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1、BUCK变换器的研究与设计1总体分析与解决方案1.1问题的提出与简述电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。 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
2、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，不包括直流交流直流的情况，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。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。其中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GTR的复合器件。
3、它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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，因此发展很快。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。IGBT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
4、和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。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:（1）系统损耗的问；2）栅极电阻；（3）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。 1.2设计目的及解决方案 任务的要求是需要设计一个输出为2030V的直流稳压电源，此部分内容由以前所学模拟电路知识可以解决。然后对降压斩波主电路进行设计，所涉及电力电子原理知识的直流斩波部分，可以参见所学课本第三章，所选着的全控型器件为IGBT。任务还需要通过PWM方式来
5、控制IGBT的通断，查阅相关资料，需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。电路需要使输出电压恒定为15V，采用电压闭环，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM信号，达到负反馈稳定控制的目的。得到电路的原理框图如下：图1 总电路原理框图2直流稳压电源设计2.1 电源设计原理 小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如下所示：图2 直流稳压电源原理框图图3 直流稳压波形图 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。电源变压器的效率为： ，其中：是变压器副边的功率， 是变压器原边的功率
6、。一般小型变压器的效率如表1 所示：表1 小型变压器效率因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压U2变换成脉动的直流电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压U2的有效值的关系为：；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：；流过每只二极管的平均电为： ，其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足： , 其中：T = 20ms 是50Hz 交流电压的周期。由于输入电压U1发生波动、负
7、载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI 稳定不变，还需加一级稳压电路。本次设计按照任务要求，选定稳压器为可调式。可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317，系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337 系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2-37V，最大输出电流Iomax =1.5A，输入电压与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3-40V。2.2 稳压源的设计方法 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输
8、出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式，步骤如下：1） 根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1 查出变压器的效率，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。2） 确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压和滤
9、波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。依据上述设计步骤，对本次课设的直流电源进行设计，输出电压为2030V。集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：Uo =1.2-37V，最大输出电流Iomax为1.5A。由于CW317 的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值。故CW317的输入电压范围为：即： 变压器副边电流：，因此，变压器副边输出功率：由于变压器的效率 = 0.8，所以变压器原边输入功率 ，为了留有余地，选用功率为50W的变压器。接着选用整流二极管和滤波电容，由于：，。IN4001 的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4
10、001。由于电路对纹波由要求，输出纹波电压：100mv，选定稳压系数，根据以及公式 ，可以求得：所以，滤波电容： 电容的耐压要大于=42.4V，故滤波电容C取容量为470uF，耐压为50V的电解电容。2.3 稳压电源的安装与调试通过上述稳压电源的设计，得到了所需直流稳压电源电路图如下所示：图4 直流稳压电源电路图在图中取C1=0.01uF，C2=10uF，C0=1uF，二极管用IN4001，在电路图中，R1和Rw组成输出电压调节电路，输出电路，取120240，流过的电流为510mA。取为240，则由可以求得，=，故取为10k的精密线绕电位器即可实现电压输出为20-30V的直流电。通过示波器测试
11、输出电压波形，发现输出纹波电压1A，反向击穿电压Bvceo30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。4)对于二极管的选择，当=1时，其承受最大反压30V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。5)主电路的设计除了要选择IGBT和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值L很大。4控制电路原理与设计4.1控制电路稳压15V直流电运算放大器和SG3525芯片需要15V的工作电压。如图12所示，先用变压器将220V降压为22V的交流电，再经过桥式整流得到直流电压。通过滤波电容滤波后，用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。其中,电容C1=100uF并且耐压50V，三端集成稳压器型号为7815。选择二极管型号为IN4
