，显得十分必要。

2 设计要求

初始条件：设计一反激电路（MOSFET），输入电压为200V，输出电压150V，带电阻负载。

具体要求：

1. 方案设计

2. 完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择

3. 驱动电路的设计

4. 绘制系统硬件图

5. 利用MATALB仿真软件建模并仿真，获取输出电压电流波形，并对结果进行分析

3设计分析

3.1 反激电路原理分析

3.1.1 单端反激电路原理

图1 单端反激电路

工作原理：如图1，单端反激变换器主要用在250W 以下的电路中，其中的变压器既有变压器的作用，也有点赶的作用。

当Tr 导通时，电源电流流过变压器原边i1增加，其变化 副边由于二极管D 的作用，i2变为0，变压器磁芯磁感应强度增加，变压器储能；当Tr 关断时，原边电流迅速降为0，副边电流i2在反击作用下迅速增加到最大值，然后开始线性减小，其变化此时原边由于开关的关断，电流为0，变压器磁芯磁感应强度减小，变压器释放能量。其有两种工作方式：一种是完全能量转换方式，即电感电流断续工作模式：

二是不完全能量转换方式，即电感电流连续工作模式，输出

电流趋向无穷。

其工作波形也分为电感电流断续工作模式和电感电流连续工作模式两种。其波形也不同主要是体现最终趋于稳定的波形显示，电感电流联系的工作模式最后输出电压趋于稳定，电感电流断续的工作模式最终的输出波形是间断的不是最后趋于稳定的波形。

11//L V dt di i =22//L V dt di o =T

t N N U U on 1210=

3.1.2 单端反激电路的波形分析

连续工作模式工作波形图如下： 断续工作模式工作波形图如下：

电压增益：

（1）连续工作模式下的电压增益：理想状态下，由副边绕组在一个周期中的伏秒值为0可得：

s s i T D V T nD V )1(101-= (1-1)

故可得电压增益为：

1101D D nV V M s -== (1-2)

而在实际中，由于变压器存在一次内阻r1，二次绕组内阻r2，故可的： S S S T D r I V T nD r I V )1)(()(1220111--=- (1-3)

而

02I I = (1-4) 2

21/n r r = (1-5)

001001//D nI D V I V I S == (1-6)

故将(1-4)(1-5)(1-6)代入(1-3)可得

)1)((20120010--==

D D nV r I D D nV V M S S (1-7)

(2)断续工作模式下的电压增益：

由面积相等可得式：

2/120S S T D I T I ?= (1-8)

由S P S S T D V T D nV 01= 可得

01/V D nV D S P = (1-9)

而 1112/nL T D V I s =? (1-10)

将 (1-9)(1-10)代入(1-8)可得：

1011120L V D V T D V S S I

= (1-11) 临界连续时，即可以看作连续又可以看作是断续，此时：

11101D D nV V -=，所以临界连续电流为：

11

12)1(nL D T D V I S oc -= (1-12) 当 时取最大值，为：

nL T V I s s ocm 8=

(1-13)

将（1-13）代入（1-11），可得断续工作模式下的电压增益为：

02104I D I nV V M ocm S == (1-14)

3.1.3 MOSFET 器件分析

MOSFET 的工作原理：

要使增强型N 沟道MOSFET 工作，要在G 、S 之间加正向电压VGS 及在D 、S 之间加正电压VDS ，则产生正向工作电流ID 。改变VGS 的电压可控制工作电流ID 。

若先不接VGS(即VGS ＝0)，在D 与S 极之间加一正电压VDS ，漏极D 与衬底

之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P 型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压，用符号VT表示(一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS 来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。

由于这种结构在VGS＝0时，ID＝0，称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET，在VGS＝0时也有一定的ID(称为IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。VP为夹断电压(ID＝0)。MOSFET的结构

典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图是用一块P型硅半导体材料作衬底是在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层(图lc)，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极)、S(源极)及D(漏极)。栅极G与漏极D 及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。

为了改善某些参数的特性，如提高工作电流提高工作电压、降低导通电阻和提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TM等结构。

3.2 主要元器件的计算和选择

3.2.1 器件分析选择

单端反击电路的工作原理是应用了触发器输出周期变化的脉冲信号，对MOSFET 电力电子的导通和关断，从而控制变压器原边的导通与关断，控制原边变压器的电压值。而副端由于加入了反向的二极管导致当原端导通时副端没有电流。反击过程是当Tr 导通时，电源电流流过变压器原边i1增加，其变化为11//L V dt di i =而副边由于二极管D 的作用，i2变为0，变压器磁芯磁感应强度增加，变压器储能；当Tr 关断时，原边电流迅速降为0，副边电流i2在反击作用下迅速增加到最大值，然后开始线性减小，其变化为22//L V dt di o =，此时原边由于开关的关断，电流为0，变压器磁芯磁感应强度减小，变压器释放能量。由于副边添加了储能元件使得电压不会和电流一样突变，电压会逐渐增加，最后达到稳定的电压值。

所以可得：

由于设计要求输入电压220V ，输出150V ，所以该单端反击电路中用到的器件有：220V 直流电压源，脉冲信号，mosfet 管，二极管，变压器，电阻，还有示波器，数字电压表等。

3.2.2 主要器件参数设置

1 脉冲源

作为MOSFET 管的驱动装置，在电路中对MOSFET 的起到控制的作用，适时发出周期脉冲信号给MOSFET 关断和导通的信号。由原理知输出电压连续，则脉冲信号周期足够小，本方案中选择占空比为0.5，周期为0.00015s 的连续脉冲信号。

图2 脉冲源 图3 MOSFET 器件 2 MOSFET 管

T

t N N U U on 1210=

作为原端电路的断开和导通的控制器件，其参数为软件默认值。

3变压器

由输入电压220Ｖ，输出为150Ｖ，而占空比为0.5，由公式知变压器的变比Ｎ＝0.67

图4 变压器图5 二极管

4 二极管

其作用是在变压器原边关断后，控制副边像输出端释放能量的方向，参数为默认值。

5 示波器

示波器是整个反激电路的输出装置，显示着输入电压和输出电压的波形。

图6 示波器图7 电压表

6 电压表

该表的示值可反映反激电路的输出电压。

3.3 系统主电路的绘制

单端反激电路如下图：

3.4 驱动电路的设计

3.4.1 MOSFET驱动电路

图8 MOSFET驱动电路

在图中，当光电二极管导通时，VT1导通，VT3导通，VT2截至，触发信号输出端输出高电平。当光电二极管截至时，VT1、VT3截至，VT2导通，触发信号输出端输出低电平。由于此电路采用了光电管的射极输出和VT2的加速网络这两项措施，因而电路的开关速度相当高。只要脉动输出信号输出为脉冲信号，触发信号端也将输出脉冲信号。

图9 555脉冲输出电路

3.4.2 555脉冲输出电路

555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2(A)所示，按输入输出的排列可看成如图2(B)所示。其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。

555定时器接成多谐振荡器，通过对C1的充放电使脚2和脚6的电位在4～8v之间变换，使脚3输出电压方波信号，并用方波信号来控制S的开通和关断。+12v经过R1，D1给C1充电，其充电时间t1≈R1C2ln2；放电时间t2=R2C1ln2，充电时输出高电平，放电时输出低电平。所以占空比t=t1／(t1+t2)。在图中可知占空比为80%。

4系统MATLAB仿真

由以上分析知系统硬件图如下：

图10 系统MA TLAB仿真图输入输出的电压信号如下图所示：

图10 输入电压信号

图11 输出电压信号

结果分析：按照题目要求输入200伏电压，给出设计电路，通过设定负载和各个参数的值最终达到了实验目的。通过在MATLAB中画出电路图，设定各个器件的参数，最后运行实现仿真由输出显示可知输出电压为150伏，符合试验的要求。

5 结语

本文所设计的反激电路是通过脉冲发生器来启动电力电子器件MOSFET，从而完成对主电路的控制，通过示波器显示输出波形来观察反激电路是否正确。通过实验掌握了反激电路的设计和对MATLAB的基本使用，提升了自己的设计和实际操作能力除了学习了MATLAB的相关知识外，还锻炼了自己其他方面的能力。包括快速学习新知识的能力，检索相关知识的能力等。

总的来说，这次电力电子课程设计一方面是对自己过去所学知识的检验，另一方面也是对自己的学习能力的检验。它要求我们在较短的时间内尽快学到新的知识，并将其用到实际的问题中，虽然对我而言，这有一定的难度，但这更是对一个合格大学生的基本素质要求，是各位在校学生必须掌握的。

参考文献

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[6] 王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．西安：机械工业出