BUCK变换器设计毕业设计.docx

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BUCK变换器设计毕业设计

课程名称：

电力电子技术

题目：

BUCK变换器设计

一．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、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。

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

，输出电压

，最大输出功率为

，最小功率为

。

晶体管导通饱和电阻为

，保证整个工作范围内电感电流连续，输出纹波电压

。

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

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；

8．附录（完整的总电路图）；

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:

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

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。

2.3总电路图

第三章BUCK主电路设计

3.1Buck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

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：

（式1-1）

电感中的电流线性上升，式1-1可写成：

（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：

（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：

（式1-6）

3.4Buck变换器元件参数

3.4.1占空比D

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。

3.4.2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）<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。

3.5Buck变换器仿真电路及结果

仿真电路图：

采用MATLAB软件对BUCK变换器主电路做仿真分析结果如下：

第四章控制和驱动电路模块

4.1SG3525A脉宽调制器控制电路

4.1.1．SG3525简介

SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。

当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。

输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。

SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为8.0V到35V

·5.1V±1.0％调定的基准电压

·100Hz到400KHz振荡器频率

·分立的振荡器同步脚

4.1.2．SG3525内部结构和工作特性

（1）基准电压调整器

基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。

（2）振荡器

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：

SG3525内部框图

在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。

同步脉冲的频率应比振荡频率fS要低一些。

（3）误差放大器

误差放大器是差动输入的放大器。

它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。

该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。

3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。

这样避免了彼此相互影响。

有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

（4）闭锁控制端10

利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。

（5）有软起动电路

比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。

该电容由内部Vref的50μA恒流源充电。

达到2.5V所经的时间为

点空比由小到大（50％）变化。

（6）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠

比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。

锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。

这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。

另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。

只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。

（7）增设欠压锁定电路

电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。

（8）输出级

由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。

组间是相互隔离的。

电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。

为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。

11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。

在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。

在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。

使用时VC接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。

另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。

4.2SG3525构成的控制电路单元电路图

4.3驱动电路设计

第五章课程设计总结

通过这次为期两周电力电子技术的课程设计,我学会了很多的东西，能够很好的运用所学的电力电子、数字电子技术和模拟电子技术等知识解决了一些问题，体会到了将知识用于实际的快乐感。

提高了自己的课程设计报告撰写水平，增强了运用计算机及互联网丰富的知识来设计和分析问题、解决问题独立完成工作任务的能力，为以后的学习工作中解决更多的、更困难的问题打了很好的基础。

为了方便设计加深自己对控制系统的理解，我首先画出了闭控制原理图，依据原理图开始设计，从网上搜集了部分SG3525的资料，对SG3525有了一些最基本的了解，如它的管脚功能，它的工作特点，结构组成等，我重点了解了它的相应的管脚功能和工作特点，这对之后线路设计相当重要，之后我还认真阅读了一些列程，开始看不懂，经过一遍又一遍的反复阅读，并结合课本，总算有了七分明了，这为我接下来的设计提供了宝贵的经验和开拓了思考方向，使得设计工作顺利进行。

通过这次课程设计，提高了对电力电子技术知识的掌握和相关的动手能力，更重要的是增强的自己的信心，坚定了自己信念，明确了以后的方向，收获了许多在教室在课堂很难体会到的东西，让我知道了的不只是这个简单的课题，他让我知道的是面对一个问题时应该从哪下手，怎样才能更好的解决问题，两周的时间教会我的是一种思维方式！

两周时间虽短，但这两周的内容让我受益终生。

第六章附录

第七章参考文献

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

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