buck变换器设计湖南工程学院

湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题 目:BUCK变换器设计专业班级：学生姓名：学号：指导老师：蔡斌军审 批：蔡斌军任务书下达日期2021年 6月13日设计完成日期2021 年 6月 23日设计内容与设计要求设计目的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 析系统的根本方法。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MOSFETo3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根底上，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。三、设计要求：1. 设计思路活晰，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 .设计依据主要参数设直流电源电压为E=2710%V，输出电压Ur =157 ,最大输出 功率为120W ,最小功率为10W。晶体管导通饱和电阻为 Eat =0.2。,保证整个工作范围内电感电流连续，输出纹波电压 UoTOOmV。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，根本原理和框图总电路图5. 单元电路设计各单元电路图；6. 故障分析与电路改良、实验及仿真等。7. 总结与体会；8 .附录完整的总电路图；9.参考文献；10、课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一：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：辩论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,1998 2 .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， 199922第一章概述61.1本课题在国内外的开展现状与趋势 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变换器主电路根本工作原理 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 154.1.1 . SG3525 简介154.1.2 . SG3525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本课题在国内外的开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。虽然技术模式白花齐放，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。一项为哪一项 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本钱，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。这使产品本钱减低很多。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 根底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MOSFETo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uck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局部电路块。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MOSFE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SG3525来控制MOSFE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列图所示。2.3 总电路图SGj525omOUTBcom淄sd osconDISCcrsrRTUFH第三章UCK主电路设计3.1 Buck变换器主电路根本工作原理Buck电路是由一个MOSFEW关Q与负载申联构成的，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，假设忽略其饱和压降，输出电压 uo等丁输入电压；当晶体管截止时， 假设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Ua0iVin t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勺引脚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 输入的电压等丁或超过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拟器输入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截止。此时：对应图1.3 (a)。在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管DUi-Uo式 1-1 电感中的电流线性上升，式1-1可写成:i omax i omin i onUi - Uo - L- LTonTon-2(2)开关模态1t1t2时刻，开关管Q恰好关断，二极管Dt1t2对应图 1.3 (b)。在 t1导通。此时：0Ldi-3电感中的电流线性下降，式1-3可写成:i i i i-i Uommomaxomax ominoffo L L LToffToffToff式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时,Lff=/ =，联解式1-2与式1-4可得:Uo =DUi式 1-5输出电流平均值:1 ,Io maxiomin式 1-6QAVin图 1.3(a) t0t1QA+图1.3(a) t0t1的主要工作波形图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DBuck变换器输入输出电压之间的根据Buck变换器的性能指标要求及系求出关占空比的变化范围：0.505 0.617maxminnomUoUiminUomaxUoU iN15V24.3V15V29.7V15V27V=0.617=0.505=0.556滤波电感Lf 丁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:UoToff(max)Uo(1-Dmin)Lf(max) =；-I Lmin- I Lminfs由 Lf Lf(min)，取 Lf=27.7uH。3.4.2滤波电容C f(1)滤波电容量Cf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) C f(max)得，取 C f=150uF。输出滤波电容的耐压值决定丁输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低本钱。由丁最大输出电压为15V,那么电容的耐压值为15V。3.5 Buck变换器仿真电路及结果仿真电路图:采用MATLA歌件对BUCK换器主电路做仿真分 析结果如下:第四章控制和驱动电路模块4.1SG3525A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良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基准电压调定在土 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)锁存器瞬时切断和具 有较长关断命令的软起动再循环。当VC0氐丁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勺源和漏 电流。SG3525原列的NOR(或非)逻辑在断开状态时输出为低。工作范围为8.0V到35V-5.1V 土 1.0%调定的基准电压-100Hz到400KHZ8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，同时乂可作为外部基准参考电压。 假设输入电压低 丁 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 决定了内部包流值对 CT充电，CT的放电那么由5、7端之间外接的电阻值 RD决定。把充电和放电回路分开，有利丁通过 RD来调节死区的时间，因 此是重大改良。这时3525A的振荡频率可表为：Ct(0.7Rt3Rd)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 反应或输出负载决定，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 比拟器的反相端。这样防止了彼此相互影响。有利丁误差放大器和补偿网 络工作精度的提高。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) 有软起动电路比拟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V ref的50li A包流源充电。到达2.5V所经的时间为2.5V50AC8点空比由小到大50%变化。6增加PW颇存器使关闭作用更可靠比拟器脉冲宽度调制输出送到 PWM1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，由丁 PW嗷存器比照拟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，有利丁可靠性提高。7增设欠压锁定电路电路主要作用是当IC块输入电压小丁 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组问是相互隔离的。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，由丁 存在开闭滞后，使流出和吸收问出现重迭导通。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0.1 k f电容可以滤去尖峰。另一个缺乏处是吸电流时，如负载电流到达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rL 1kM_-iI驱动15V驱乏a电源驱动土 1114.3驱动电路设计驱i5Vr_1Nr,1Sd.IV-Jjb1XPNIPt一v-if驱劫ith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根底。为了方便设计加深自己对控制系统的理 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勺资料，对SG3525W了一些最根本的了解，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，经过一遍乂一遍的反复阅读，并结合课本，总算有了七清楚了，这 为我接下来的设计提供了珍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，坚决了自己信念，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