DCDC变化电路课程设计

1、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：任务书下达日期设计完成日期2014年12月22日2015年1 月2日设计 内 容与设计要求设计内容：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。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；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

2、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；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: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:答辩及资料整理目录第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

3、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18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/DCffi DC/DG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

4、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/DCE换器发生了质得变化和飞跃。美国 VICO心司设计制造得多种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效率为（80 90） %日本 NemicLambd必司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电 源模块RMI（列，其开关频率为200 300K

5、Hz,功率密度已达 27W/cm3采用同步整流器（MOS-FE就替肖特基二极管），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双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET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MOSFE节功率晶体管之间，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。GBT降压斩波电路由于易驱动，电压

6、、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。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所示图1在上图1结构框图中，控制电路是通过 SG3523A5片用

7、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。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BUC解压电路作为主电路，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 品

8、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!路图如下所示：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，若采用品闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图 2中， 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 VQ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，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Vge

9、*ttt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时刻驱动VT导通，电源E向负载供电，负载电压U0=E,负载电流i 0按指 数曲线上升。当t=L时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管 VD续流, 负载电压Uo近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流 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Uo = 0Ui TUi =： Uit on t off Tt0n为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开 关周期；a为导

10、通占空比通过调节占空比a使输出到负载的电压平均值U。最大为E, 若减小占空比a,则Uo随之减小。由此可知，输出到负载的电压 平均值Uo最大为Ui ,若减小占空比a ,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 BUC破换器(Buck Converter ) o负载电流平均值为,Uo - Em10 二若负载中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U。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

11、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ton ,称为脉冲宽 度调制(Pulse Width Modulation,PWM )或脉冲调宽型。2)保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T,称为频率调制 或调频型。3) ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。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100M(2)电阻 因为当输出电压为20V时，假输出电流为20A。所 R "以由欧姆定律可得负载电阻值为1欧姆。(3)IGBT由图

12、3易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流， 此时IGBT两端承受最大正压为100V;而当口 =1时，IGBT有最大 电流，具值为5A。故需选择集电极最大连续电流Ic=10A,反向 击穿电压Vceo = 20(V的IGBT,而一般的IGBT都满足要求。(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Un2200V , In之20A的二极管。(5) 开关频率f=5KHz。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

13、控制方式来控制IGBT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，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。INT J,HFUT |THL. INPUT |TSWC | 3 osc-oupirrlTCT 5RT 6DISCHARGE 793FT-START S161 VREF 同+ H OUTPUT Bij Vc 回 GROUND11 OUTPUT A回 SHUTDOOT| MPEUSATrOM图4

14、 SG3525A弓唧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、CPL/等来输出PWMS,也可以通过特 定的PWMt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PWMt生芯片来进行连续控制。对于PWM：生芯片，我选用了 SG3525A5片，其引脚图如图 4所示，它是一款专用的PWM6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C(0. 7R3Rd)式中：Ct, Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻； Rd是与脚

15、7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为 5kHz,所以由上式可取 Ct =0.01 f F, Rt= 5kC,Rd=3kG。可得 f=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

16、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 发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的 占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压 减小从而稳定了输出电压。调节变位器使得 1端得到不同的基准 电位，控制输出脉宽的占空比，使得输出电压为50-80V范围。第5章驱动电路5.1 驱动电路方案选择IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直 接驱动IGBTo因此需要将信号放大。另外直流斩波电路会产生很 大电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致器件的损坏。 因而设计中还要有带电气隔离的部分。驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个

17、系统变流的成败。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的 驱动脉冲。2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取 +15 V左 右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限 电压一般为土 20 V,驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时 间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现 IGBT的软关断。 驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。在这里我选用集成芯片EXB841来做驱动电路。5.2 集成驱动电

18、路芯片介绍EXB841芯片是单列直插式结构，主要由以下几个部分组成：1）光耦合器，传输控制信号并实现电隔离。2）信号放大器。3）输出推挽电路，实现功率放大。4）负偏电压产生电路，产生IGBT关断所需要的负偏置电压。5）过电流保护电路，实现过电流检测和保护功能。其功能框图如图6所示，各引脚的功能见表1。图中3脚 为驱动的输出端，通过电阻Rg接被驱动的IGBT的栅极；4脚 用于外接电容，防止电流保护电路的误动作；5脚为过电路保 护电路的输出信号，低电平有效；6脚接IGBT的集电极，通 过检测Uce的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大，从而进行自动保护。引脚号功能引脚号功能1与用于反向偏置电源的

19、滤波电容连接7、8悬空2电源（+20V9电源地3驱动输出端10、11悬空4用于连接外部电容，以防止过流保护 电路的误动作（绝大部分场合不需要 此电路）14驱动信号输入（-） 端5过流保护输出端15驱动信号输入（+） 端6集电极电压输出端图6EXB84T集成百7功能程图1第6章保护电路6.1 过电压保护当达到一定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电 路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会 加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容 并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不 能突变的特性，可以有效地抑制电路中

20、的过压。与电容串联的电 阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振 荡，过电压保护电路如图7所示。v|图7 RC阻容过电压保护6.2 过电流保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过 电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现 过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交 流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子 器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保 护。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。如图1在主电路用接一个快

21、速熔断丝。对驱动电路而言EXB841集成块的内部有很好的保护措施。第7章调试与仿真7.1 仿真软件的介绍此次仿真使用的是MATLA歆件。c是MATLAER重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、 仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序， 而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、 效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于 控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三 方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。Simulink是MATLA呻的一种可视化仿

22、真工具，是一种基于 MATLAB勺框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一 个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数 字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离 散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系 统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动 态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接 口 (GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它 提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系 统的仿真结果。Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真

23、和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信 号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形 化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 .构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了 Simulink多领 域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应 工具。Simulink与MATLAB&reg紧密集成，可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本 的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。7.2 仿真L=1mH R=0.5 欧姆L=10mH R=0.5 欧姆第8章总结回顾这两周的电力电子课程设计，感慨颇多。在这两周从刚开始 的一脸茫然到慢慢的在老师和同学的帮助下，再结合自己在网上 寻找的资料，