buck-boost課程設計

1、等級:湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 電力電子技術課程設計 課題名稱 Buck-Boost變換器設計 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 2013 年 月 日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書課程名稱 電力電子技術課程設計 課 題 Buck-Boost變換器設計 專業(yè)班級 學生姓名 學 號 指導老師 審 批 任務書下達日期 2013年 月 日任務完成日期 2013年 月 日設計內(nèi)容與設計要求設計內(nèi)容：1理論設計：根據(jù)所學的理論知識，了解DCDC電路的工作原理，設計整流電路的主電路和控制電路。2仿真實踐：根據(jù)所設計的系統(tǒng)，利用仿真軟件MATLAB建立模型，并對系統(tǒng)進行仿真，分析系統(tǒng)

2、所得到的波形。3動手實踐：在仿真所設計的系統(tǒng)的基礎上，利用PROTEL軟件繪出原理圖，結合具體所用元器件管腳數(shù)、外型尺寸、考慮散熱和抗干擾等因素，設計PCB印刷電路板，復雜電路板通過外協(xié)完成，簡單電路板可以讓學生在實驗室自制，最后在電力電子實驗室完成系統(tǒng)電路的組裝、調(diào)試，分析所得到的結果。設計要求：1完整的設計方案，計算過程。2設計說明書應規(guī)范。3實驗結果應與仿真結果基本一致。4. 選題要求：每班可以選三組，每組2人，要求采用不同的PWM生成方法，如自然采樣法、規(guī)則采樣法、S函數(shù)實現(xiàn)等。主 要 設 計 條 件1、設直流電源電壓為，輸出電壓，輸出電壓的脈動控制在5電阻負載為。利用仿真軟件搭建系統(tǒng)

3、模型；在電力電子實驗室對系統(tǒng)進行實驗驗證。2、提供試驗和仿真條件。說 明 書 格 式1. 封面2. 課程設計任務書3. 目錄4. 系統(tǒng)總體方案設計5. 系統(tǒng)硬件設計6. 軟件設計（包括流程圖）7. 系統(tǒng)的安裝調(diào)試說明8、 總結 9、參考文獻10、附錄11、課程設計成績評分表。 進 度 安 排第一周 星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設計星期四:控制電路設計 星期五:控制電路設計；第二周 星期一: 控制電路設計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期四:寫設計報告，打印相關圖紙；星期五:答辯及資料整理參 考 文 獻1石玉 栗書賢電力電子技術題例與電

4、路設計指導機械工業(yè)出版社，1998 2王兆安 黃俊電力電子技術（第4版）機械工業(yè)出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術應用（第3版）機械工業(yè)出版社，20005鄭瓊林耿學文電力電子電路精選機械工業(yè)出版社，19966劉定建，朱丹霞實用晶閘管電路大全機械工業(yè)出版社，19967劉祖潤 胡俊達畢業(yè)設計指導機械工業(yè)出版社，19958劉星平電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)校內(nèi)，199947目 錄第一章 概述············

5、3;·······························6第二章 Buck-Boost變換器設計總體思路··············

6、3;······72.1 電路總設計思路···································72.2 電路設計原理與框圖····&#

7、183;··························7第三章 Buck-Boost主電路設計····················

8、·········83.1 Buck-Boost主電路基本工作原理······················83.2 主電路保護（過電壓保護）············&

9、#183;·············103.3 Buck-boost變換器元件參數(shù)·························113.3.1 占空比·····

10、83;································113.3.2 濾波電感L···············&#

11、183;···················113.3.3 濾波電容····························&#

12、183;·······113.4 Buck-Boost仿真電路及結果·························12 3.4.1 Buck-Boost變換器仿真模型·········&

13、#183;············12 3.4.2 不同占空比的仿真結果·······················13第四章 控制和驅(qū)動電路模塊········

14、83;·····················174.1 SG3525脈沖調(diào)制器控制電路························174.1.

15、1 SG3525簡介································174.1.2 SG3525內(nèi)部結構和工作特性············

16、83;······174.2 SG3525構成控制電路單元電路圖····················204.3 驅(qū)動電路設計·················

17、3;··················20第五章 總體與體會······························

18、;········21第六章 參考文獻········································2

19、2第七章 附錄············································23第一章 概述自20世紀50年代，美國宇航局以小型化重量

20、輕為目標而為搭載火箭開發(fā)首個開關電源以來，在半個多世紀的發(fā)展中，開關電源逐步取代了傳統(tǒng)技術制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應用于電子整機設備中。隨著集成電路的發(fā)展，開關電源逐漸向集成化方向發(fā)展，趨于小型化和模塊化。近20年來，集成開關電源沿兩個方向發(fā)展。第一個方向是對開關電源的控制電路實現(xiàn)集成化。與國外開關電源技術相比，國內(nèi)從1977年才開始進入初步發(fā)展期，起步較晚、技術相對落后。目前國內(nèi)DC/DC模塊電源市場主要被國外品牌所占據(jù)，它們覆蓋了大功率模塊電源的大部分以及中小功率模塊電源一半的市場。但是，隨著國內(nèi)技術的進步和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，進口中小功率模塊電源正在快速被國產(chǎn)DC/DC產(chǎn)品所代替。當今世界

21、軟開關技術使得DC/DC變換器發(fā)生了質(zhì)得變化和飛躍。美國VICOR公司設計制造得多種ECI軟開關DC/DC變換器，最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為（6.2、10、17）W/cm3，效率為（8090）%。日本NemicLambda公司最新推出得一種采用軟開關技術得高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為200300KHz,功率密度已達27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。直流斬波電路的應用非常廣，但在實際產(chǎn)品中應用時也存在一些問題：首先電源系統(tǒng)本身的耗能元件如電源內(nèi)阻、濾波器阻抗、連接導線及接觸電阻等都會引起系統(tǒng)

22、損耗?？煽匦推骷蘒GBT的柵極電阻Rg會隨著驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小，而柵極電阻Rg的變化又會對電路的性能產(chǎn)生影響。以及驅(qū)動電路如何實現(xiàn)過電流電壓保護問題。第二章 Buck-Boost變換器總體設計思路2.1 電路的總設計思路直流斬波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。它在電源的設計上有很重要的應用。一般來說，斬波電路的實現(xiàn)都要依靠全控型器件。在這里，我所設計的是基于IGBT的降壓斬波短路。直流升降壓斬波電路主要分為三部分，分別為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。除了上述主要結構之外，還必須考慮電路中電力電子器件的保護，以及控制電路與主電路的電器隔離。2.2 電

23、路設計基本原理與框圖 電力電子器件在實際應用中，一般是有控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。有信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。因此，一個完整的升降壓斬波電路也應該包括主電路，控制電路，驅(qū)動電路和保護電路致謝環(huán)節(jié)。設計要求是輸出電壓Uo=0V-40V可調(diào)的DC/DC變換器，這里為升降壓斬波電路。由于這些電路中都需要直流電源，所以這部分由以前所學模擬電路知識可以由整流器解決。IGBT的通斷用PWM控制，用PWM方式來控制IGBT的通斷需要使用脈寬調(diào)制器SG352

24、5來產(chǎn)生PWM控制信號。根據(jù)升降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設計出降壓斬波電路的結構框圖如下圖所示?？刂齐娐罚êＷo電路）（汗驅(qū)動電路主電路 圖2.1 總結構框圖 第三章 Buck-Boost主電路設計3.1 Buck-Boost主電路基本工作原理 V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。a 原理圖b 波形圖圖3.1 升壓/降壓斬波電路的原理圖及波形圖數(shù)量關系： 穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL

25、對時間的積分為零，即：當V處于通態(tài)時，；當V處于斷態(tài)時，；于是：所以輸出電壓為： 由此可見，改變導通占空比，就能夠控制斬波電路輸出電壓U。的大小。當0<<1/2時為降壓，當1/2<<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。 圖3.1 b)中給出了電源電流i1和負載電流i2的波形，設兩者的平均值分別為I1和I2，當電流脈動足夠小時，有： 由上式可得：如果V、VD為沒有損耗的理想開關時，則：其輸出功率和輸入功率相等，可將其看作直流變壓器。3.2 主電路保護（過電壓保護） 本次設計的電路要求輸出電壓為15V，所以當輸出電壓設定時，一旦出現(xiàn)過電壓，為了保護電路和期間，應立刻將電路斷開

26、，及關斷IGBT的脈沖，使電路停止工作。以為芯片SG3525的引腳10端為外部關斷信號輸入端，所以可以利用SG3525的這個特點進行過電壓保護。當引腳10端輸入的電壓等于或超過8V時，芯片將立刻鎖死，輸出脈沖將立即斷開。所以可以從輸出電壓中進行電壓取樣，并將取樣電壓通過比較器輸入10端實現(xiàn)電壓保護。，從而 過電壓保護電路圖如下所示：圖3.2 過電壓保護電路圖3.3 Buck-Boost變換器元件參數(shù)3.3.1 占空比 根據(jù)Buck-Boost變換器的性能指標要求及Buck-Boost變換器輸入輸出電壓之間的系求出關占空比的變化范圍，要求輸出電壓為：0 40V，得占空比范圍為：0 0.667。3

27、.3.2 濾波電感L 濾波電感Lf于開關管的存儲時間與最小控制時間之和，變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大，因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以，以最小輸出電流Io min作為電感臨界連續(xù)電流來設計電感。取L95e-5H。3.3.3 濾波電容C 在開關變換器中，濾波電容通常是根據(jù)輸出電壓的紋波要求來選取。取C3e-6 F。輸出濾波電容的耐壓值決定于輸出電壓的最大值，一般比輸出電壓的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大輸出電壓為15V，則電容的耐壓值為15V。3.4 Buck-Boost變換器仿真電路及結果3.4.1 Buck-Boost變換器仿真模型 根據(jù)升降壓斬波電路原理

28、圖，建立升壓-降壓式變換器仿真模型，如圖（5）所示圖3.3 升壓-降壓式變換器仿真模型由IGBT構成直流升降壓斬波電路的建模和參數(shù)設置：（1）電壓源參數(shù)取Uo=20V；（2）IGBT按默認參數(shù)設置，并取消緩沖電路；（3）二極管按默認參數(shù)設置；（4）負載參數(shù)取R5，C3e06 F；（5）電感支路L95e-5H（6）打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，相對誤差設置為1e-03，開 始仿真時間設置為0，停止仿真時間設置為0.002 s；（7）控制脈沖周期設置為1e-04s,控制脈沖占空比分別設為10、25%、50、66.7%。3.4.2 不同占空比的仿真結果1.脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設置為脈寬

29、的10%，仿真結果如圖3.4所示：圖3.4 控制脈沖占空比10%從圖3.4可以看出，負載上平均電壓大約為2V，波形為有少許波紋的直流電壓；理論計算：，Uo與E極性相反；仿真結果與升降壓斬波理論在脈動范圍之內(nèi)。2.脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設置為脈寬的25%，仿真結果如圖3.5所示：圖3.5 控制脈沖占空比25% 從圖3.5可以看出，負載上平均電壓大約為6.5 V，波形為有少許波紋的直流電壓；理論計算：，Uo與E極性相反；仿真結果與升降壓斬波理論在脈動范圍之內(nèi)。3.脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設置為脈寬的50%，仿真結果如圖3.6所示:圖3.6 控制脈沖占空比50%從圖3.6可以看出，負載上平均電壓大約為

30、20 V，波形為有少許波紋的直流電壓；理論計算：，Uo與E極性相反；仿真結果與升降壓斬波理論在脈動范圍之內(nèi)。4.脈沖發(fā)生器中的脈沖寬度設置為脈寬的66.7%，仿真結果如圖3.7所示：圖3.7 脈沖占空比66.7%從圖3.7以看出，負載上平均電壓大約為40V，波形為有少許波紋的直流電壓；理論計算：，Uo與E極性相反；仿真結果與升降壓斬波理論在脈動范圍之內(nèi)。第四章 控制和驅(qū)動電路模塊4.1 SG3525A脈寬調(diào)制器控制電路4.1.1 SG3525簡介 SG3525A系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進為各種類型的開關電源的控制性能和使用較少的外部零件。在芯片上的5.1V基準電壓調(diào)定在±1，誤差

31、放大器有一個輸入共模電壓范圍。它包括基準電壓，這樣就不需要外接的分壓電阻器了。一個到振蕩器的同步輸入可以使多個單元成為從電路或一個單元和外部系統(tǒng)時鐘同步。在CT和放電腳之間用單個電阻器連接即可對死區(qū)時間進行大范圍的編程。在這些器件內(nèi)部還有軟起動電路，它只需要一個外部的定時電容器。一只斷路腳同時控制軟起動電路和輸出級。只要用脈沖關斷，通過PWM（脈寬調(diào)制）鎖存器瞬時切斷和具有較長關斷命令的軟起動再循環(huán)。當VCC低于標稱值時欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動電容器。輸出級是推挽式的可以提供超過200mA的源和漏電流。SG3525A系列的NOR（或非）邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。·工作范圍為8.

32、0V到35V·5.1V±1.0調(diào)定的基準電壓·100Hz到400KHz振蕩器頻率·分立的振蕩器同步腳4.1.2 SG3525內(nèi)部結構和工作特性（1）基準電壓調(diào)整器 基準電壓調(diào)整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護的電壓調(diào)整器。它供電給所有內(nèi)部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。若輸入電壓低于6V時，可把15、16腳短接，這時5V電壓調(diào)整器不起作用。（2）振蕩器3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內(nèi)部恒流值對CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。把充電和放電回路分開，有利于通過RD來調(diào)節(jié)死

33、區(qū)的時間，因此是重大改進。這時3525A的振蕩頻率可表為： (3)誤差放大器誤差放大器是差動輸入的放大器。它的增益標稱值為80dB，其大小由反饋或輸出負載決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容的元件組合。該放大器共模輸入電壓范圍在1.83.4V，需要將基準電壓分壓送至誤差放大器1腳（正電壓輸出）或2腳（負電阻輸出）。3524的誤差放大器、電流控制器和關閉控制三個信號共用一個反相輸入端，3525A改為增加一個反相輸入端，誤差放大器與關閉電路各自送至比較器的反相端。這樣避免了彼此相互影響。有利于誤差放大器和補償網(wǎng)絡工作精度的提高。(4)閉鎖控制端10利用外部電路控制10腳電位，當10

34、腳有高電平時，可關閉誤差放大器的輸出，因此，可作為軟起動和過電壓保護等。(5)有軟起動電路比較器的反相端即軟起動控制端8，端8可外接軟起動電容。該電容由內(nèi)部V ref的50A恒流源充電。達到2.5V所經(jīng)的時間為點空比由小到大（50）變化。(6)增加PWM鎖存器使關閉作用更可靠比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到PWM鎖存器。鎖存器由關閉電路置位，由振蕩器輸出時間脈沖復位。這樣，當關閉電路動作，即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個周期的關閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘存器復位為止。另外，由于PWM鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將誤差放大器上的噪音、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下

35、一個時鐘周期才能重新置位，有利于可靠性提高。(7)增設欠壓鎖定電路電路主要作用是當IC塊輸入電壓小于8V時，集成塊內(nèi)部電路鎖定，停止工作（其準源及必要電路除外），使之消耗電流降到很小（約2mA）。(8)輸出級由兩個中功率NPN管構成，每管有抗飽和電路和過流保護電路，每組可輸出100mA。組間是相互隔離的。電路結構改為確保其輸出電平或者是高電平或者是低電平的一個電平狀態(tài)中。為了能適應驅(qū)動快速的場效應功率管的需要，末級采用推拉式電路，使關斷速度更快。11端（或14端）的拉電流和灌電流，達100mA。在狀態(tài)轉換中，由于存在開閉滯后，使流出和吸收間出現(xiàn)重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈沖，其持續(xù)時間約100ns。使用時VC接一個0.1f電容可以濾去尖峰。另一個不足處是吸電流時，如負載電流達到50mA以上時，管飽和壓降較高（約1V）。4.2 SG3525構成的控制電路單元電路圖圖4.1 控制電路單元電路圖4.3 驅(qū)動電路設計圖4.2 驅(qū)動電路原理圖第五章 總結與體會 通過這次為期兩周電力電子技術的課程設計, 我學會了很多的東西，能夠很好的運用所學的電力電子、數(shù)字電子技術和模擬電子技術等知識解決了一些問題，體會到了將知識用于實際的快樂感。 本次設計中我查閱了相關