直流变换器课程设计讲义

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1、目录第一章设计概要 1.1 技术参数 1.2 设计要求 第2章 电路基本概述第3章 .电力总体设计方案第3章 .电力总体设计方案3.1 电路的总设计思路3.2电路的设计总框图第4章 BUCK 主电路设计4.1 Buck变换器主电路原理图4.2 Buck变换器电路工作原理图4.3 主电路保护（过电压保护）4.4 Buck变换器工作模态分析4.5 主电路参数分析第5章 控制电路5.1 控制带你撸设计方案选择5.2 SG3525控制芯片介绍5.3 SG3525各引脚具体功能5.4 SG3525内部结构及工作特性5.5 SG3525构成的控制电路单元电路图第6章 驱动电路原理与设计6.1 驱动电路方案

2、设计与选择6.2 驱动电路工作分析第7章 附录第8章 设计心得第一章设计概要1.1 技术参数： 输入直流电压 Vin=25V，输出电压 Vo=10V，输出电流 Io=0.5A，最 大输出纹波电压 50mV，工作频率 f=30kHz。 1.2 设计要求： （1） 设计主电路，建议主电路为：采用 BUCK 变换器，大电容 滤波，主功率管用 MOSFET； （2） 选择主电路所有图列元件，并给出清单； （3） 设计 MOSFET 驱动电路及控制电路； （4） 绘制装置总体电路原理图，绘制： MOSFET 驱动电压、 BUCK 电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（波形 汇总绘制，注意对应关系）；

3、 （5） 编制设计说明书、设计小结。第二章电路基本概述 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或 可调 电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直 流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，输入与输 出不之间不隔离。直流斩波电路的种类较多，包括 6 种基本斩波电路： 降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。Buck 电路作为一种最基本的 DC/ DC 拓 扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品 中。根据对输出电压平均值进行调制的方式

4、不同，斩波电路可以分为 脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方式，Buck 电路的研究 对电子产品的发展有着重要的意义。 MOSFET 特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要 的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于 GTR，但 其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子 装置。 功率 MOSFET 的种类：按导电沟道可分为P沟道和 N 沟道。按栅极 电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电 沟道，增强型；对于 N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时 才存在导电沟道，功率 MOSFET 主要是 N 沟道增强型。第三章.电力

5、总体设计方案3.1 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 SG3525 来控制 MOSFET 的开通与关断。 驱动电路模块，用来驱动 MOSFET。 3.2 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

6、。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。 第四章 BUCK 主电路设计4.1 Buck 变换器主电路原理图 降压斩波电路的原理图以及工作波形如图 3.1 所示。该电路使用一个 全控型器件 V，图中为 MOSFET。为在 MOSFET 关断时给负载中电 感电流提供通道，设置了续流二极管 VD。斩波电路主要用于电子路 的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。 4.2 Buck 变换器电路工作原理图 直流降压斩波电路使用一个全控型的电压

7、驱动器件 MOSFET，用控 制电路和驱动电路来控制 MOSFET 的导通或关断。当 t=0 时 MOSFET 管被激励导通，电源 U 向负载供电，负载电压为 Uo=U,负 载电流 io 按指数曲线上升；当 t=t1 时控制 MOSFET 关断负载电流经 二极管 VD 续流负载电压 Uo 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感 L 较大。电路工作时 的波形图如图 4.2 所示。 4.3 主电路保护（过电压保护） 本次设计的电路要求输出电压为 12V，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MOSFET 的脉冲，

8、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： 4.4 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 V、二极管 VD 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。 当输入脉冲为高电平，即在 ton时段内，

9、V 导通，此时二极管 VD 反偏 截止，如下图 4.3.1 所示。通过电感 L 的电流随时间不断增大，电源 U 向负载 R 提供功率，同时对电容 C 充电。在电感 L 上将产生极性为 左正右负的感应电动势，储存磁场能量。 假设储能电感 L 足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电 感的电流 IL可近似认为是线性的，并设开关 MOS 管 V 及续流二极管都 具有理想的开关特性，它们正向降压都可以忽略 式中起始值 ILv是 V 导通前流过 L 的电流。当 t=ton时，V 导通 L 中的 电流达到最大值 当输入脉冲为低电平，即在 toff时段内，V 截止，电路相当于 V 断开， 如下图 4.

10、3.2 所示。此时，由电感 L 中的电流将减小，为了阻止电流 I0的减小，在其上将产生极性为左负右正的感应电动势，这时二极管 VD 正偏导通，为电感电流提供通路。电感将释放磁能，一方面继续 给负载 R 供电，另一方面对电容 C 充电，把一部分磁能转化为电容中 的电场能。当电感电流下降到某一较小的数值时，电容 C 开始对负载 放电，以维持负载所需的电流。当电路工作于稳态时，负载电流在一 个周期内的初值与终值为相等的(下面插入图片4.3.2)式中起始值 ILP为 V 截止前流过的电流。t=toff时，V 截止，L 中的电 流下降到最小值 当电路工作在稳态时，联系上式解得：由以上分析可得，负载电压的

11、平均值为:上式中， ton为 V 处于导通状态的时间，toff为 Q 处于断开状态的时间； T 为开关周期，即 T=ton +toff；D 为导通占空比，即 D=ton/T；V1 为电 源电压。由该公式可知，负载电压的平均值 V2 的大小由导通占空比 和电源电压决定。在电源电压不变的情况下，其大小可由调节占空比 来改变，且随着占空比的增大而增大，随着占空比的减小而减小 由于占空比 0D1，即 V2V1，输出电压小于输入电压，因此将该电 路称为降压斩波电路。 负载电流平均值为： IO= R V2 上式中，R 为负载电阻。若负载中的 L 的值较小，则在 Q 关断后，可 能会出现负载电流断续的情况。

12、为了保证电流连续，要求串接的电感 L 值足够大 MOSFET 在开通与截止下的电感电容波形图： 4.4 主电路参数分析 主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、MOSFET、二极管、电感、 电容、电阻的确定，其参数确定如下： (1) 电源 要求输入电压为 42V。 (2)电阻 因为当输出电压为 12V 时，输出电流为 3A。所以由欧姆定 律 R=U0/I0,可得负载电阻值为 4 欧姆.(3) MOSFET 由图 4.3.2 易知当 MOSFET 截止时，回路通过二极管续流， 此时 MOSFET 两端承受最大正压为 42V；而当=1 时，MOSFET 有最大 电流，其值为 3A。故需选择 Vds

13、s=100V，Id=9.2A 的 IRF520 (4) 二极管 其承受最大反压 42V，其承受最大电流趋近于 3A，考虑 2 倍裕量，故需选择 UN84V，IN6A 的二极管,选用 MUR820 (5)电感 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 D= 12V/42V=0.29 (6)开关频率 f=100KHz (7)电容 设计要求最大输出纹波电压 50mV.) 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 12V，则电容的耐压值为 15V。第五章 控制电路 5.1

14、 控制电路设计方案选择 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 MOSFET 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，

15、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。 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4.1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。 5.2 SG3525控制芯片介绍（1） 工作电压范围：8-35v。 （2） 5.1V 微调基准电源 （3） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。（4） 具有振荡器外部同步功能 （5）死区时间可调。 （6） 内置软启动电路。 （7） 具有输入欠电压锁定功能。 （8） 具有 PWM 锁存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）：M