湖南工程学院buck变换器课程设计Word文件下载.docx

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第7章参考文献......................................................................15

第1章概述

该课题在国内外的发展现状与趋势简述

早期工程师们为了缩小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。

设计内容

1.电路功能介绍

2.系统总体方案确定

3.主电路设计与分析

4.控制电路设计与分析

5.仿真实验

6．动手实践

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。

第2章Buck变换器系统方案设计

2.1电路的总方案设计

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电路设计流程图

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。

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图所示。

2.3总电路图

第3章Buck主电路及其参数设计

3.1Buck变换器主电路基本工作原理

图3.1Buck变换器电路

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3.2Buck变换器的主要工作波形

3.2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：

3.3主电路参数讨论

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：

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：

（式1-1）

电感中的电流线性上升，式1-1可写成：

（式1-2）

（1）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。

（式1-3）

电感中的电流线性下降，式1-3可写成：

（式1-4）

式中Toff为开关管Q的关断时间。

在稳态时，

，联解式1-2与式1-4可得：

（式1-5）

输出电流平均值：

3.4元件参数

根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的系求出关占空比的变化范围：

0.505~0.617

滤波电感Lf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。

在Q关断时，由式1-4得：

由Lf≥Lf（min），取Lf=27.7uH。

（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）<

25mv。

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：

（式2-8）

电容峰峰值纹波电压为：

（式2-9）

因此，得：

计算得Cf（max）=67uF

由Cf≥Cf（max）得，取Cf=150uF。

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。

第4章控制电路原理与设计

4.1控制电路选择

3525A的振荡器，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；

以及对保护信号做出反应，关闭控制信号，脉宽调节器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，在负输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。

3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。

RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。

把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。

这时3525A的振荡频率可表为：

点空比由小到大（50％）变化。

控制电路图：

4.2电路仿真结果：

第5章课程设计心得与总结

在课程设计2个星期里，学到很多东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过课程设计我认识到理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，把所学的理论知识与实际相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的独立思考的能力。

在设计的过程中我遇到各式各样的问题，同时也发现自己的许多不足之处。

整了个设计过程对我而言可以说是困难重重，譬如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不会查阅资料，觉得无从下手等等。

但课程设计提供了一个同学们互相交流学习的平台和环境，同时也是将平时掌握的知识融会贯通的过程。

所以，我很珍惜每次课程设计的机会。

不仅学到课专业知识，同时锻炼的品质，锤炼的精神。

经过老师的指导，我少走了很多弯路，感谢同学们的帮助，让这个过程不是那么枯燥，让我最后解决了一系列的问题。

我也意识到很快我们就要步入社会，面临就业了，就业单位不会像老师那样点点滴滴细致入微地把要做的工作告诉我们，更多的是需要我们自己去观察、学习。

不具备这项能力就难以胜任未来的挑战。

随着科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，只有敢于去尝试才能有所突破，有所创新。

总之，这次实践是有收获的，自己也有许多心得体会。

感受颇深的一点是，在学习的闲暇之间，一定要实际运用理论知识，在实践中验证知识，发现知识。

此次课程设计，愉快而难忘，虽然结束，但学习与实践永不会结束。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！

第6章附录

第7章参考文献

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

电气信息学院课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

不及格

设计方案的合理性与创造性

硬件制作或软件编程完成情况*

硬件制作测试或软件调试结果*

设计说明书质量

设计图纸质量

答辩汇报的条理性和独特见解

答辩中对所提问题的回答情况

完成任务情况

独立工作能力

组织纪律性（出勤率）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。