降压型BUCKDC-DC电路的设计与制作设计报告

1、课题三：降压型（BUCKDC-DC电路的设计与制作姓名：学号：得分：一、实验目的1）.学习和了解DC-D陵换电路的特点；2）,掌握降压型（BUCKDC-DOfe路的结构和工作原理；3）.熟悉强、弱电电路的隔离应用；4）,培养电子电路的设计能力和基本应用技能。二、课题任务1）设计参数要求：DC-DC主电路输入电压V=12Y输出电压：Vo=5V;输出电流：Ic=1A;输出电压纹波峰-峰值Vpp050mV即纹波01%额定输出功率R=5W2）PWMg动信号：PWM®区动信号频率fs=20kHz;PWM1动信号占空比可调；3）驱动电路：驱动电路应为单端输入、双端浮地输出。5）撰写完整的实习报告

2、。三、实验原理BUCK1路就是降压电路，开关S闭合的时候，VD二极管承受负压关断，电感充电，电流正向流动，电流值呈现指数上升趋势。开关S断开的时候，VD二极管起续流作用，电感开始放电，电流逐渐下降，通过负载和二极管回到电感另外一端，短暂供电。这样电压就能降低。实际使用的时候，S开关是通过MOSFE或者IGBT实现的，输出电压等于输入电压乘以PWMS的占空比。开关电源总的来分有隔离型和非隔离型电路。所谓非隔离型电路是根据电路形式的不同，可以分为降压型buck电路、升压Boost型电路、升降压Buck-Boost型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路、Zeta型电路。我们这里主要分析降压型DC

3、-DC专换器的工作原理，Buck电路如图1所示。图中功率MOSFET开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件；开关截止时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。控制电路输出信号使开关管VT导通时，滤波电感L中的电流逐渐增加，因此贮能也逐渐增大，电容器C开始充电。忽略MOSFE的导通压降，MOSFET极电压应为Uin。图1降压变换器原理图当施加输入直流电压U后，降压型电路需经过一段较短时间的暂态过程，才能进入到稳定工作状态。在稳态工作过程中，降压型电路存在着滤波电感电流连续模式（ContinuousCurrentMode,CCM和电感电流断续模式（Discon

4、tinuousCur-rentMode,DCM帆种工作模式。电感电流连续模式是指滤波电感L上的电流iL总是大于0,而电感电流断续模式是指在开关关断期间，有一段时间iL=0。下面就分别分析这两种工作模式。1.电感电流连续模式当电感电流连续时，Buck型电路在一个开关周期内经历两个开关状态，即开关导通t0t1和开关关断tlt2两个时间段，两种开关状态电路如图2所示（图中虚线表示该段电路在该时段没有电流流过）。图2Buck电路CCM模式下开关状态（a）S导通；（b）S断开在t0t1时段，如图2（a）所示，在t=t0时刻，开关S受激励导通，输入电压Ui通过开关S加到二极管VD输出滤波电感L和输出滤波电

5、容C上，二极管VD因承受反向电压而截止。开关S保持导通到t1时刻，流过开关S的电流is等于滤波电感电流iL0在这段时间内，加在滤波电感L上的电压为Ui-Uo,由于Ui>Uo,这个电压差使电感电流iL线性上升，于是有（式3-1）当t=t1,At1=t1-t0=toniL的增量为U-RJLj时，iL从最小值iLmin线性上升到最大值iLmax,U-U1fDTL（式3-2）式中：D=ton/T,称为占空比；ton为开关S的导通时间。在t1-t2时段，如图2(b)所示，在t=t1时刻，开关S关断。由于在t0t1时段滤波电感L储能，电感电流iL通过续流二极管VD继续流通。在这段时间内,加在滤波电感

6、L两端的电压为-Uo,电感电流iL线性减小。当t=t2,At2=t2-t1=toff时，iL最大值iLmax线性减小到最小值iLmin,iL的减小量为直到t2时刻，开关S再次受激励导通，开始下一个开关周期。(式3-3)对应于一个开关周期T的两个时段t0t1和t1t2内，电路中主要电压和电流波形，如图3所示。()图3Buck型CCM莫式下相关波形图从图3可以看出，开关S导通期间，电感电流iL的增量AiL+等于开关S关断器件电感电流iL的减小量iL-,即AiL+=iL-。将式(3-2)、式(3-3)代入，得至UUo=DUi(式3-4)式(3-4)表明，Buck型电路输出电压与占空比D成正比，且占空

7、比总小于1,因此输出电压总是小于输入电压，这也是其成为降压型变换电路的原因所在，改变占空比即可输出电压。忽略电路损耗，输入功率与输出功率相等，即Pi=Po(式3-5),因此有UiIi=UoIo(式3-6),结合式(3-4),得到Ii=DIo(式3-7)四、控制电路方案选择(a)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：其控制方式可米用以下3种：(1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton,即脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)*式。(2)保持开关导通时间tun不

8、变，改变开关周期T,即脉冲频率调制(PulseFre-quencyModulation,PFM)J式。(3)ton和T都可调，即混合调制方式。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWMI制技术应用最为广泛，所以采用PWM6制方式来控制IGBT的通断。PWME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。品二限电端I图4SG3525引脚图(b)除了使用上述的SG352殷计PWM&

9、号发生电路外，还可以使用555定时器设计PWM1号发生电路。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，一般用双极性工艺制作的称为555,用互补金属氧化物工艺制作的称为7555。555定时器通过外接电阻电容可发出占空比与频率可调的PWM1号，555定时器的芯片管脚图如图5所示，其作为PWM1号发生电路时的电路结构图如图6所示。图6555定时器作为PWMt号发生电路综合方案a与方案b,由于555定时器成本更加低廉，体积更小，调节PWM信号占空比，更改PWM&号频率更为方便，因此可采用方案b作为本课题的PWM信号发生电路。五、驱动电路方案选择IGBT是电力电子器件，控制电路产生

10、的控制信号一般难以以直接驱动IGBTo因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。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。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几占八、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。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V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）

11、具有栅压限幅电路，彳护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20V,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。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案1:采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。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，具对脉冲信号有1us的时间滞

12、后，不适应于某些要求比较高的场合。方案2:采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，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，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。对于方案1可以用EXB841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片10端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。六、仿真及试验根据上述分析

13、，用protues搭建仿真电路如下,图7系统原理图PWM&号发生电路产生的20kHz的PWM&号如图8所示,ClhihhdCChannelB图820kHzPWMM号驱动电路产生的双端驱动信号如图9所示，DigitalOscilloscope图9驱动电路产生的双端驱动信号BUCKI路的输入与输出信号波形如图10所示，其中，蓝色为输入信号，红色为输出信号，图11BUCK电路的输入输出信号具体值观察图11可知，所设计BUCK路的卒&入为12V,输出为5V左右，基本满足课题要求。七、元器件清单表1元器件清单厅P品名规格/型号数量备注1BJT三极管2N3903(NPN)3无2BJT三极管2N3905(PNP)1一无3二极管无9无4电阻RJ265/0.25W1无5电阻RJ735/0.25W