BUCK变换器设计毕业设计.docx

1、课程名称：电力电子技术题目：BUCK 变换器设计 设计目的1） 通过对 Buck 变换器电路的设计,掌握降压电路的工作原理, 提高学生运用科学理论知识能力、工程实践能力2） 通过系统建模和仿真，掌握和运用 MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法。二、设计内容：1 电路功能介绍1） 电路由主电路与控制电路组成：主电路主要环节：整流电路及保护电路；控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。2） 主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT 或 MOSFET。3） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1） 确定主电路方案2） 主

2、电路元器件的计算及选型4. 控制电路设计与分析1） 功能单元电路设计2） 触发电路设计3） 控制电路参数确定5.仿真实验根据所设计的系统，利用仿真软件 MATLAB 建立模型并对系统进行仿真，分析系统所得到的波形。6、动手实践在仿真所设计的系统的基础上，利用 PROTEL 软件绘出原理图设计 PCB 印刷电路板，最后在电力电子实验室完成系统电路调试，分析所得到的结果。一，三、设计要求：1. 设计思路清晰，给出整体设计框图；2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3. 分析单元电路与总电路工作原理，给出仿真与实验结果波形；4. 绘制总电路图；5. 写出设计报告。主要设计条件1. 设计依据主要

3、参数设直流电源电压为 E = 27 10%V ，输出电压UR = 15V ，最大输出功率为120W ，最小功率为10W 。晶体管导通饱和电阻为Rsat = 0.2W ，保证整个工作范围内电感电流连续，输出纹波电压DUo = 100mV 。利用仿真软件搭建系统模型；在电力电子实验室对系统进行实验验证。2. 可提供实验与仿真条件21说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5. 单元电路设计（各单元电路图）；6. 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7. 总结与体会；附录（完整的总电路图）；参考文献；10、课程设计成绩评分表进 度

4、安 排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理参 考 文 献1. 石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社19982. 王兆安 黄俊电力电子技术（第 4 版）机械工业出版社，20003. 浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004. 莫正康电力电子技术应用（第 3 版）机械工业出版社，20005. 郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，1996

5、6. 刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967. 刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958. 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999，目录第一章概述61.1 本课题在国内外的发展现状与趋势6第二章Buck 变换器设计总思路72.1 电路的总设计思路72.2 电路设计总框图72.3 总电路图8第三章BUCK 主电路设计93.1 Buck 变换器主电路基本工作原理93.2 主电路保护（过电压保护）103.3 Buck 变换器工作模态分析103.4 Buck 变换器元件参数123.4.1 占空比 D123.4.2 滤波电容 C f133.5 Buck 变

6、换器仿真电路及结果14第四章控制和驱动电路模块154.1 SG3525A 脉宽调制器控制电路154.1.1SG3525 简介154.1.2SG3525 内部结构和工作特性154.2 SG3525 构成的控制电路单元电路图184.3 驱动电路设计18第五章课程设计总结19第六章附录20第七章参考文献21第一章概述1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势从八十年代末起，工程师们为了缩小 DC/DC 变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时 MOSFET 的开关速度还不够快，大幅提高频率

7、使 MOSFET 的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是 VICOR 公司的有源箝位 ZVS 软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相 ZVS 软开关技术。有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国 VICOR 公司的有源箝位 ZVS 技术，其专利已经于 2002 年 2 月到期。VICOR 公司利用该技术，配合磁元件，将 DC/DC 的工作频率提高到 1MHZ，功率密度接近 200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过 90%，主要原因在于MOSFET 的损

8、耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因 1MHZ 频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破 90%大关。为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD 公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用 P 沟 MOSFET 在变压器二次侧用于forward 电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的 MOSFET 的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且 PMOS 工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于 2001

9、 年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用 N 沟 MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以将 ZVS 软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达 92%的效率及 250W/in3 以上的功率密度。第二章Buck 变换器设计总思路2.1 电路的总设计思路Buck 变换器电路可分为三个部分电路块。分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。主电路模块， 由 MOSFET 的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。控制电路模块，可用

10、 SG3525 来控制 MOSFET 的开通与关断。驱动电路模块，用来驱动 MOSFET。2.2 电路设计总框图电力电子器件在实际应用中，一般是有控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。有信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应该包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致谢环节。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如下图所示。控制电路（含保护电路）主电路驱动电路2.3 总电路图第三

11、章BUCK 主电路设计3.1Buck 变换器主电路基本工作原理Buck 电路是由一个 MOSFET 开关 Q 与负载串联构成的，其电路如图3.1 。驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压 uo 等于输入电压；当晶体管截止时， 若忽略晶体管的漏电流，输出电压为 0。电路的主要工作波形如图 3.2。图 3.1 Buck 变换器电路UbQOff0UAt0iLt0DiLtVinQON图 3.2 Buck 变换器的主要工作波形3.2 主电路保护（过电压保护）本次设计的电路要求输出电压为 15V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路

12、和期间，应立刻将电路断开，及关断 IGBT 的脉冲，使电路停止工作。以为芯片 SG3525 的引脚 10 端为外部关断信号输入端，所以可以利用 SG3525 的这个特点进行过电压保护。当引脚10 端输入的电压等于或超过 8V 时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入 10 端实现电压保护。，从而过电压保护电路图如下所示：3.3 Buck 变换器工作模态分析在分析 Buck 变换器之前，做出以下假设： 开关管 Q、二极管 D 均为理想器件； 电感、电容均为理想元件；电感电流连续； 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关

13、周期中，变换器有 2 种开关模态，其等效电路如图 1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1） 开关模态 0t0t1t0t1对应图 1.3（a)。在 t0 时刻，开关管 Q 恰好开通，二极管D 截止。此时：Ui - Uo= L didt（式 1-1）电感中的电流线性上升，式 1-1 可写成：Ui - Uo= L iomax - iominTon= L DionTon（式1-2）（2） 开关模态 1t1t2t1t2对应图 1.3（b)。在 t1 时刻，开关管 Q 恰好关断，二极管D 导通。此时：0 - Uo= L didt（式1-3）电感中的电流线性下降，式 1-3 可写成：oU = -L

14、iomin - iomaxToff= L iomax - iominToff= L DioffToff（式 1-4）式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间。在稳态时， Dioff = Dion = Di ，联解式 1-2 与式 1-4 可得：Uo = DUi（式 1-5）输出电流平均值：I = 1 i+ i)（式 1-6）o（ omax2ominVin+QAL f+UbD-CfQAL f+n-UbDCfR Uo Vi-+R Uo-UbQOff0UAt0iLt0DiLtVinQON图 1.3(a) t0t1图 1.3(b) t1t2UbQOff0UAt0iLt0DiLtVinQONt0 t1t

15、2图 1.3(a) t0t1 的主要工作波形t0 t1t2图 1.3(b) t1t2的主要工作波形3.4 Buck 变换器元件参数3.4.1 占空比 D根据 Buck 变换器的性能指标要求及 Buck 变换器输入输出电压之间的系求出关占空比的变化范围：0.505 0.617DmaxDmin=UoUi min=UoUi max= 15V 24.3V= 15V 29.7V= 0.617= 0.505Dnom= UoUiN= 15V27V= 0.556滤波电感 Lf 于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以，以最小输出电流

16、 Io min 作为电感临界连续电流来设计电感。在 Q 关断时，由式 1-4 得：L= UoToff(max) = U（o 1- Dmin )f(max)DiLminDiLminfs由 LfLf(min)，取 Lf=27.7uH。3.4.2 滤波电容 C f（1） 滤波电容量 C f 计算在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该 Buck 变换器的输出电压纹波要求 V out(p-p)25mv。若设Dio = 0 ，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在(Ton + Toff ) / 2 = T / 2 时间间隔内充放电，电容充电的平均电流：DIc= Dic4

17、= DiL4= UoT (1- D)（式4LfT / 2电容峰峰值纹波电压为：2-8）1DUc = C0DIcdt =Uo8L C f 2(1- D)（式 2-f因此，得：ffCf =s9）Uo (1- D)8L f 2DUf sc计算得C f（max）=67uF由 C fC f(max)得，取 C f=150uF。输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大输出电压为 15V，则电容的耐压值为 15V。3.5 Buck 变换器仿真电路及结果仿真电路图：采用 MATLAB 软件对 BUCK 变换器主电路做仿真分析结果如下：第四章控

18、制和驱动电路模块4.1 SG3525A 脉宽调制器控制电路4.1.1. SG3525 简介SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的 5.1V 基准电压调定在1，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在 CT 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断，通过 PWM（脉宽调制）锁存器

19、瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当 VCC 低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA 的源和漏电流。SG3525A 系列的 NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。 工作范围为 8.0V 到 35V5.1V1.0调定的基准电压100Hz 到 400KHz 振荡器频率 分立的振荡器同步脚4.1.2. SG3525 内部结构和工作特性（1） 基准电压调整器基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于 6V 时，可把 15、16 脚短接，这时 5V

20、电压调整器不起作用。（2） 振荡器3525A 的振荡器，除 CT、RT 端外，增加了放电 7、同步端 3。RT 阻值决定了内部恒流值对 CT 充电，CT 的放电则由 5、7 端之间外接的电阻值RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于通过 RD 来调节死区的时间， 因此是重大改进。这时 3525A 的振荡频率可表为：fS =1CT (0.7RT+ 3R D )SG3525 内部框图在 3525A 中增加了同步端 3 专为外同步用，为多个 3525A 的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率 fS 要低一些。(3) 误差放大器误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为 80dB，其大小由反

21、馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在 1.83.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器 1 脚（正电压输出）或 2 脚（负电阻输出）。3524 的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A 改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。(4) 闭锁控制端 10利用外部电路控制 10 脚电位，当 10 脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。(5) 有软起动电路比较器的反相端即软起动控

22、制端 8，端 8 可外接软起动电容。该电容由内部 V ref 的 50A 恒流源充电。达到 2.5V 所经的时间为t = 2.5V C 50mA8点空比由小到大（50）变化。(6) 增加 PWM 锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输出送到 PWM 锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于 PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。(7)

23、 增设欠压锁定电路电路主要作用是当 IC 块输入电压小于 8V 时，集成块内部电路锁定， 停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约 2mA）。(8) 输出级由两个中功率 NPN 管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出 100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11 端（或 14 端）的拉电流和灌电流，达 100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约 100ns。使用时

24、VC 接一个 0.1f 电容可以滤去尖峰。另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到 50mA 以上时，管饱和压降较高（约 1V）。4.2 SG3525 构成的控制电路单元电路图4.3 驱动电路设计第五章课程设计总结通过这次为期两周电力电子技术的课程设计, 我学会了很多的东西， 能够很好的运用所学的电力电子、数字电子技术和模拟电子技术等知识 解决了一些问题，体会到了将知识用于实际的快乐感。提高了自己的课 程设计报告撰写水平，增强了运用计算机及互联网丰富的知识来设计和 分析问题、解决问题独立完成工作任务的能力，为以后的学习工作中解 决更多的、更困难的问题打了很好的基础。为了方便设计加深自己对控 制系

25、统的理解，我首先画出了闭控制原理图，依据原理图开始设计，从 网上搜集了部分 SG3525 的资料，对 SG3525 有了一些最基本的了解，如它的管脚功能，它的工作特点，结构组成等，我重点了解了它的相应的 管脚功能和工作特点，这对之后线路设计相当重要，之后我还认真阅读 了一些列程，开始看不懂，经过一遍又一遍的反复阅读，并结合课本， 总算有了七分明了，这为我接下来的设计提供了宝贵的经验和开拓了思 考方向，使得设计工作顺利进行。通过这次课程设计，提高了对电力电子技术知识的掌握和相关的动手能力，更重要的是增强的自己的信心，坚定了自己信念，明确了以后的方向，收获了许多在教室在课堂很难体会到的东西，让我知

26、道了的不只是这个简单的课题，他让我知道的是面对一个问题时应该从哪下手， 怎样才能更好的解决问题，两周的时间教会我的是一种思维方式！两周时间虽短，但这两周的内容让我受益终生。第六章附录第七章参考文献1. 石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，19982. 王兆安 黄俊电力电子技术（第 4 版）机械工业出版社，20003. 浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004. 莫正康电力电子技术应用（第 3 版）机械工业出版社，20005. 郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966. 刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967. 刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958. 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999本文来自网络，版权归原作者所有，请下载后，尽快删除。