《dc-dc变化电路课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《dc-dc变化电路课程设计（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、i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：DC-DC 变换电路分析专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2014 年 12 月 22 日设计完成日期 2015 年 1 月 2 日 ii设计内容与设计要求一 设计内容：1、 分析研究 BUCK 型 DC-DC 变换电路的工作原理；2、 用 MATLAB 对设计的电路进行仿真；3、 参考仿真分析结果，依据理论推导电路主要元件参数；4、 完成报告撰写。二 设计要求：1 设计思路清晰，给出各种情况下的整体设计框图；2 给出具体设计思路和电路；3 分析各电路的原理，并进行相应的仿真；4 写出设计报告；ii
2、i主要设计条件1、 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 每个电路总体思路，基本原理和框图；5 驱动电路设计分析（驱动电路电路图） ；6 电路实验、仿真等。7 分析总结；8 附录（完整电路图） ；9 参考文献；11、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:熟悉基本直流斩波电路星期三:分析计算 BUCK 斩波电路；星期四: 分析计算 BUCK 斩波电路；星期五: 设计研究 BUCK 斩波电路；第二周星期一: 设计研究 BUCK 斩波电路星期二：实验仿真、波形分析、参数计算等星期三四: 写设计报告，打印相关图纸；星期五
3、:答辩及资料整理 iv目录第 1 章 概述1第 2 章 方案确定2第 3 章 主电路设计4第 4 章 控制电路设计8第 5 章 驱动电路设计10第 6 章 保护电路设计12第 7 章 调试与仿真14第 8 章 总结17第 9 章 参考文献181第 1 章 概述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。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。开关电源分为 AC/DC 和 DC/
4、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。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts 不变，改变ton）和频率调制方式（ton 不变，改变 Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。当今世界软开关技术使得 DC/DC 变换器发生了质得变化和飞跃。美国 VICOR 公司设计制造得多种 ECI 软开关 DC/DC 变换器，最大输出功率有 300W、600W、800W 等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3
5、，效率为（8090）%。日本 NemicLambda 公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块 RM 系列，其开关频率为 200300KHz,功率密度已达27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET 代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到 90%。IGBT 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
6、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。GBT 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 IGBT 降压斩波电路的发展。2第 2 章 方案确定2.1. 课程设计目的 1、培养文献检索的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、通过对降压斩波电路的设计，掌握电路的工作原理，综合运用所学知识，进行 buck 电路和系统设计的能力4、培养
7、运用知识的能力和工程设计的能力。5、提高课程设计报告撰写水平。2.2 设计思路根据任务要求设计的降压斩波电路的结构框图如图 1 所示3控制电路( 保护电路 )驱动电路主电路图 1在上图 1 结构框图中，控制电路是通过 SG3523A 芯片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。4第 3 章 主电路设计3.1 主电路选择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
8、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。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。根据所学知识，BUCK 电路图如下所示：L RE mU 0V TV DE+-F U V DR C图 2 主电路图该电路使用一个全控型器件 VT，图中为 IGBT，也可以使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图 2 中
9、，为在 VT 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电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后 2 种情况下负载中均会出现反电动势，5如图 Em 所示。若负载中无反电动势时，只需使 Em =0，以下的分析及表达式均可适用。3.2 工作情况分析当电路正常工作时，波形如下:tOOOEOtttEMttTto nto f fioi1i2I1 0I2 0t1uoa ) b )OOTE Eto nto f fiotxi1i2I2 0t1t2uoV G E V G E图 3 斩波电路工作波形图如图 3(a)中 VT 的栅射电压 UGE波形所示，在 t=0 时刻
10、驱动VT 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u0=E，负载电流 i0 按指数曲线上升。当 时刻，控制 IGBT 关断，负载电流经二极管 VD 续流，1t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0u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 iiittUUTononof为 IGBT 处于通态的时间； 为处于断态的时间；T 为ont o开关周期； 为导通占空比。6通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值 最大为 E，0U若减小占空比 ，则 随之
11、减小。由此可知，输出到负载的电压0U平均值 Uo 最大为 U i，若减小占空比 ，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。也有很多文献直接使用其英文名称，称为 BUCK 变换器（Buck Converter）。负载电流平均值为 REUIM0若负载中 L 值较小，在 VT 关断后，到了 t2时刻，如图 3（b）所示，负载电流已经衰减至零，出现负载电流断续的情况。由图 3（a） （b）可见，负载电压 平均值会被抬高，一般不希0U望出现电流断续的情况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：1）保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 ，称为
12、脉冲宽ont度调制（Pulse Width Modulation,PWM）或脉冲调宽型。2）保持开关导通时间 不变，改变开关周期 T,称为频率调制ont或调频型。3） 和 T 都可调，使占空比改变，称为混合型。ont其中第 1 种方式应用最多。3.3 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 假定输入电压为 100V。7(2)电阻 因为当输出电压为 20V 时，假输出电流为 20A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为 1 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
13、大正压为 100V；而当 =1 时， IGBT 有最大电流，其值为 5A。故需选择集电极最大连续电流 = ，反向cIA10击穿电压 的 IGBT，而一般的 IGBT 都满足要求。VCEO20(4)二极管其承受最大反压 100V，其承受最大电流趋近于20A，考虑 2 倍裕量，故需选择 ， 的二极管。VUN20IN20(5)开关频率 f=5KHz。o0IUR8第 4 章 控制电路设计4.1 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。在这里我们采用 PWM 控制方式来控制 IGBT 的通断。PWM 控制就是
14、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 4 SG3525A 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。9对于 PWM 发生芯片，我选用了 SG3525A 芯片，其引脚图如图4 所示，它是一款
15、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。4.2 工作方式由于 SG3525A 的振荡频率可表示为 ：)37.0(1dtRCf式中: , 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻；tR是与脚 7 相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为d5kHz，所以由上式可取 =0.01F, = , = 。可得t tk5d3f=5kHz，满足要求。SG3525A 有过流保护的功能， 通过改变 10 脚电压的高低来控制脉冲波输出。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 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 端的变位器得到一个基准电位，从而当负载电位发生变化时
