BUCK变换器的研究与设计-理工大学

./目录TOC\o"1-3"\h\u10174摘要250951设计目标与解决方案3241591.1设计目标327011.2解决方案3312192直流稳压电源设计4194292.1电源设计原理4168462.2参数计算4307873降压斩波主电路设计5148543.1BUCK电路工作原理5318173.2电路分析7148583.3主电路参数讨论9249873.3.1占空比D9156403.3.2滤波电感Lf956343.3.3滤波电容Cf10254263.3.4IGBT的选取11257703.3.5续流二极管D的选取1142184控制电路原理与设计11313394.1PWM控制的基本原理与波形11157834.2SG3525控制电路设计13218165驱动电路原理与设计14321016小结与体会1616427参考文献1728197附录18摘要直流-直流变流器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,包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路称为斩波电路,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,这种情况下输入与输出之间不隔离,本次实验主要研究降压变压器。首先要产生要求的直流电源,可根据降压变压器的原理,使该交流电通过变压器、二极管进行整流,再通过滤波电路进行滤波得到所需的稳定电压。斩波电路使用全控型器件IGBT,通过控制IGBT的通断来实现降压变流。IGBT的驱动电路使用芯片EXB841,通过改变占空比来调节输出电压。SG3525系列脉宽调制器控制电路产生PWM控制信号,所谓PWM控制就是依靠脉冲宽度的改变来控制输出电压的大小,通过改变周期的大小来控制开关频率。关键词：降压斩波电路直流电压源PWM脉宽调制BUCK变换器的研究与设计1设计目标与解决方案1.1设计目标设计一个BUCK降压变换器,其输入电压为20~30V,输出电压为15V,输出负载电流X围0.1~1A,工作频率为50KHz2%,输出纹波电压≤100mv。报告要求包括直流供电电源设计、降压斩波主电路设计、脉宽调制电路设计、分析PWM控制原理与波形。1.2解决方案根据本实验的要求需要设计一个输出为20~30V的直流稳压电源,此部分内容先由降压变压器对电压进行控制,然后采用桥式整流电路将交流转化为直流,然后将直流进行滤波与稳压,输出得到恒定电压为20~30V的直流电压源,此输出可作为降压斩波主电路的输入。利用降压斩波电路进行设计,所涉与电力电子原理知识的直流斩波部分,可以参见所学课本第五章,所选用的全控型器件为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。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。将电路进行仿真得到相关波形,与理论得到的结果相比较,并进行相关调试,获得最佳效果,总电路原理框图如图1-1所示。220v15v20-30vSG3525脉宽调制器BUCK主电路直流稳压电源220v15v20-30vSG3525脉宽调制器BUCK主电路直流稳压电源EXB841驱动电路EXB841驱动电路图1-1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,其原理框图如图2-1所示：图2-1直流稳压电源原理框图稳压电源如下图2-2所示,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T=20ms是50KHz交流电压的周期。图2-2直流稳压电源电路图2.2参数计算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,对本次课程的直流电源进行设计,输出电压为。最大输出电流假设为1A,则由可知：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,变压器原边输入功率,所以选用功率为300W的变压器。再选用整流二极管和滤波电容,由于：,。IN4004的反向击穿电压,额定工作电流,故整流二极管选用IN4004。由于电路对纹波无要求,而电容的耐压要大于,故滤波电容C取容量为500μF,耐压为300V的电解电容。3降压斩波主电路设计3.1BUCK电路工作原理图3-1BUCK降压电路图降压斩波电路〔BuckChopper〕的原理图如上图3-1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。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D,该管在IGBT处于关断时起到续流作用,负载通过电感电流继续供电。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。若负载中无反电动势时,只需令Em=0即可。电流连续时的电路工作波形如下图3-2所示：图3-2电流连续时波形图由图3-2中的V的栅射电压波形可知,在t=0时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压=E,负载电流按指数曲线上升。当t=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图3-3电流断续时的波形图若负载中的L值较小,则在V关断后,到了时刻,如上图3-3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,负载电压平均值会降低,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：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〕。保持开关导通时间不变,改变开关周期T,称为频率调制。和T都可调,使占空比改变,称为混合型。本次设计电路采用PWM方式控制IGBT的通断。3.2电路分析电力电子电路实质上是分时分段线性电路,基于这一思想可以对降压斩波电路进行解析。IGBT处于导通期间,此时的原理如图3-4所示：图3-4IGBT导通时电路图IGBT处于关断期间,此时的原理图如图3-5所示：图3-5IGBT关断时电路图在器件V处于导通期间,设负载电流为,可列写如下方程：设此阶段电流初始值为,,解上式得在V处于段态期间,设负载电流为,可列写如下方程设此阶段电流初始值为,解上式得当电流连续时,有即V进入通态时的电流初值就是V在断态阶段结束时的电流值,反过来,V进入通态时的电流初值就是V在通态阶段结束时的电流值。根据上述方程式可得出式中,；。由图可知,和分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把式和式用泰勒级数近似,可得上式表示了平波电抗器L为无穷大,负载电流完全平直时的负载电流平均值,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。由于L为无穷大,故负载电流维持为不变。电源只在V处于通态时提供能量,为。从负载看,在整个周期T中负载一直在消耗能量,消耗的能量为。一个周期中,忽略电路中的损耗,则电源提供的能量与负载消耗的能量相等,即则与上述结论一致。在上述情况中,均假设L值为无穷大,且负载电流平直。在这种情况下,假设电源电流平均值为,则有：其值小于等于负载电流,由上式得即输出功率等于输入功率,可将降压斩波器看作直流降压变压器。3.3主电路参数讨论3.3.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求与Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化X围：3.3.2滤波电感Lf变换器轻载时,如果工作在电流连续区,那么为了保持一定的输出电压,占空比大为减小,也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和,变换器的输出将出现失控或输出纹波加大,因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以,以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感,即。在Q关断时,由公式得：由Lf≥Lf<min>,取Lf=120uH。3.3.3滤波电容Cf〔1〕滤波电容量Cf计算在开关变换器中,滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout<p-p><100mv。若设,即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量,电容在时间间隔内充放电,电容充电的平均电流：电容峰峰值纹波电压为：因此得：取,D=0.5时,Cf的值最大。即：由Cf≥Cf<max>得,取Cf=50uF。〔2〕滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值,一般比输出电压的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。由于最大输出电压为15V,则电容的耐压值为15V。〔3〕滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量Cf=31.25uF,耐压值为15V,留有一定的裕量,则选取50uF/50V电容。3.3.4IGBT的选取该电路的输入电压是20V-30V,则开关管耐压值为45V,电流的最大值为,其开关频率为,因此选用的IGBT,其额定值为。3.3.5续流二极管D的选取故应该选择额定电压为150V,额定电流为1A的续流二极管。4控制电路原理与设计4.1PWM控制的基本原理与波形PWM脉宽调制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形〔含形状和幅值〕。通过改变脉冲宽度来控制输出电压,通过改变周期来控制其输出频率,而输出频率的变化可以通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样的话,调压和调频配合在一起,加快了调节速度,改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电,可用不可控整流器取代相控整流器,使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上自关断能力,开关频率大幅度提高,输出波形可以非常接近正弦波。PWM基本原理：脉冲宽度控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需波形。也就是说在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波或所需波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规律对各脉冲的宽度进行调试,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。图4-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图4-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形以正弦PWM控制为例,把正弦半波分成N等份,就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于π/N,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果上述冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积〔冲量〕相等,就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度按正弦规律变化的。根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。可见,所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。图4-3用PWM波形代替正弦4.2SG3525控制电路设计PWM脉冲控制芯片SG3525是电压控制型PWM控制器,所谓电压控制型脉宽调制器是按照接反馈电压来调节脉宽的。控制电路使用PWM控制芯片SG3525来产生开关控制信号。其原理图如下图4-4所示：图4-4PWM控制原理图和工作波形反馈信号接误差放大器的同相输入端,给定信号接误差放大器的反相输入端,与产生误差信号与锯齿波比较既产生开关控制信号,用于控制主电路IGBT的通断。当误差信号增大时,开关控制信号的矩形波占空比就会增大。主电路IGBT的开通时间就会增长,输出电压平均值就会随之增大。减小,开关控制信号的占空比也减小,输出电压平均值就会随之减小。芯片SG3525的引脚图如图4-5所示：图4-5SG3525引脚图1号脚是误差放大器反向输入端。在闭环系统中,该引脚接反馈信号。在开环系统中,该端与补偿信号输入端〔9号脚〕短接,可构成跟随器。2号脚是误差放大器同向输入端,该端接给定信号。接电位器后与16号脚相接。开环下,调节2号脚的电位器可调节PWM波形的占空比。闭环下,2号脚与9号脚接补偿器。6号脚是振荡器定时电阻接入端,该脚的电位器用于调节开关频率。9号脚是PWM比较器补偿信号输入端。开环下与1号脚短接,闭环下接补偿器的输入端。13和15号脚接偏置电源,该端电源输入电压不可超过超过20V,否则驱动IGBT时可能将IGBT的门极烧坏。11和14脚则为开关信号的输出端。两端波形相位相差180度,为互补输出端。图4-6SG3525脉宽调制器控制电路综上SG3525系列脉宽调制器控制电路如上图4-6所示。调试电路,得到SG3525芯片的5号脚出现锯齿波,11和14脚出现方波。由本组实验要求,Vg=25V,V0=15V,则可推出需要的PWM波形的占空比α=0.6。调节2号脚电位器直至11号脚的占空比α=0.6,调节6号脚的电位器直至开关频率为50KHZ。5驱动电路原理与设计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。针对题目条件,我选取EXB841驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性,其功能完善,控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。如图5-1所示,其工作电源为独立电源20±1V,内部含有-5V稳压电路,为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压,关断时提供-5V的偏置电压,使其可靠关断。当脚15和脚14有10mA电流通过时,脚3输出高电平而使IGBT导通；而当脚15和脚14无电流通过时,脚3输出低电平使IGBT关断；若ICBT导通时,若承受短路电流,则其电压Vce随电流的增大迅速上升,脚6悬空,脚3电位开始下降,从而逐渐关断IGBT。图5-1EXB840内部结构图利用EXB840驱动芯片可画出其驱动电路原理图如下图5-2所示：图5-2驱动电路原理图6小结与体会本次电力电子课程设计,我的任务是BUCK变换器的研究与设计,主要考察对降压斩波电路的掌握以与脉冲调制器的设计。首先根据题目所给的条件与要求对整个电路设计进行分块,主要包括直流电压源、BUCK斩波电路、脉宽调制电路以与驱动电路的设计。设计电路的时候,以模块的形式设计出各部分,已完成某一功能,然后再将这些模块组合在一起,已达到题目所给的要求。各部分相互独立,却又相互影响,相互制约,由简单到复杂,从而构成一个整体。第一,要产生要求的直流电源,可根据降压变压器的原理,使该交流电通过变压器、二极管进行整流,再通过滤波电路进行滤波得到所需的稳定电压。第二,在主电路中,直流稳压电源部分输出20-30V的直流电供给BUCK电路,在BUCK主电路里,负载输出恒定为15V,全控型器件选用IGBT。第三,IGBT的驱动电路使用芯片EXB841,通过改变占空比来调节输出电压。第四,SG