DC-DC變換分析

1、等級(jí):湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 電力電子技術(shù) 課題名稱 DC-DC變換電路分析 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 趙葵銀 李祥來 唐勇奇 任務(wù)書下達(dá)日期 2014年 12 月 22 日設(shè)計(jì)完成日期 2015年 1 月 2 日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、 分析研究BUCK型DC-DC變換電路的工作原理；2、 用MATLAB對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真；3、 參考仿真分析結(jié)果，依據(jù)理論推導(dǎo)電路主要元件參數(shù)；4、 完成報(bào)告撰寫。二 設(shè)計(jì)要求：1 設(shè)計(jì)思路清晰，給出各種情況下的整體設(shè)計(jì)框圖；2 給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；3 分析各電路的原理，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真；4 寫出設(shè)計(jì)報(bào)告； 主要

2、設(shè)計(jì)條件 1、 可提供實(shí)驗(yàn)與仿真條件 說明書格式1 課程設(shè)計(jì)封面；2 任務(wù)書；3 說明書目錄；4 每個(gè)電路總體思路，基本原理和框圖；5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析（驅(qū)動(dòng)電路電路圖）；6 電路實(shí)驗(yàn)、仿真等。7 分析總結(jié)；8 附錄（完整電路圖）；9 參考文獻(xiàn)；11、課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表 進(jìn) 度 安 排 第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二:熟悉基本直流斬波電路 星期三:分析計(jì)算BUCK斬波電路；星期四: 分析計(jì)算BUCK斬波電路； 星期五: 設(shè)計(jì)研究BUCK斬波電路；第二周星期一: 設(shè)計(jì)研究BUCK斬波電路星期二：實(shí)驗(yàn)仿真、波形分析、參數(shù)計(jì)算等星期三四:寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙； 星期五:答辯及資料

3、整理 參 考 文 獻(xiàn)1石玉 栗書賢電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，1998 2王兆安 黃俊電力電子技術(shù)（第4版）機(jī)械工業(yè)出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術(shù)高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）機(jī)械工業(yè)出版社，20005鄭瓊林耿學(xué)文電力電子電路精選機(jī)械工業(yè)出版社，19966劉祖潤(rùn) 胡俊達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，19957劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)校內(nèi)，19998. 康華光,陳大欽電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實(shí)例，電子工業(yè)出版社，2001.10目 錄第一章 設(shè)計(jì)方案

4、第二章 主電路設(shè)計(jì)及原理 2.1 電源設(shè)計(jì) 2.2 降壓斬波電路 2.3 控制保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路 2.3.1芯片介紹及功能原理圖 2.3.2電路原理圖及工作原理簡(jiǎn)介第三章 DC-DC變換器的計(jì)算機(jī)仿真第四章 體會(huì)與總結(jié)第五章 附錄和參考資料第一章 設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)電路思路電源電路采用電容濾波的二極管不控整流電路，220V單相交流平經(jīng)變壓器，降為符合的交流電，再經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷麟娖?，然后在降壓斬波電路后，變?yōu)橐蟮钠街钡闹绷麟娖剑詈笠箅妷浩浞荡笮?yīng)該為10V14V。1.2主電路（1） 主電路選用降壓斬波電路，開關(guān)管選用電力IGBT。（2） 整流電路中，占空比不要超過65%，否則電壓大于10

5、0V。（3） 需要保護(hù)電路、觸發(fā)信號(hào)和控制主電路的電路。1.3控制電路的選擇與確定直流斬波電路由電源、變壓器、整流電路、濾波電路、主電路、控制和驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路組成。如圖所示：電源變壓器整流電路降壓斬波電路濾波電路控制和驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路第二章 主電路設(shè)計(jì)2.1 電源設(shè)計(jì)小功率直流電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路三個(gè)部分組成。設(shè)計(jì)是輸入端接220V、50Hz的交流電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz，在整流電流下，變成直流。在直流穩(wěn)壓電源變壓器，由電源變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓組成。電網(wǎng)供給的交流電壓經(jīng)電源變壓降壓后，得到符合電路的交流電壓，然后再經(jīng)整流電路變?yōu)殡?/p>

6、壓，再經(jīng)濾波濾去雜波，就得到比較平直的直流電壓。整流電流采用橋式電路整流：由四個(gè)二極管組成一個(gè)全橋整流電路.整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。與交流電壓的有效值的關(guān)系為：；在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：。故電壓承受反向電壓應(yīng)大于6V，濾波電容應(yīng)在1000uf左右。 2.2 降壓斬波電路此電路主要用來驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。同其他的電力電子器件一樣，由分立元件組成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路也存在著可靠性問題。為此，目前已經(jīng)研制出多種專用的IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路。這些集成塊速度快，為了提高

7、安全性，內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。 主電路需要確定的元件有IGBT、二極管、電源、電感、電容和電阻的值需要確定，電源的額定頻率為50kHz。電源要求輸入電壓為10-14V且連續(xù)可調(diào)，作為系統(tǒng)電源。 主電路電阻，因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為5V時(shí)，輸出電流為2A，可得到負(fù)載電阻為RL=Uo/Io=2.5。主電路IGBT,當(dāng)IGBT截止時(shí),回路通過二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩承受最大正壓為14V；而當(dāng) =1時(shí)，IGBT有最大電流，其值為2A。故需設(shè)置IGBT的集電極最大連續(xù)電流Ic>2A反向擊穿電壓Bvceo>14V。 主電路二極管，當(dāng)=1時(shí)，其承受

8、最大反壓14V，而當(dāng)趨近于1時(shí)，其承受最大電流趨近于2A，故需設(shè)置二極管額定電壓大于14V，額定電流大于2A。 主電路的占空比，根據(jù) Buck 變換器的性能指標(biāo)要求及 Buck 變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍： Dmax=Uo/Uimin=5V/10V=0.5V;Dmin=Uo/Uimax=5V/14V=0.3571V;變換器輕載時(shí)，如果工作在電流連續(xù)區(qū)，那么為了保持一定的輸出電壓，占空比大為減小，也就是說，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很短。如果這個(gè)時(shí)間小于開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間與最小控制時(shí)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，以設(shè)定最小輸出電

9、流, 作為電感臨界連續(xù)電流來設(shè)計(jì)電感，即 2.3 控制、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路2.3.1芯片介紹及功能原理圖 EXB841芯片是單列直插式結(jié)構(gòu)，如圖5所示，各引腳的功能見表1。圖5中3腳為驅(qū)動(dòng)的輸出端，通過電阻R g接被驅(qū)動(dòng)的IGBT的柵極；4腳用于外接電容，防止電流保護(hù)電路的誤動(dòng)作；5腳為過電路保護(hù)電路的輸出信號(hào)，低電平有效；6腳接IGBT的集電極，通過檢測(cè)Uce的大小來判斷是否發(fā)生短路或集電極電流過大，從而進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)。EXB841的功能塊圖。如圖1所示。引腳號(hào)功能引腳號(hào)功能1與用于反向偏置電源的濾波電容連接7、8懸空2電源（+20V）9電源地3驅(qū)動(dòng)輸出端10、11懸空4用于連接外部電容，以防止過

10、流保護(hù)電路的誤動(dòng)作（絕大部分場(chǎng)合不需要此電路）14驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-）端5過流保護(hù)輸出端15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）端6集電極電壓輸出端表1 EXB841的引腳功能表圖1 EXB841的功能塊圖2.3.2電路原理圖及工作原理簡(jiǎn)介 圖1示出了EXB841的電路原理圖，其結(jié)構(gòu)包含隔離放大、過電流保護(hù)和基準(zhǔn)電源三部分。隔離放大部分由光電耦合器ISO01、晶體管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9組成。光電耦合器IS01的隔離電壓可達(dá)2500VAC。VT2為中間放大級(jí)，VT4和VT5組成的互補(bǔ)式推挽輸出可為IGBT柵極提供導(dǎo)通和關(guān)斷電壓。晶體管VT1、VT3和穩(wěn)壓管VZ1以及阻容元件R3R8

11、、C2C4組成過電流保護(hù)部分，實(shí)現(xiàn)過電流檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)。電阻R10、穩(wěn)壓管VZ2與電容C5構(gòu)成5V基準(zhǔn)電源，為IGBT的關(guān)斷提供-5V的反偏電壓，同時(shí)也為輸入光耦合器IS01提供副方電源.。 電路的工作過程簡(jiǎn)述如下：當(dāng)14腳與15腳間流過的電流為零時(shí)，光電耦合器截止，A點(diǎn)為高電平，晶體管VT1、VT2導(dǎo)通，D點(diǎn)電位下降VT4截止、VT5導(dǎo)通。IGBT的柵極電荷經(jīng)VT5迅速放電，使3腳電位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠關(guān)斷。當(dāng)14腳與15腳間通過10mA電流時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，A點(diǎn)電位下降，VT1、VT2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。VT2截止導(dǎo)致D點(diǎn)電位升高，VT4導(dǎo)通，VT5截止。2腳電源經(jīng)V

12、T4到3腳到Rg到IGBT,驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極，使IGBT迅速導(dǎo)通。 當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，Uce較小，隔離二極管VD2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管VZ1不會(huì)被擊穿，VT3截止，C4被充電，使E點(diǎn)電位為電源電壓值（20V）并保持不變。一旦發(fā)生過電流或短路，IGBT因承受大電流而退飽和，導(dǎo)致Uce上升，VD2截止，VZ1被擊穿使VT3導(dǎo)通，C4經(jīng)R7和VT3放電，E點(diǎn)及B點(diǎn)電位逐漸下降，VT4截止，VT5導(dǎo)通，使IGBT被慢慢關(guān)斷從而得到保護(hù)。與此同時(shí)，5腳輸出低電平，將過流保護(hù)信號(hào)輸出。 使用此驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)注意以下問題： 輸入電路與輸出電路應(yīng)分開。即輸入電路（光電耦合器）接線遠(yuǎn)離輸出電路接線，以保證有適當(dāng)?shù)慕^

13、緣強(qiáng)度和高的噪聲阻抗。驅(qū)動(dòng)電路與IGBT柵到射極接線長(zhǎng)度應(yīng)小于1m，并使用雙絞線以提高抗干擾能力。若集電極上有大的電壓尖脈沖產(chǎn)生，可增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻Rg使尖脈沖較小。Rg值的選擇可參考表2所給數(shù)據(jù)。第三章 DC-DC變換器計(jì)算機(jī)仿真 電路仿真主要是對(duì)DC-DC變換器的輸入，輸出的電壓電流。DC-DC變換器的主電路簡(jiǎn)單形式，如下仿真。在參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，得到如下仿真結(jié)果：輸入電流對(duì)其進(jìn)行斬控調(diào)流，得出輸出電流，其輸入輸出電流，如下：跟據(jù)負(fù)載電壓計(jì)算公式：得出輸出電壓電流的波形，如下：第四章 體會(huì)與總結(jié)這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，并通過對(duì)知識(shí)的綜

14、合運(yùn)用，進(jìn)行必要的分析、比較。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識(shí)。同時(shí)，次課程設(shè)計(jì)，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在剛開始會(huì)覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會(huì)完成的。通過電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)課本知識(shí)的理解，平常都是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計(jì)中，我更進(jìn)一步地熟悉了降壓變換器的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在這個(gè)過程中我也遇到了困難，碰到的問題雖然比較多，靠自己所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，借鑒了很多網(wǎng)上資料，解決了這些問題，也學(xué)到了很多課本上沒有的東西。在做設(shè)計(jì)的過程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的哪些不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后仍需努力。查閱資料，相互通過討論

15、，我們找出了錯(cuò)誤并糾正了錯(cuò)誤，這更是我們的收獲，不但使我們提高了實(shí)踐能力，也讓我們?cè)谝院蟮墓ぷ鲗W(xué)習(xí)中有了更大的信心。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，從實(shí)踐中得出結(jié)論，從而提高了自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)中遇到了不少困難，但也讓我學(xué)到了一些課本上沒有的知識(shí)，進(jìn)一步提高了我的能力。在短短兩星期的時(shí)間里，我遇到了很多問題，也學(xué)到了很多東西。它不僅鞏固了我以前所學(xué)的理論知識(shí)，更使我們知道了由理論結(jié)合實(shí)踐的基本方法，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力。讓我收獲最大的是我發(fā)現(xiàn)了自己對(duì)以前的知識(shí)理解的不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設(shè)計(jì)，

16、我把以前所學(xué)的知識(shí)重新溫固，鞏固了所學(xué)知識(shí)，讓我受益匪淺。第五章 附錄參 考 文 獻(xiàn)1石玉 栗書賢電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，1998 2王兆安 黃俊電力電子技術(shù)（第4版）機(jī)械工業(yè)出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術(shù)高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）機(jī)械工業(yè)出版社，20005鄭瓊林耿學(xué)文電力電子電路精選機(jī)械工業(yè)出版社，19966劉祖潤(rùn) 胡俊達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，19957劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)校內(nèi)，19998. 康華光,陳大欽電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實(shí)例，電子工