《電力電子技術》課程設計說明書buck變換器的研究與設計

1、目錄摘要2Buck變換器的研究與設計31 總體方案設計31.1電路簡述31.2設計要求及解決方案31.3設計總體原理框圖42直流穩(wěn)壓電源的設計42.1電源設計原理42.2電源設計分析43降壓斬波主電路設63.1 Buck電路工作原理63.2 主電路參數(shù)討論84控制電路原理與設計94.1控制電路方案選擇94.2控制電路原理圖及工作原理104.3 PWM控制原理與波形114.4驅(qū)動電路125 保護電路的原理與設計125.1過電壓保護125.2過電流保護136總結與體會14參考文獻15附錄16摘要 隨著電子技術的不斷發(fā)展，電子設備功能日趨完善，對電源的要求也越來越高，由于具有高集成度高性價比、外圍電

2、路簡單、高效率等優(yōu)點，單片開關電源已經(jīng)廣泛應用于眾多便攜式電子產(chǎn)品中。 直流-直流交變電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直流斬波電路。Buck電路作為一種最基本的DC/ DC 拓撲，結構比較簡單，輸出電壓小于輸入電壓，廣泛用于各種電源產(chǎn)品中。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路可以分為脈沖寬度調(diào)試、頻率調(diào)制和混合型三種控制方式，Buck電路的研究對電子產(chǎn)品的發(fā)展有著重要的意義。 關鍵詞： 電子技術 電源 斬波 調(diào)制 Buck變換器的研究與設計1 總體方案設計1.1電路簡述 直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直

3、流電，也稱為直接直流-直流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，輸入與輸出不之間不隔離。直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。利用不同的基本斬波電路進行組合，可構成復合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等，利用相同結構的基本斬波電路進行組合，可構成多相多重斬波電路。1.2設計要求及解決方案1）設計一個輸入為家庭電源220V交流電，輸出為20-30V的直流穩(wěn)壓電源，根據(jù)前面模擬電路所學的內(nèi)容，采用相應的芯片就可以滿足所需要

4、求。2）對降壓斬波主電路進行設計，所涉及電力電子原理知識的直流斬波部分，可以參見電力電子課本第三章，所選著的全控型器件為IGBT。任務還需要通過PWM方式來控制IGBT的通斷，查閱相關資料，需要使用脈寬調(diào)制器SG3525來產(chǎn)生PWM控制信號。3）電路需要使輸出電壓恒定為15V，采用電壓閉環(huán)，將輸出電壓反饋給控制端，由輸出電壓與載波信號比較產(chǎn)生PWM信號，調(diào)節(jié)不同的脈沖寬度可以得到穩(wěn)定的15V輸出，達到負反饋穩(wěn)定控制的目的。Buck主電路直 流穩(wěn) 壓電 源SG3525脈寬調(diào)制器 EX841驅(qū)動電路 圖1 Buck電路總框圖1.3設計總體原理框圖 根據(jù)設計要求，作出所要求的總體原理框圖，如圖1所示

5、。2直流穩(wěn)壓電源的設計2.1電源設計原理 直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，其原理框圖如圖2所示，直流穩(wěn)壓電源設計圖如圖3所示。變 壓電 路整 流電 路濾 波 電 路穩(wěn) 壓電 路 + + + + _ _ _ _ _ 圖2 直流穩(wěn)壓電源原理框圖 圖3 穩(wěn)壓電源電路圖2.2電源設計分析 在穩(wěn)壓電源中一般用四個二極管組成橋式整流橋，整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，得到平滑的直流電壓。與交流電壓的有效值的關系為：；在整流電路中，二極管所承受的最大反向電壓為：；流過每只二極管的平均電流

6、為:其中：R為整流濾波電路的負載電阻，它為電容C提供放電通路，放電時間常數(shù)RC應滿足： , 其中是交流電壓的周期。為了使輸出電壓穩(wěn)定，滿足設計要求，需加穩(wěn)壓電路，以克服輸入電壓發(fā)生波動、負載和溫度發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓會隨著變化。選定穩(wěn)壓器為可調(diào)式輸出正電壓的CW317三端穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器輸出電壓的可調(diào)范圍為，最大輸出電流，輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：。 對本次課設的直流電源進行設計，輸出電壓為20-30V。集成穩(wěn)壓器選用CW317，其輸出電壓范圍為：，最大輸出電流為1.5A。由于CW317 的輸入電壓與輸出電壓差的最小值，輸入電壓與輸出電壓差的最大值。故CW317的輸入電壓范

7、圍為：即： 變壓器副邊電流：，因此，變壓器副邊輸出功率：由于變壓器的效率 = 0.8，所以變壓器原邊輸入功率 ，為了留有余地，選用功率為50W的變壓器。接著選用整流二極管和濾波電容，由于：，。IN4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4001。電路對紋波由要求，輸出紋波電壓小于等于100mv，選定穩(wěn)壓系數(shù)，根據(jù)以及公式 可以求得：所以，濾波電容： 電容的耐壓要大于，濾波電容C取容量為470uF，取50V的電解電容。 在圖3中取，二極管用IN4001，電路中R1和Rw組成輸出電壓調(diào)節(jié)電路，輸出電壓，流過電流為。取為240，則由可以求得，=，故取為10k的精密線繞電位器即可實現(xiàn)

8、電壓輸出為的直流電。通過示波器測試輸出電壓波形，發(fā)現(xiàn)輸出紋波電壓小于100mv，滿足設計要求。3降壓斬波主電路設 3.1 Buck電路工作原理 圖4 Buck電路原理圖 降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖如圖4所示。該電路使用一個全控器件V，圖中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需要設置使晶閘管關斷的輔助電路。在圖4中，為在V關斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢Em，若反電動勢為零，則可以不畫，圖中Em=0,電路的工作波形如圖5所示。 圖5 Buck電路工作波形

9、圖由圖5中的V的柵射電壓波形可知，在時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓，負載電流按指數(shù)曲線上升。當時刻，控制V關斷，負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串接L值很大的電感。至一個周期T結束，再驅(qū)動V導通，重復上一周期的過程。當電路工作與穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為 ；式中，為V處于通態(tài)的時間；為V處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比。由此式知，輸出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。負載電流的平均值為 ，若負載中的L值較小，則在V關斷后

10、，到了時刻，如圖7所示，負載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負載電壓平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式。1） 保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM方式）。2） 保持開關導通時間不變，改變開關周期T，稱為頻率調(diào)制。3） 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。3.2 主電路參數(shù)討論主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定過程如下。1）對于電源，因為題目要求輸入電壓為，且連續(xù)可調(diào)。其直流穩(wěn)壓電源模塊的設計已在前面完成，直流穩(wěn)壓電源

11、作為系統(tǒng)電源。2）電阻的選擇。因為當輸出電壓為15V時，輸出電流為。所以由歐姆定律可得負載電阻值為 ，可得到電路電阻應該在。3)對于IGBT的選擇，由圖5易知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為30V；而當時，IGBT有最大電流，其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流，反向擊穿電壓的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以滿足這個要求。4)二極管的選擇。當=1時，其承受最大反壓30V；而當趨近于1時，其承受最大電流趨近于1A，故需選擇額定電壓大于30V，額定電流大于1A的二極管。5)電感L的值取無窮大。4控制電路原理與設計4.1控制電路方案選擇IGBT控制電路的功

12、能有：給逆變器的電子開關提供控制信號；對電流反饋信號進行放大處理，并根據(jù)反饋、給定信號調(diào)節(jié)電子開關控制信號的脈寬；以及對保護信號作出反應，關閉控制信號。脈寬調(diào)節(jié)器的的基本工作原理是用一個電壓比較器，在正輸入端輸入一個三角波，在負入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號，改變負輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號的脈寬。圖6 SG3525引腳圖圖7 SG3525內(nèi)部結構實際控制電路的設計有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為題目要求輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。對于PWM發(fā)生

13、芯片，選用SG3525芯片，其引腳圖如圖7所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡，另外當10腳的電壓為

14、高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。4.2控制電路原理圖及工作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ： 式中 ,分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務要求需要頻率為50KHz，所以由上式可取=1,= ,=?？傻胒=49.02KHz，基本滿足要求。圖8控制電路部分電路圖SG3525有過流保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉換成電壓信號來進行過流保護，如圖11所示。當驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當其沒

15、有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。4.3 PWM控制原理與波形 本次課程設計采用的是PWM方式控制全控型器件IGBT的通斷，主要使用的是脈寬調(diào)制器SG3525產(chǎn)生PWM波形，在電路設計時，由于輸出電壓Ui是20-30V的直流可調(diào)電壓，而輸出是15V的恒定電壓，電路需采用電壓閉環(huán)的方式設計；于是我考慮到使用負反饋的思想，通過電路輸出電壓的大小，反饋給脈寬調(diào)制器SG3525，脈寬調(diào)制器SG3525通過反饋來的電壓值來產(chǎn)生PWM波形，而反饋電壓值的大小決定了PWM波形的脈寬，從而實現(xiàn)IGBT的通斷。PWM原理波形如圖13所示。 在電路設計中，脈寬調(diào)制器SG3525的正向輸入端1

16、接入載波信號，為三角波；在其反向輸入端2接入主電路輸出電壓，即為信號波。SG3525通過這2個端口的電壓值比較產(chǎn)生PWM控制信號，可以設定好三角波的幅值以及斜率，例如當主電路輸入電壓為30V時，此時的占空比應該為0.5；當輸入電壓為20V時，此時的占空比應該為0.75。而輸出電壓恒定為15V，當輸出電壓高于這個值時，產(chǎn)生的PWM信號脈寬會減小，從而占空比減小，輸出電壓降低；當輸出電壓低于這個值時，產(chǎn)生的PWM信號脈寬會增加，從而占空比加大，輸出電壓增加，最終維持在15V恒定的水平，達到了設計的要求。 t t 圖9 PWM方式波形圖4.4驅(qū)動電路該驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動電路的

17、穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個系統(tǒng)變流的成敗。該部分主要需完成以下幾個功能：1) 提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開通和關斷；2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導通；3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；5)具有靈敏的過流保護能力。針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進行以下設計。 采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側都有源采用芯片EXB841。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對

18、脈沖信號有1us的時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。結合本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要控制，又有一些全控器件專用的驅(qū)動芯片，其內(nèi)部集成了光耦電路,此方案使用方便。5 保護電路的原理與設計5.1過電壓保護 對于IGBT開關速度較高，IGBT關斷時及FWD逆向恢復時，產(chǎn)生很高的，由于模塊周圍的接線的電感，就產(chǎn)生了電壓.關斷浪涌電壓關斷浪涌電壓，因IGBT關斷時，主電路電流急劇變化，在主電路分布電感上，就會產(chǎn)生較高的電壓，抑制方法的方法主要有：1） 在IGBT中裝有保護電路（緩沖電路）可吸浪涌電壓。緩沖電路的電容， 采用膜電容，并靠近 IGBT配置，可使高頻浪涌電壓旁路。2

19、） 調(diào)整IGBT的驅(qū)動電路的或，使最小。3） 盡量將元件靠近IGBT安裝，以減小分布電感，采用低阻抗型電容效果佳。4） 為降低主電路及緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好，用銅片作接線效果更佳。 在此基礎上選擇緩沖電路，由于緩沖電路的種類繁多， 在這里我選用RCD緩沖電路（如圖10），作為對IGBT的保護，其特點如下：1） 關斷浪涌電壓抑制效果好。2）與緩沖電路不同。因加了緩沖二極管使緩沖電阻變大，因而避開了開通時能受到限制的問題。3）緩沖電路中的損耗（主要由緩沖電阻產(chǎn)生） 非常大，因而不適用于高頻開關用途。 圖10 保護緩沖電路圖5.2過電流保護一旦發(fā)生短路，IGBT的集電極增加到既定的值，

20、則C-E間的電壓急劇增加。根據(jù)這種特性，可以將短路時的集電極電流降到一定數(shù)值以下，但是在IGBT上還有外加的高電壓，大電流的大負載，必須在盡量短的時間內(nèi)解除。從發(fā)生短路起到電源切斷的時間也受限制，其產(chǎn)生的原因主要有：1） 晶體管或二極管的破壞；2） 控制電路，驅(qū)動電路的故障或由于雜波產(chǎn)生的誤動作；3）配線工作等人為失誤以及負荷絕緣的破壞。過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，防止IGBT的破壞和對電路中其他元件的保護。6總結與體會經(jīng)過了一個學期的電力電子技術的學習，但是除了實驗外并沒有多少實際設計的機會，課程設計與理論課程和實驗有著很大的區(qū)別，它是一個綜合性很強的課程環(huán)節(jié)，也是我們所必須經(jīng)歷的一個學習階段。在課程設計中，我們在學會學會理論知識的同時，還會加深自己對這門課程的理解，在這門課程設計當中，能學到一些軟件的運用，結合一些其他課程，如protel等軟件，通