《电力电子技术》课程设计说明书-Buck变换器的研究与设计.doc

武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 目录摘要2buck变换器的研究与设计31 总体方案设计31.1电路简述31.2设计要求及解决方案31.3设计总体原理框图42直流稳压电源的设计42.1电源设计原理42.2电源设计分析43降压斩波主电路设63.1 buck电路工作原理63.2 主电路参数讨论84控制电路原理与设计94.1控制电路方案选择94.2控制电路原理图及工作原理104.3 pwm控制原理与波形114.4驱动电路125 保护电路的原理与设计125.1过电压保护125.2过电流保护136总结与体会14参考文献15附录16摘要 随着电子技术的不断发展，电子设备功能日趋完善，对电源的要求也越来越高，由于具有高集成度高性价比、外围电路简单、高效率等优点，单片开关电源已经广泛应用于众多便携式电子产品中。 直流-直流交变电路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，也称为直流斩波电路。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。 关键词： 电子技术 电源 斩波 调制 buck变换器的研究与设计1 总体方案设计1.1电路简述 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。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。1.2设计要求及解决方案1）设计一个输入为家庭电源220v交流电，输出为20-30v的直流稳压电源，根据前面模拟电路所学的内容，采用相应的芯片就可以满足所需要求。2）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，可以参见电力电子课本第三章，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。3）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，调节不同的脉冲宽度可以得到稳定的15v输出，达到负反馈稳定控制的目的。buck主电路直 流稳 压电 源sg3525脉宽调制器 ex841驱动电路 图1 buck电路总框图1.3设计总体原理框图 根据设计要求，作出所要求的总体原理框图，如图1所示。2直流稳压电源的设计2.1电源设计原理 直流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，其原理框图如图2所示，直流稳压电源设计图如图3所示。变 压电 路整 流电 路滤 波 电 路稳 压电 路 + + + + _ _ _ _ _ 图2 直流稳压电源原理框图 图3 稳压电源电路图2.2电源设计分析 在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流桥，整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，得到平滑的直流电压。与交流电压的有效值的关系为：；在整流电路中，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流为: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： , 其中是交流电压的周期。为了使输出电压稳定，满足设计要求，需加稳压电路，以克服输入电压发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压会随着变化。选定稳压器为可调式输出正电压的cw317三端稳压器，稳压器输出电压的可调范围为，最大输出电流，输入电压与输出电压差的允许范围为：。 对本次课设的直流电源进行设计，输出电压为20-30v。集成稳压器选用cw317，其输出电压范围为：，最大输出电流为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in4001。电路对纹波由要求，输出纹波电压小于等于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，滤波电容c取容量为470uf，取50v的电解电容。 在图3中取，二极管用in4001，电路中r1和rw组成输出电压调节电路，输出电压，流过电流为。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的直流电。通过示波器测试输出电压波形，发现输出纹波电压小于100mv，满足设计要求。3降压斩波主电路设 3.1 buck电路工作原理 图4 buck电路原理图 降压斩波电路（buck chopper）的原理图如图4所示。该电路使用一个全控器件v，图中为igbt，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需要设置使晶闸管关断的辅助电路。在图4中，为在v关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管vd。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势em，若反电动势为零，则可以不画，图中em=0,电路的工作波形如图5所示。 图5 buck电路工作波形图由图5中的v的栅射电压波形可知，在时刻驱动v导通，电源e向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。当时刻，控制v关断，负载电流经二极管vd续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接l值很大的电感。至一个周期t结束，再驱动v导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，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 ；式中，为v处于通态的时间；为v处于断态的时间；t为开关周期；为导通占空比。由此式知，输出到负载的电压平均值最大为e，若减小占空比，则随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。负载电流的平均值为 ，若负载中的l值较小，则在v关断后，到了时刻，如图7所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压平均值会被抬高，一般不希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，称为脉冲宽度调制（pwm方式）。2） 保持开关导通时间不变，改变开关周期t，称为频率调制。3） 和t都可调，使占空比改变，称为混合型。3.2 主电路参数讨论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，其参数确定过程如下。1）对于电源，因为题目要求输入电压为，且连续可调。其直流稳压电源模块的设计已在前面完成，直流稳压电源作为系统电源。2）电阻的选择。因为当输出电压为15v时，输出电流为。所以由欧姆定律可得负载电阻值为 ，可得到电路电阻应该在。3)对于igbt的选择，由图5易知当igbt截止时，回路通过二极管续流，此时igbt两端承受最大正压为30v；而当时，igbt有最大电流，其值为1a。故需选择集电极最大连续电流，反向击穿电压的igbt。而一般的igbt基本上都可以满足这个要求。4)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)电感l的值取无穷大。4控制电路原理与设计4.1控制电路方案选择igbt控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；对电流反馈信号进行放大处理，并根据反馈、给定信号调节电子开关控制信号的脉宽；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。图6 sg3525引脚图图7 sg3525内部结构实际控制电路的设计有很多种方法，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、电流连续可调，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，选用sg3525芯片，其引脚图如图7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。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构成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。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。4.2控制电路原理图及工作原理由于sg3525的振荡频率可表示为 ： 式中 ,分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为50khz，所以由上式可取=1,= ,=。可得f=49.02khz，基本满足要求。图8控制电路部分电路图sg3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。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，如图11所示。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。4.3 pwm控制原理与波形 本次课程设计采用的是pwm方式控制全控型器件igbt的通断，主要使用的是脉宽调制器sg3525产生pwm波形，在电路设计时，由于输出电压ui是20-30v的直流可调电压，而输出是15v的恒定电压，电路需采用电压闭环的方式设计；于是我考虑到使用负反馈的思想，通过电路输出电压的大小，反馈给脉宽调制器sg3525，脉宽调制器sg3525通过反馈来的电压值来产生pwm波形，而反馈电压值的大小决定了pwm波形的脉宽，从而实现igbt的通断。pwm原理波形如图13所示。 在电路设计中，脉宽调制器sg3525的正向输入端1接入载波信号，为三角波；在其反向输入端2接入主电路输出电压，即为信号波。sg3525通过这2个端口的电压值比较产生pwm控制信号，可以设定好三角波的幅值以及斜率，例如当主电路输入电压为30v时，此时的占空比应该为0.5；当输入电压为20v时，此时的占空比应该为0.75。而输出电压恒定为15v，当输出电压高于这个值时，产生的pwm信号脉宽会减小，从而占空比减小，输出电压降低；当输出电压低于这个值时，产生的pwm信号脉宽会增加，从而占空比加大，输出电压增加，最终维持在15v恒定的水平，达到了设计的要求。 t t 图9 pwm方式波形图4.4驱动电路该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。该部分主要需完成以下几个功能：1) 提供适当的正向和反向输出电压，使igbt可靠的开通和关断；2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使igbt能迅速建立栅控电场而导通；3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。 采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源采用芯片exb841。其提供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。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，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。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，又有一些全控器件专用的驱动芯片，其内部集成了光耦电路,此方案使用方便。5 保护电路的原理与设计5.1过电压保护 对于igbt开关速度较高，igbt关断时及fwd逆向恢复时，产生很高的，由于模块周围的接线的电感，就产生了电压.关断浪涌电压关断浪涌电压，因igbt关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压，抑制方法的方法主要有：1） 在igbt中装有保护电路（缓冲电路）可吸浪涌电压。缓冲电路的电容， 采用膜电容，并靠近 igbt配置，可使高频浪涌电压旁路。2） 调整igbt的驱动电路的或，使最小。3） 尽量将元件靠近igbt安装，以减小分布电感，采用低阻抗型电容效果佳。4） 为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳。 在此基础上选择缓冲电路，由于缓冲电路的种类繁多， 在这里我选用rcd缓冲电路（如图10），作为对igbt的保护，其特点如下：1） 关断浪涌电压抑制效果好。2）与缓冲电路不同。因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大，因而避开了开通时能受到限制的问题。3）缓冲电路中的损耗（主要由缓冲电阻产生） 非常大，因而不适用于高频开关用途。 图10 保护缓冲电路图5.2过电流保护一旦发生短路，igbt的集电极增加到既定的值，则c-e间的电压急剧增加。根据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到一定数值以下，但是在igbt上还有外加的高电压，大电流的大负载，必须在尽量短的时间内解除。从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的原因主要有：1） 晶体管或二极管的破坏；2） 控制电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作；3）配线工作等人为失误以及负荷绝缘的破坏。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加fu熔断器来限制电流的过大，防止igbt的破坏和对电路中其他元件的保护。6总结与体会经过了一个学期的电力电子技术的学习，但是除了实验外并没有多少实际设计的机会，课程设计与理论课程和实验有着很大的区别，它是一个综合性很强的课程环节，也是我们所必须经历的一个学习阶段。在课程设计中，我们在学会学会理论知识的同时，还会加深自己对这门课程的理解，在这门课程设计当中，能学到一些软件的运用，结合一些其他课程，如protel等软件，通