DCDC变换器电力电子课程设计报告.doc

电力电子课程设计报告DCDC变换器 学 院： 信息科学与工程学院 班 级： 电气1201班 姓 名： 学 号： 指导教师： 时 间： 2023.01.20 目录一、 引言.1二、 设计规定与方案.22.1设计规定.22.2 方案拟定.2三、 主电路设计.43.1 主电路方案.43.2 工作原理.43.3 参数分析.6四、 控制电路设计.104.1 控制电路方案选择.104.2 工作原理.104.3 控制芯片介绍及参数选择.10五、 驱动电路设计.155.1 驱动电路方案选择.155.2 工作原理.15六、 保护电路设计.186.1 过压保护电路.186.2 过流保护电路.19七、 系统仿真及结论.21八、 总电路原理图.26九、 参考文献.28十、 致谢.29 一、 引言 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路重要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。 本次课设立求设计出DC-DC变换器实现15V向5V的电压变换，选取的电路是IGBT降压斩波电路。 IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。 二、 设计规定与方案2.1 设计规定1. 任务 设计并制作一个DC-DC 变换器（15V 转变成5V）2. 规定1）输出电压 Uo ：5V；2）最大输出电流 Iomax ：1A；3）输入电压范围：12V18V；4）输出电流Io 范围：01A 时;3.说明1）DC-DC 变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。2）电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间。3）设计报告正文中应涉及系统总体框图、核心电路原理图、重要流程图、保护电路图4) 设计报告中要写明所有的设计过程5) 运用仿真软件分析电路的工作过程2.2 方案拟定 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，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。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作规定形成控制信号，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毕整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号可以足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务规定设计主电路、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1所示。控制电路SG3525驱动电路光耦隔离BUCK主电路 保护/反馈电路电压电流反馈 图1降压斩波电路结构框图 在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备，通过从负载取电压和电流与基准值比较。若电压电流过大，从保护电路生成反馈信号给控制电路，是其产生动作，调节buck主电路的输出电压或电流。三、主电路设计3.1 主电路方案 根据所选课题设计规定设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的降压斩波电路作为主电路，这个方案是较为简朴的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。 在降压斩波电路前，可连接一个单相桥式整流电路，并且通过滤波及稳压，最后以220V交流市电转化成15V直流电压送至buck电路输入端。 至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，由于IGBT控制较为简朴，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简朴等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2 工作原理图2 降压斩波电路主电路原理图 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。时控制V关断，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。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 当电路工作稳定期，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图3所示，负载电压的平均值为： 式中，为V处在通态的时间，为V处在断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流的平均值为： 若负载中L值较小，则在V关断后，到了时刻，如图4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，负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 3.3 参数分析（一） 单相桥式不可控整流电路如下图5所示： 图5 整流稳压部分如图所示，将波动为20%的220V交流市电经变压器降至有效值为22V的交流电压，匝数比为10：1。再通过LC整流滤波，得到的输出电压为0.9=20V。滤波电路中电感和电容的选择则根据输出电压的脉动系数来拟定。一般规定脉动系数小于1%。由1，f=50Hz得故取L=100mH，C=10mF验算后得S=0.68%欲使输出电压为稳定的15V，应在滤波电路后加稳压电路。稳压电路由限流电阻与稳压二极管组成，选择稳压二极管反向击穿电压15V，型号ZM4744A, 1W/15V。限流电阻R经经验计算，选取200。 （二）主电路中需要拟定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电容、电阻值的拟定，其参数拟定如下：(1)电源 输入电压为15V，经220V交流电整流得到(2)电阻 由于当输出电压为5V时，额定负载电流为1A，所以由欧姆定律可得负载电阻值为5。 （3）IGBT 由图3易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为15V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为 考虑到1.5至2倍的裕量，故需选择集电极最大连续电流，反向击穿电压的IGBT，一般的IGBT都满足规定。（4）二极管 其承受最大反压15V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选择，的二极管。（5）电感 由于正常工作时，（即D）为0.3-0.4之间变化，要电流连续，则最小负载电流应大于临界电流，取最小负载电流。当开关导通时，有ViV0=假如电路工作在电流连续和断续的临界状态，则应取由此可得临界电感为 由于 且可得：取D的最小值0.3，求得，由此可取电感大小为120H的电感。（可选用CD32系列非屏蔽贴片功率电感120H） （6）开关频率 选取较大的开关频率可使输出电压更加稳定，故选取 f=20KHz （7）滤波电容 设计规定输出电压纹波小于1%。根据输出电压纹波公式 由此选用200的电容。取C=200，L=120H，故有：验算：，满足规定。降压斩波环节原理图四、控制电路设计4.1 控制电路方案选择通过查阅网上的控制电路的设计，重要的思想是通过一片PWM产生装置作为控制电路，并且加以辅助的拓扑网络进行反馈控制来稳压，其中一种运用的比较成熟的方法是使用SG3525+IR2110作为一套控制+驱动电路。并且SG3525具有一定的过压保护和过流保护的作用，并且可以进行拓扑扩展，因此这次设计选用SG3525A芯片作为主控制芯片。4.2 工作原理本控制电路是以SG3525A为核心构成, SG3525A为美国Silicon General 公司生产的专用，它采用恒频脉宽调制控制方案 ,内部包具有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。然后，将脉冲信号驱动电路，对微信号进行升压解决，再把通过解决的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的规定。4.3 控制芯片介绍以及参数拟定电压调节芯片SG3525 具体的内部结构如图 所示。其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达成（5.11）V，采用了温度补偿，并且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。根据系统的动态、静态特性规定，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。图6 SG3525管脚图&内部框图SG3525振荡器及外部接线原理：SG3525各引脚的具体功能1.Inv.input(引脚1)：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（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定期电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定期电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只软启动电容。9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被严禁。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。通过查阅有关SG3525芯片的Datasheet，部分参数见图7，我了解到了SG3525芯片的一些参数，并且参考数据手册中给出的典型应用电路我设计出了课程设计所需的硬件图，见图8，并且计算了相关的数据。 图7 SG3525A Datasheet局部参数 图8 控制电路图 5V电压通过2.5欧姆、2欧姆、0.5欧姆电阻分压后输入2号引脚；Vin和Vc分别接入20V的电压；Sync悬空；Vref通过度压电阻给eam端分得2.55V的电压，根据F=1/CT*(0.7RT+3RD),设定输出频率为20KHZ，可以分别算得RT=12K欧，RD=200欧，CT=5.56nF；soft脚接4.7uF电容，然后接地进行软启动；通过1脚和9脚之间的电容，9脚可以将1脚与2脚（基准电压2.55V）之间的误差进行积分累加，以此来消除因输出电压不稳定导致的电压误差。在正常情况下1脚的输入是2.5V，9脚的输入电压0.93.3V，占空比0%49%，计算输出PWM的占空比：刚好是33%，根据计算R1=R2=100K欧 ，C1=318pF，可以在一定限度上起到过电压保护的作用。Shutdown端通过外接电路进行过电流保护作用。 五、驱动电路设计5.1 驱动电路方案选择IGBT驱动电路重要有3种典型的电路：（a） 阻尼滤波门极驱动电路为了消除也许的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。（b） 光耦合器门极驱动电路驱动电路的输出级采用互补电路的型式以减少驱动源内阻，同时加速IGBT的关断过程。（c）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。可以看出，IR2110芯片集成了以上几种驱动电路的优点。5.2 工作原理 图11 IR2110内部框图IR2110引脚功能及特点简介 LO（引脚1）:低端输出 COM（引脚2）:公共端 Vcc（引脚3）:低端固定电源电压 Nc（引脚4）: 空端 Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压 VB (引脚6):高端浮置电源电压 HO（引脚7）:高端输出 Nc（引脚8）: 空端 VDD（引脚9）:逻辑电源电压 HIN（引脚10）: 逻辑高端输入 SD（引脚11）:关断 LIN（引脚12）:逻辑低端输入 Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可认为0V Nc（引脚14）:空端 IR2110的特点： （1）具有独立的低端和高端输入通道。 （2）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。 （3）输出的电源端（脚3）的电压范围为1020V。 （4）逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，并且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。 （5）工作频率高，可达500KHz。 （6）开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns。 （7）图腾柱输出峰值电流2A。 IR2110的工作原理： IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可认为装置的设计带来许多方便。特别是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。 下图图12是我设计的IR2110的框图 ,根据查阅IR2110的相关数据手册和典型电路，对各管脚的接线和元器件的参数进行的排版和计算。VB和VS之间接10uF电容并且通过二极管接电源，VCC和COM之间接10uF电容，VSS和VDD之间接10uF电容然后接电源，HO悬空，LO输出PWM，SD接地，LIN作为PWM输入。图12 IR2110设计图六、保护电路设计6.1 过压保护电路（1） 阻容保护（保护IGBT）当达成定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达成保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。阻容保护电路图13如下：图13 阻容保护电路图 将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地克制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时克制电路中的电感与电容产生振荡。 电容选值 操作过电压，其实质是开关开端时产生的电磁能量震荡过程。在回路中没有保护器存在时，总电容值很小，导致震荡频率f很高。电容的引入，可以大大提高回路总电容值，减少震荡频率。最佳的效果应是减少频率正好到工频（50Hz）。根据数年运营经验，取电容0.1F时，一般可以将f限制在150Hz以下，因此0.1F就成为一个比较通用的值。 电阻选值R不应小于其临界值，否则对减少频率不利。存在电阻值不应小于100的说法。故此处选用200。(2) 负载过压保护运用控制电路中的控制芯片SG3525A自带的功能可实现过压保护，即通过比较负载电压和基准电压，来控制SG3525A输出的触发脉冲的占空比，若占空比下降，则主电路输出电压（负载电压）就会下降。从而达成避免出现过压的现象。此保护电路具有负反馈功能，可以自我调节，使主电路输出电压稳定。6.2 过流保护电路（1） 熔断器过流保护的方法比较多，比较简朴的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。（2） 过流保护电路 过流保护电路如图14所示。图14 过流保护电路如图14，左侧为放大器，放大器正相端接负载上的电流反馈（取反馈的方法为：在负载中串一个小电阻，将电流取样），反相串1k电阻接地。反相端电阻R=1k，9k电阻跨接在输出端与反相端之间。由放大器运算公式：，可知信号放大了10倍。放大后的信号与基准电压5.1V进行比较，若小于等于基准值，则输出低电平，若高于基准值，则输出高电平。使10端上的信号为高电平，PWM琐存器将立即动作，严禁SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。假如该高电平连续，软启动电容将充足放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，使输出电压减少，同时减少电流的大小。从而达成了过电流保护的效果。七、系统仿真及结论根据课程设计规定，采用matlab中的simulink仿真对此DC-DC变换器进行仿真，控制电路及驱动电路产生的触发脉冲由pulse generator代替，单相桥式不可控电路在此省略。在输入端加15V直流电压源。（1） 按原理图在MATLAB中搭建模块，搭建好的模型图15如下 图15（2） 调试与结果分析 由于对matlab中的simulink并不是那么熟悉，所以刚开始进行仿真时碰到了一些问题，如示波器的横纵坐标调节、仿真速度过慢、图像显示区域不全等，所幸后来依靠百度以及同学的帮助都顺利解决了。 接下来简要叙述在simulink中的各类参数的设立：脉冲周期：5e-5（即5*10-5s）仿真时间：5e-3DC：15R：5L：1.2e-4C：2.0e-4IGBT：正向压降为1V1、以下是占空比为33%时的各个波形图：由于触发脉冲波形为矩形波，scope1测得的电压为二极管两段电压，考虑到IGBT正向导通有1V的压降，二极管正向导通时有0.8V的压降，故IGBT开通时，此电压值为14V，IGBT关断时，此电压值为 -0.8V，波形如下所示。由上至下，依次为二极管电流，电感电流，电容电流，负载电流。波形与书本理论值一致。接下来是输出电压的波形图 2、调节占空比为39%时由占空比为33%的输出波形图可以看出，此时的输出电压大体为4V左右，与我们预想的5V仍然是有差距的，也也许是由于计算中的误差、晶体管中的缓冲电阻缓冲电容等、仪表电阻等各类因素导致的，所以导致了较大的误差。通过不断地从33%起增大占空比直至39%，此时输出的电压才为5V，实验数据如图所示。八、 总电路原理图（由于横版图片太小，故放上了竖版）九、参考文献1.王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社,2023 2.罗桂娥.模拟电子技术基础M.长沙：中南大学出版社，20233.罗桂娥.模拟电子技术基础M.长沙：中南大学出版社，20234.钟炎平.电力电子电路设计M.武汉：华中科技大学出版社，20235.黄京.电工原理的MATLAB实现M.北京：国防工业出版社，2023十、致谢感谢本学期杨老师在课堂上对电力电子基础知识及各类应用进行的讲授，才让我在本次课程设计中的思绪变得清楚，完毕得较为顺利，同时感谢秦老师以及同学们在上学期对我的MATLAB仿真方面的指导。