1概述1.1课题背景和意义功率MOSFET(金属－氧化物-半导体场效应晶体管)是最重要的一种功率场效应晶体管,除此之外还有MISFET、MESFET、JFET等几种。

功率MOSFET为功率集成器件，内含数百乃至上万个相互并联的MOSFET单元。

为提高其集成度和耐压性,大都采用垂直结构(即VMOS)，如VVMOS（V型槽结构）、VUMOS、SIPMOS等。

图1如图1显示了一种SIPMOS（n沟道增强型功率MOSFET）的部分剖面结构。

其栅极用导电的多晶硅制成,栅极与半导体之间有一层二氧化硅薄膜,栅极与源极位于硅片的同一面，漏极则在背面。

从总体上看，漏极电流垂直地流过硅片，漏极和源极间电压也加在硅片的两个面之间。

该器件属于耗尽型n沟道的功率MOSFET，其源极和漏极之间有一n型导电沟道,改变栅极对源极的电压，可以控制通过沟道的电流大小。

耗尽型器件在其栅极电压为零时也存在沟道，而增强型器件一定要施加栅极电压才有沟道出现。

与n沟道器件对应,还有p沟道的功率MOSFET。

图2图2为图1所示SIPMOS的输出特性。

它表明了栅极的控制作用及不同栅极电压下，漏极电流与漏极电压之间的关系。

图2中，在非饱和区(Ⅰ),源极和漏极间相当于一个小电阻；在亚阈值区(Ⅲ)则表现为开路；在饱和区(Ⅱ)，器件具有放大作用。

功率MOSFET属于电压型控制器件。

它依靠多数载流子工作,因而具有许多优点:能与集成电路直接相连；开关频率可在数兆赫以上（可达100MHz），比双极型功率晶体管(GTR)至少高10倍；导通电阻具有正温度系数,器件不易发生二次击穿,易于并联工作。

与GTR相比，功率MOSFET的导通电阻较大，电流密度不易提高，在100kHz以下频率工作时,其功率损耗高于GTR。

此外，由于导电沟道很窄（微米级）,单元尺寸精细，其制作也较GTR困难。

在80年代中期,功率MOSFET的容量还不大（有100A/60V，75A/100V，5A/1000V等几种）。

功率MOSFET是70年代末开始应用的新型电力电子器件，适合于数千瓦以下的电力电子装置，能显著缩小装置的体积并提高其性能，预期将逐步取代同容量的GTR。

功率MOSFET的发展趋势是提高容量，普及应用，与其他器件结合构成复合管，将多个元件制成组件和模块，进而与控制线路集成在一个模块中（这将会更新电力电子线路的概念）。

此外，随着频率的进一步提高，将出现能工作在微波领域的大容量功率MOSFET。

同时运用MOSFET晶体管来进行电路的整流和逆变有很大的优点功率场效应晶体管（VF）又称VMOS场效应管。

在实际应用中，它有着比晶体管和MOS场效应管更好的特性。

即是在大功率范围应用的场效应晶体管，它也称作功率MOSFET，其优点表现在以下几个方面：1. 具有较高的开关速度。

2. 具有较宽的安全工作区而不会产生热点，并且具有正的电阻温度系数，因此适合进行并联使用。

3. 具有较高的可靠性。

4. 具有较强的过载能力。

短时过载能力通常额定值的4倍。

5. 具有较高的开启电压，即是阈值电压，可达2~6V(一般在1.5V~5V之间）。

当环境噪声较高时，可以选用阈值电压较高的管子，以提高抗干扰能力；反之，当噪声较低时，选用阈值电压较低的管子，以降低所需的输入驱动信号电压。

给电路设计带来了极大地方便。

6. 由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此其驱动功率很小，对驱动电路要求较低。

由于这些明显的优点，功率场效应晶体管在电机调速，开关电源等各种领域应用的非常广泛。

2主电路的设计2.1整流部分主电路设计单项桥式全控整流电路带电阻性负载电路如图1.1Rid图2.1在单项桥式全控整流电路中，晶闸管VT 1和VT 4组成一对桥臂，VT 2和VT 3 组成另一对桥臂。

在u 2正半周（即a 点电位高于b 点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流i d 为零，u d 也为零，VT 1、VT 4串联承受电压u 2，设VT 1和VT 4的漏电阻相等，则各承受u2的一半。

若在触发角α处给VT1和VT 4加触发脉冲，VT 1、VT 4即导通，电流从a 端经VT 1、R 、VT 4流回电源b 端。

当u 2为零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT 1和VT 4关断。

在u2负半周，仍在触发延迟角α处触发VT 2和VT 3（VT 2和VT 3的α=0处为ωt=π），VT 2和VT 3导通，电流从电源的b 端流出，经VT 3、R 、VT 2流回电源a 端。

到u2过零时，电流又降为零，VT 2和VT 3关断。

此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去，整流电压ud 和晶闸管VT 1、VT 4两端的电压波形如下图（2）所示。

晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为22U 2和2U 2。

工作原理第1阶段（0~ωt 1）：这阶段u2在正半周期，a 点电位高于b 点电位晶闸管VT 1和VT 2方向串联后于u 2连接，VT 1承受正向电压为u 2/2，VT 2承受u 2/2的反向电压；同样VT 3和VT 4反向串联后与u 2连接，VT 3承受u 2/2的正向电压，VT 4承受u 2/2的反向电压。

虽然VT 1和VT 3受正向电压，但是尚未触发导通，负载没有电流通过，所以U d =0，i d =0。

第2阶段（ωt 1 ~π）：在ωt 1 时同时触发VT 1和VT 3，由于VT 1和VT 3受正向电压而导通，有电流经a 点→VT 1→R →VT 3→变压器b 点形成回路。

在这段区间里，u d =u 2，i d =i VT1=i VT3=u d /R 。

由于VT 1和VT 3导通，忽略管压降，u VT1=u VT2=0，而承受的电压为u VT2=u VT4=u 2。

第3阶段（π~ωt 2 ）：从ωt=π开始u2进入了负半周期，b 点电位高于a 点电位，VT1和VT3由于受反向电压而关断，这时VT 1~VT 4都不导通，各晶闸管承受u 2/2的电压，但VT 1和VT 3承受的事反向电压，VT 2和VT 4承受的是正向电压，负载没有电流通过，u d =0，i d =i 2=0。

第4阶段（ωt 2 ~π）：在ωt 2 时，u2电压为负，VT2和VT4受正向电压，触发VT2和VT4导通，有电流经过b 点→VT 2→R →VT 4→a 点，在这段区间里，u d =u 2，i d =i VT2=i VT4=i 2=u d /R 。

由于VT 2和VT 4导通，VT 2和VT 4承受u 2的负半周期电压，至此一个周期工作完毕，下一个周期，充复上述过程，单项桥式整流电路两次脉冲间隔为180°。

2.2逆变部分主电路设计如图所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个全控器件和一个二极管反并联而成。

在直流侧有两个相互串联的大电容，两个电容的中点为直流电源中点。

负载接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。

开关器件设为V1和V2，当负载为感性时，输出为矩形波，Um=Ud/2. 刚开始V1为通态，V2为断态，给V1关断信号，V2开通信号后，V1关断，但由于感性负载，电流方向不能立即改变，就沿着VD2续流，直到电流为零时VD2截止，V2开通，电流开始反向。

依此原理，V1和V2交替导通，VD1和VD2交替续流。

此电路优点在于结构简单，使用器件少，缺点是输出交流电压幅值仅为Ud/2。

图2.22.3控制电路的设计控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于逆变电路中功率器件的通断，通过对逆变角的调节而达到对逆变后的交流电压的调节。

我们采用PWM控制方法，进行连续控制，我们采用了SG3525芯片，它是一款专用的PWM控制集成芯片，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。

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

SG3525的结构和工作原理:图2.3图2.41.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器.3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。

该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。

5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。

6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。

7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。

该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。

该端通常接一只5 的软启动电容。

pensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。

在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

10.Shutd own(引脚10)：外部关断信号输入端。

该端接高电平时控制器输出被禁止。

该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

11.Output A（引脚11）：输出端A。

引脚11和引脚14是两路互补输出端。

12.Ground(引脚12)：信号地。

13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。

14.Output B（引脚14）：输出端B。

引脚14和引脚11是两路互补输出端。

15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。

16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。

该端可输出一温度稳定性极好的基准其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。

脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，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，直流开环增益为70dB 左右。

SG3525的特点如下：（1）工作电压范围宽：8—35V。

（2）5.1（1 1.0%）V微调基准电源。

（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz.（4）具有振荡器外部同步功能。

（5）死区时间可调。

（6）内置软启动电路。

（7）具有输入欠电压锁定功能。