BUCK型DC-DC变换器电路设计.doc
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辽宁工业大学课程设计说明书（论文）
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：
BUCK型DC-DC变换器电路设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自131班
学号：
130302011
学生姓名：
李君奥
指导教师：
（签字）
起止时间：
2016..1.04-2016.01.15
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
学号
130302011
学生姓名
李君奥
专业班级
131
课程设计（论文）题目
BUCK型DC-DC变换器电路设计
课程设计（论文）任务
实现功能
设计一个将600VDC降低到220VDC的DC-DC变换器。
设计任务及要求
（1）根据给出的技术参数指标，确定系统总体设计方案及系统控制结构框图。
（2）设计主电路，并对主电路中包含的元器件进行参数设计。
（3）设计驱动电路和控制电路。
（4）设计保护电路，电路具有过流保护功能。
（5）进行matlab软件仿真分析。
（6）撰写、打印课程设计说明书，字数在4000字以上（论文）。
技术参数
输入电压为600VDC，输出电压为220VDC，输出额定电流为2.5A，当输入电压在小范围变化时，电压调整率≤5%,变换器在满载时效率≥90%。
进度计划
（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）
（2）计算参数，选择器件（2天）
（3）设计主电路和驱动电路、控制电路、保护电路（2天）
（4）仿真分析（2天）
（5）撰写、打印设计说明书（2天）
（6）答辩（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。
斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
BUCK降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
直流斩波电路由控制电路，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。
由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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。
在Matlab仿真实验中，当输入电压为600VDC时，输出电压为220VDC，输出额定电流为2.5A，当输入电压在小范围变化时，电压调整率≤5%,变换器在满载时效率≥90%。
关键词：
直流；降压斩波；电力电子；变换电路；
目录
第1章绪论 1
第2章课程设计的方案 2
2.1概述 2
2.2系统组成总体结构 2
第3章电路设计 3
3.1主电路设计 3
3.1.1主电路方案 3
3.1.2工作原理 3
3.1.3参数分析 4
3.2驱动电路设计 5
3.2.1驱动电路方案选择 5
3.2.2工作原理 6
3.3控制电路设计 6
3.3.1控制电路方案选择 7
3.3.2工作原理 8
3.3.3控制芯片介绍 9
3.4保护电路设计 11
3.4.1过压保护电路 11
3.4.2主电路器件保护 11
3.4.3负载过压保护 11
3.4.4过流保护电路 12
第4章仿真设计 14
4.1仿真软件说明 14
4.2仿真模型搭建 15
4.3仿真分析 17
第5章课程设计总结 18
参考文献 19
II
第1章绪论
结合课程设计题目及任务要求，概括叙述与之相关的发展技术。
该部分内容随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。
斩波电路分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
BUCK降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
BUCK降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了BUCK降压斩波电路的发展。
直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。
但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:
系统损耗的问，栅极电阻，驱动电路实现过流过压保护的问题。
此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。
BUCK降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了BUCK降压斩波电路的发展。
直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及二十世纪八十年代兴起的电动汽车的控制。
从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。
由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。
第2章课程设计的方案
2.1概述
本次设计主要是综合应用所学知识，设计出BUCK型DC-DC变换器电路设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。
能够较全面地巩固和应用“电力电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握电力电子系统设计的基本方法。
应用场合:
直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。
系统功能介绍:
由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。
2.2系统组成总体结构
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，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。
由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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。
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图2.1所示。
图2.1降压斩波电路结构框图
在图2.1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。
通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。
控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。
第3章电路设计
3.1主电路设计
3.1.1主电路方案
根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。
这就可以根据所学的BUCK降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。
而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。
至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。
3.1.2工作原理
根据所学知识，直流降压斩波主电路如图3.1所示：
图3.1主电路图
直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。
用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压U=E，负载电流I按指数曲线上升。
电路工作时波形图如图3.2所示：
图3.2降压电路波形图
当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。
为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。
至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。
当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为
（3-1）
为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。
通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比α，则Uo随之减小。
由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。
3.1.3参数分析
主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：
（1）电源要求输入电压为600V。
（2）电阻因为当输出电压为220V时，假输出电流为2.5A。
所以由欧姆定律
（3-2）
可得负载电阻值为88欧姆。
（3）IGBT由图3易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为600V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为6.8A。
故需选择集电极最大连续电流=，反向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。
（4）二极管其承受最大反压600V，其承受最大电流趋近于27.2A，考虑2倍裕量，故需选择，的二极管。
（5）电感L=100mH
（6）开关频率f=5KHz
（7）电容设计要求输出电压纹波小于1
3.2驱动电路设计
3.2.1驱动电路方案选择
IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。
因此需要信号放大的电路。
另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。
因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。
该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。
具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：
1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。
否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。
2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。
3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。
IGBT栅极极限电压一般为土20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。
4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。
驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。
针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。
针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。
方案1：
采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。
其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。
另外它使用比较方便，稳定性比较好。
但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。
方案2：
采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。
但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。
通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。
对于方案1可以用EXB841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。
由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片10端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。
3.2.2工作原理
如图3.3所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。
一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。
光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。
本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。
采用的光耦是TLP521-1。
为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。
图3.3驱动电路
原理：
控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。
3.3控制电路设计
3.3.1控制电路方案选择
控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
斩波电路有三种控制方式：
1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；
2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；
3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。
因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。
PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。
这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。
改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
图3.4SG3525引脚图
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。
因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图3.4所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，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。
其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。
脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，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分别为芯片内部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。
根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。
3.3.2工作原理
由于SG3525的振荡频率可表示为：
（3-3）
式中:
分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。
根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01μF,=,=。
可得f=40kHz，满足要求。
图3.5控制电路
SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。
因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图3.5所示10端外接过压过流保护电路。
当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。
SG3525还有稳压作用。
1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。
调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。
3.3.3控制芯片介绍
本控制电路是以SG3525为核心构成,SG3525为美国SiliconGeneral公司生产的专用，它集成了PWM控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图4.3所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波（即PWM信号）.然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。
图3.6SG3525A芯片的内部结构
（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：
（3-4）
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1.8~3.4V，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制端8，端8可外接软起动电容。
该电容由内部Vref的50μA恒流源充电。
达到2.5V所经的时间为
（3-5）
占空比由小到大（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）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VC接一个0.1μf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）。
3.4保护电路设计
3.4.1过压保护电路
过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。
3.4.2主电路器件保护
当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。
将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。
与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图3.7所示。
图3.7RC阻容过电压保护电路图
3.4.3负载过压保护
如图3.8所示比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。
如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现
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