BUCK变换器设计毕业设计.docx
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课程名称：
电力电子技术
题 目：
BUCK变换器设计
．设计目的
1）通过对Buck变换器电路的设计,掌握降压电路的工作原理,提高学生运用科学理论知识能力、工程实践能力
2）通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK
工具分析系统的基本方法。
二、设计内容：
1．电路功能介绍
1）电路由主电路与控制电路组成：
主电路主要环节：
整
流电路及保
护电路；控制电路主要环节：
触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。
2）主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。
3）系统具有完善的保护
2.系统总体方案确定
3.主电路设计与分析
1）确定主电路方案
2）主电路元器件的计算及选型
4.控制电路设计与分析
1）功能单元电路设计
2）触发电路设计
3）控制电路参数确定
5.仿真实验
根据所设计的系统，利用仿真软件MATLAB建立模型并对系
统
进行仿真，分析系统所得到的波形。
6、动手实践
在仿真所设计的系统的基础上，利用PROTEL软件绘出原理图
设计PCB印刷电路板，最后在电力电子实验室完成系统电路调试，分析所得到的结果。
一
，
三、 设计要求：
1.设计思路清晰，给出整体设计框图；
2.单元电路设计，给出具体设计思路和电路；
3.分析单元电路与总电路工作原理，给出仿真与实验结果波形；
4.绘制总电路图；
5.写出设计报告。
主要设计条件
1.设计依据主要参数
设直流电源电压为E=27±10%V，输出电压UR=15V，最大输出功率为120W，最小功率为10W。
晶体管导通饱和电阻为
Rsat=0.2W，保证整个工作范围内电感电流连续，输出纹波电压
DUo=100mV。
利用仿真软件搭建系统模型；在电力电子实验室对系统进行实验验证。
2.可提供实验与仿真条件
21
说明书格式
1.课程设计封面；
2.任务书；
3.说明书目录；
4.设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；
5.单元电路设计（各单元电路图）；
6.故障分析与电路改进、实验及仿真等。
7.总结与体会；
附录（完整的总电路图）；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:
总体电路方案确定
星期三:
主电路设计
星期四:
控制电路设计星期五:
控制电路设计；
第二周星期一:
控制电路设计
星期二：
电路原理及波形分析、实验调试及
仿真等
星期四~五:
写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:
答辩及资料整理
参考文献
1.石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社
1998
2.王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
3.浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
4.莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
5.郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
6.刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996
7.刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
8.刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
，
目 录
第一章 概述 6
1.1本课题在国内外的发展现状与趋势 6
第二章 Buck变换器设计总思路 7
2.1电路的总设计思路 7
2.2电路设计总框图 7
2.3总电路图 8
第三章 BUCK主电路设计 9
3.1Buck变换器主电路基本工作原理 9
3.2主电路保护（过电压保护） 10
3.3Buck变换器工作模态分析 10
3.4Buck变换器元件参数 12
3.4.1占空比D 12
3.4.2滤波电容Cf 13
3.5Buck变换器仿真电路及结果 14
第四章 控制和驱动电路模块 15
4.1SG3525A脉宽调制器控制电路 15
4.1.1．SG3525简介 15
4.1.2．SG3525内部结构和工作特性 15
4.2SG3525构成的控制电路单元电路图 18
4.3驱动电路设计 18
第五章 课程设计总结 19
第六章 附录 20
第七章 参考文献 21
第一章 概述
1.1本课题在国内外的发展现状与趋势
从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。
发热增多，体积缩小，难过高温关。
因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。
工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。
虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。
一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。
有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。
第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。
VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于
MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。
特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。
因此，其转换效率始终没有突破90%大关。
为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。
它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于
forward电路拓朴的有源箝位。
这使产品成本减低很多。
但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内
效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想。
为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。
其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。
所以实现了更高的转换效率。
它共有三个电路方案：
其中一个方案可以采用N沟MOSFET。
因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。
第二章 Buck变换器设计总思路
2.1电路的总设计思路
Buck变换器电路可分为三个部分电路块。
分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。
主电路模块，由MOSFET的开通与关断的时间占空比来决定输出电压
u。
的大小。
控制电路模块，可用SG3525来控制MOSFET的开通与关断。
驱动电路模块，用来驱动MOSFET。
2.2电路设计总框图
电力电子器件在实际应用中，一般是有控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
有信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。
因此，一个完整的降压斩波电路也应该包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致谢环节。
根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如下图所示。
控制电路（含保护电路）
主电路
驱动电路
2.3总电路图
第三章 BUCK主电路设计
3.1 Buck变换器主电路基本工作原理
Buck电路是由一个MOSFET开关Q与负载串联构成的，其电路如图
3.1。
驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导
通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。
电路的主要工作波形如图3.2。
图3.1Buck变换器电路
Ub
QOff
0
UA
t
0
iL
t
0
DiL
t
Vin
QON
图3.2Buck变换器的主要工作波形
3.2主电路保护（过电压保护）
本次设计的电路要求输出电压为15V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和期间，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。
以为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过电压保护。
当引脚
10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。
所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端实现电压保护。
，从而
过电压保护电路图如下所示：
3.3Buck变换器工作模态分析
在分析Buck变换器之前，做出以下假设：
①开关管Q、二极管D均为理想器件；
②电感、电容均为理想元件；
③电感电流连续；
④当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。
在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3
所示，各开关模态的工作情况描述如下：
（1）开关模态0[t0~t1]
[t0~t1]对应图1.3（a）。
在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管
D截止。
此时：
Ui-Uo
=Ldi
dt
（式1-1
）
电感中的电流线性上升，式1-1可写成：
Ui-Uo
=Liomax-iomin
Ton
=LDion
Ton
（式
1-2）
（2）开关模态1[t1~t2]
[t1~t2]对应图1.3（b）。
在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管
D导通。
此时：
0-Uo
=Ldi
dt
（式
1-3）
电感中的电流线性下降，式1-3可写成：
o
U=-Liomin-iomax
Toff
=Liomax-iomin
Toff
=LDioff
Toff
（式1-4
）
式中Toff为开关管Q的关断时间。
在稳态时，Dioff=Dion=Di，联解式1-2与式1-4可得：
Uo=DUi
（式1-5）
输出电流平均值：
I=1i
+i ）
（式1-6）
o （omax
2
omin
Vin
+
Q
A
Lf
+
Ub
D
-
Cf
Q
A
Lf
+
n
-
Ub
D
C
f
RUo Vi
-
+
RUo
-
Ub
QOff
0
UA
t
0
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