BUCK型DCDC变换器电路设计.docx
《BUCK型DCDC变换器电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《BUCK型DCDC变换器电路设计.docx（34页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
BUCK型DCDC变换器电路设计
合用标准文案
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：
130302021
学生姓名：
李君奥
指导教师：
〔签字〕
起止时间：
优秀文档
合用标准文案
课程设计〔论文〕任务及考语
院〔系〕：
电气工程学院教研室：
自动化
学号130302021学生姓名李君奥专业班级131
课程设计
〔论文〕题BUCK型DC-DC变换器电路设计
目
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
课
〔1〕依照给出的技术参数指标，确定系统整体设计方案及系统控制构造框图。
程
〔2〕设计主电路，并对主电路中包括的元器件进行参数设计。
设
〔3〕设计驱动电路和控制电路。
计
〔
〔4〕设计保护电路，电路拥有过流保护功能。
论
文
〔5〕进行matlab软件仿真解析。
〕
〔6〕撰写、打印课程设计说明书，字数在
4000字以上〔论文〕。
任
务
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%。
1
1
天〕
〔〕部署任务，查阅资料，确定系统的组成〔
〔2〕计算参数，选择器件〔
2天〕
进
〔3〕设计主电路和驱动电路、控制电路、保护电路〔
2天〕
度
〔4〕仿真解析〔2天〕
计
划
〔5〕撰写、打印设计说明书〔
2天〕
〔6〕争论〔1天〕
指
导
教
师
评
语
及
成
绩
平时：
论文质量：
争论：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%争论20%以百分制计算
优秀文档
合用标准文案
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获得普
通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、起落压斩波电路、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根本的一种电路，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、有源滤波等领域获得了广泛的应用。
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依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也许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%。
要点词：
直流；降压斩波；电力电子；变换电路；
优秀文档
合用标准文案
第1章绪论.
................................................................
1
第2
章课程设计的方案.......................................................
2
归纳................................................................
2
系统组成整体构造....................................................
2
第3
章电路设计.............................................................
3
主电路设计..........................................................
3
主电路方案....................................................
3
工作原理.....................................................
3
参数解析......................................................
4
驱动电路设计........................................................
5
驱动电路方案选择..............................................
5
工作原理......................................................
6
控制电路设计........................................................
6
控制电路方案选择..............................................
7
工作原理......................................................
8
控制芯片介绍..................................................
9
保护电路设计.......................................................
11
过压保护电路.................................................
11
主电路器件保护...............................................
11
负载过压保护.................................................
11
过流保护电路.................................................
12
第4
章仿真设计............................................................
14
仿真软件说明.......................................................
14
仿真模型搭建.......................................................
15
仿真解析...........................................................
17
第5章课程设计总结........................................................
18
参照文件
...................................................................
19
优秀文档
合用标准文案
第1章绪论
结合课程设计题目及任务要求，归纳表达与之相关的睁开技术。
该局部内容随着电力电子技术的高速睁开，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根本的一种电路，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，又拥有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特点介于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、中功率应用中据有了主导地位。
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
阔的睁开远景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率睁开的趋势，促使了BUCK
降压斩波电路的睁开。
直流降压斩波电路主要分为三个局部，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，还必定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断。
但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实质应用中需要注意以下问题:
系统耗费的问，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便，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睁开远景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率睁开的趋势，促使了BUCK降压斩波电路的睁开。
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，如不中止电源无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的灵便车辆的无级变速及二十世纪八十年代流行的电动汽车的控制。
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收效。
由于变速器的输入是电网电压经不能控整流而来的直流电压，所以直流斩波不但能起到调压的作用，同时还能够起到有效地控制网侧谐波电流的作用。
优秀文档
合用标准文案
第2章课程设计的方案
归纳
本次设计主若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
实践的根本技术方面进行一次系统的训练。
能够较全面地坚固和应用“电力电子技术〞
课程中所学的根本理论和根本方法，并初步掌握电力电子系统设计的根本方法。
应用途合:
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依照系统的工作要求形成控制信
号，经过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通也许关断来完成整个系统的功能。
系统组成整体构造
电力电子器件在实质应用中，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依照系统的工作要求形成控制信号，经过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通也许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。
依照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构造框图如图2.1所示。
图降压斩波电路构造框图
在图2.1构造框图中，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变换为加在开关控制端，能够使其开通或关断的信号。
经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，防范电路产生过电流现象损害电路设备。
优秀文档
合用标准文案
第3章电路设计
3.1主电路设计
3.1.1主电路方案
依照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。
这就可以依照所学的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构造。
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，采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，且它既拥有输入阻抗高、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
依照所学知识，直流降压斩波主电路如图3.1所示：
图主电路图
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：
优秀文档
合用标准文案
iG
toff
ton
iG
toff
O
T
t
ton
iGO
io
i1
i2
Ttx
t
io
i1
I10
I20
i2
O
t1
t
O
t1I20
t2
t
uo
E
uo
E
E
O
a）
t
O
b）
EM
t
图3.2降压电路波形图
当tt1时辰，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0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，故串通
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
Uo
ton
Ui
tonUiUi
〔3-1〕
ton
toff
tontoff
T
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。
经过调治占空比α使输出到负载的电压平均值
Uo最大为E，假设减小占空比α，那么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，假设减小占空比α，那么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。
3.1.3参数解析
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、电阻值确实定，其参数确定以下：
（1）电源要求输入电压为600V。
（2）电阻由于当输出电压为220V时，假输出电流为。
所以由欧姆定律
U0
〔3-2
〕
R
Io
可得负载电阻值为
88欧姆。
（3）IGBT由图3易知当IGBT截止时，回路经过二极管续流，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Ic=13.6A，反向击穿电压Bvceo1200V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，
优秀文档
合用标准文案
故需选择U
V，
IN
的二极管。
N
1200
（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。
所以需
要信号放大的电路。
其他直流斩波电路会产生很大的电磁搅乱，会影响控制电路的正常
工作，甚至以致电力电子器件的损坏。
所以还设计中还学要有带电气隔断的局部。
该驱动局部是连接控制局部和主电路的桥梁，驱动电路的坚固与可靠性直接影响着
整个系统变流的成败。
详尽来讲IGBT的驱动要求有一下几点：
1〕动向驱动能力强，能为IGBT栅极供应拥有陡峭前后沿的驱动脉冲。
否那么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供应合适的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较合适，
取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。
3〕拥有栅压限幅电路，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损坏栅极。
4〕当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT赞同时间内经过逐渐降低栅压自动控制故障电流，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碰到影响。
针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。
针对驱动电路的隔断方式，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。
其供应的脉冲宽度不受限
制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。
其他它使用比较方便，稳
定性比较好。
但是它需要很多的工作电源，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，电路构造简单，延缓小。
但
是它不能够实现自动过流保护，不能够实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。
经过以上比较，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能够用EXB841驱动芯片来实现也能够直接用光耦电路进行主电路与控制
电路隔断，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
优秀文档
合用标准文案
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，所以我没适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供应电气隔断环节。
一般电气隔断采用光隔断或磁隔断。
光隔断一般采用光耦合器，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。
本电路中采用的隔断方法是，先加一级光耦隔断，再加一级推挽电路进行放大。
采用的光耦是TLP521-1。
为获得最正确的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。
图驱动电路
原理：
控制电路所输出的信号经过TLP521-1光耦合器实现电气隔断，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，
经过对占空比的调治到达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，调治开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；
优秀文档
合用标准文案
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，称为混杂型。
由于斩波电路有这三种控制方式，又由于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，可是由于输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，所以脉冲既是等幅的，也是等宽的，可是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能够有好多种方法，能够经过一些数字运算芯片如单片机、
CPLD等等来输出PWM波，也能够经过特定的PWM发生芯片来控制。
由于题目要求输出电
压连续可调，所以我采用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我采用了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，内部包括精巧基准源、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组成
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。
依照系统的动
态、静态特点要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要增加合适的反应补偿网
络，其他当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变成10输出。
优秀文档
合用标准文案
3.3.2工作原理
由于SG3525的振荡频率可表示为
：
f
1
〔3-3〕
Ctt3Rd）
式中:
Ct,Rt
分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；
Rd是与脚7相连的放电
端电阻值。
依照任务要求需要频率为
40kHz，所以由上式可取
Ct=0.01μF,Rt=
1k,Rd=600
。
可得f=40k
升级会员 