BUCK变换器的研究与设计

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1、BUCK变换器的研究与设计1总体分析与解决方案1.1问题的提出与简述电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。 直流斩波电路（DC Chopper）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，也

2、称为直接直流直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流交流直流的情况，直流斩波电路的种类较多，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。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。其中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GTR的复合器件。

3、它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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，因此发展很快。直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。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

4、和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问；2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。 1.2设计目的及解决方案 任务的要求是需要设计一个输出为2030V的直流稳压电源，此部分内容由以前所学模拟电路知识可以解决。然后对降压斩波主电路进行设计，所涉及电力电子原理知识的直流斩波部分，可以参见所学课本第三章，所选着的全控型器件为IGBT。任务还需要通过PWM方式来

5、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。电路需要使输出电压恒定为15V，采用电压闭环，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。得到电路的原理框图如下：图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，其原理框图如下所示：图2 直流稳压电源原理框图图3 直流稳压波形图 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。电源变压器的效率为： ，其中：是变压器副边的功率， 是变压器原边的功率

6、。一般小型变压器的效率如表1 所示：表1 小型变压器效率因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。在稳压电源中一般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50Hz 交流电压的周期。由于输入电压U1发生波动、负

7、载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI 稳定不变，还需加一级稳压电路。本次设计按照任务要求，选定稳压器为可调式。可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317，系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337 系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2-37V，最大输出电流Iomax =1.5A，输入电压与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3-40V。2.2 稳压源的设计方法 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输

8、出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式，步骤如下：1） 根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1 查出变压器的效率，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。2） 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

9、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，对本次课设的直流电源进行设计，输出电压为2030V。集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：Uo =1.2-37V，最大输出电流Iomax为1.5A。由于CW317 的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值。故CW317的输入电压范围为：即： 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 = 0.8，所以变压器原边输入功率 ，为了留有余地，选用功率为50W的变压器。接着选用整流二极管和滤波电容，由于：，。IN4001 的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4

10、001。由于电路对纹波由要求，输出纹波电压：100mv，选定稳压系数，根据以及公式 ，可以求得：所以，滤波电容： 电容的耐压要大于=42.4V，故滤波电容C取容量为470uF，耐压为50V的电解电容。2.3 稳压电源的安装与调试通过上述稳压电源的设计，得到了所需直流稳压电源电路图如下所示：图4 直流稳压电源电路图在图中取C1=0.01uF，C2=10uF，C0=1uF，二极管用IN4001，在电路图中，R1和Rw组成输出电压调节电路，输出电路，取120240，流过的电流为510mA。取为240，则由可以求得，=，故取为10k的精密线绕电位器即可实现电压输出为20-30V的直流电。通过示波器测试

11、输出电压波形，发现输出纹波电压1A，反向击穿电压Bvceo30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。4)对于二极管的选择，当=1时，其承受最大反压30V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。5)主电路的设计除了要选择IGBT和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值L很大。4控制电路原理与设计4.1控制电路稳压15V直流电运算放大器和SG3525芯片需要15V的工作电压。如图12所示，先用变压器将220V降压为22V的交流电，再经过桥式整流得到直流电压。通过滤波电容滤

12、波后，用三端集成稳压器稳压成15V的电压输出。其中,电容C1=100uF并且耐压50V，三端集成稳压器型号为7815。选择二极管型号为IN4001。5控制电路方案比较及选择：控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小。IGBT控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，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。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通

13、过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为斩波电路有三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制. 因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，它是一款专

14、用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图4所示，内部框图如图5所示。 6图4 SG3525的引脚 图5 内部框图 5.2 SG3525各引脚具体功能：（1）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）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之间接入信号不同的反馈网络。（3） 引脚3：振荡器

15、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） 引脚4：振荡器输出端。（5）引脚5：振荡器定时电容接入端。（6） 引脚6：振荡器定时电阻接入端。（7）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，形成放电回路。（8） 引脚8：软启动电容接入端。（9） 引脚9：PWM信号输入端。（10） 引脚10：外部关断信号输入端。（11） 引脚11：输出端A。（12） 引脚12：信号地。（13） 引脚13：输出级偏置电压接入端。（14） 引脚14：输出端B。（15） 引脚15：偏置电源接入端。（16） 引脚16：基准电源输出端。5.3 SG3525芯片特点如下：（1） 工作电

16、压范围：8-35v。（2） 5.1V微调基准电源（3） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz。（4） 具有振荡器外部同步功能（5）死区时间可调。（6） 内置软启动电路。（7） 具有输入欠电压锁定功能。（8） 具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：Ma(峰值)其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，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 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是

17、一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，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，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。5.4 控制电路原理分析：由于SG3525的振荡频率可表示为 ：式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=1F, =10,=6.2。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40 kHz即满足要求。 SG3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信

18、号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：图6.控制电路图其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 6 驱动电路原理与设计6.1 驱动电路方案设计与选择：该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输

19、入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：(1)采用磁耦隔离，最常用的是用时变压器隔离，即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开，从而取到电气隔离的作用。这种方法的优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传递的效率很高。但同时缺点也很明显，首先磁耦隔离只能用于交流电路，直流电路无效，其次变压器的体积较大，不利于集成。(2)采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较

20、多的工作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。（11）由于这次设计的电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔离。6.2 驱动电路工作分析： 驱动电路的电路图如图5所示：PWM调制接IGBT源极接IGBT栅极图7： 驱动电路原理图如图7所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电

21、路简单实用，故用推挽式进行电压放大。 IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有A级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。7 保护电路原理与设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。7.1 过电压保护电路：过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，

22、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。本次设计的电路要求输出电压为20-30V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片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，从而实现电压保护。如图6所示：取样电压的方法是在U。端串联两个电阻再通过在电阻中分得的电

23、压连入比较器的正端，与连入负端的基准电压（5V）进行比较。正常状态下，取样电压小于基准电压，此时比较器输出的是负的最大值，芯片正常工作，当出现过电压是，取样电压高于基准电压，此时输出高电平15V，在通过电阻分压得到5V的高电平送入芯片的10端，使其锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过压保护。设计的过压保护电路图如图8所示：取样电压接入SG3525的10端 图8：过压保护电路原理图7.2 过电流保护电路当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过

24、低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。因为前面说过，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的功率电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从而进行过电流与过电压的转化。将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较，就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个

25、负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。设计的过流保护电路如图9所示：过流保护输入接入SG3525的10端图9： 过电流保护原理电路图7.3 欠电压保护电路 欠电压保护是指防止输入电压发生故障，输入电压突然下跌，使得输入电压过低，导致电力电子器件或芯片工作在低电压下，可能产生的损害。所以欠电压保护就是对输入电源进行检测，当出现低电压时动作。本次设计的欠电压保护还是利用芯片SG3525的引脚10端的自锁功能。设计的欠电压保护电路如图10所示。如图所示，具体的方法是在电源侧并

26、联大电阻，再通过电阻进行电压取样，将取样电压接入比较器的负端，与比较器的正端的基准电压（取5V）相比较。正常状态下，取样电压高于基准电压，此时输出一个负的高电压，芯片正常工作。当出现欠电压时，取样电压降低，低于基准电压，此时输出一个高电平，芯片SG3525的引脚10端锁死，IGBT的脉冲关断，电路断开，从而实现欠压保护的功能。 电源电压检测测测接入SG3525的10端图10： 欠电压保护电路原理图7.4 IGBT的保护IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为损坏的主要原因有两种：一是退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使损坏。下面是对IGBT

27、进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，开通时电流迅速上升，di/dt很大；关断时du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下；V开通时C5通过R34向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有Li，ic上升速度减慢；V关断时负载电流通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给Li提供释放储能的回路。如图11所示： 图11 ：IGBT保护电路8.整体电路 9设计心得经过七天的电力电子课程设计让我懂了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面

28、得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课题很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不大全面。考虑了很久，才确定了设计课题，那就是“降压斩波电路设计”这个课题时，在复习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容，再不懂得地方请教老师，还有自己网上查资料。经过几天的努力，终于有了一个电路的基本框架，知道了一个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意些什么问题等等。知道了大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加于完善。实在不懂的问题，可以和团队交流，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有

29、了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。尤其在控制电路这个环节，花费了很多心思。首先通过不断地查资料，了解PWM控制器（SG3525）的运用，具体理解每个引脚代表什么，功能是什么。毕竟是第一次进行课程设计，能力不够，所以很多问题都没有考虑周到，有些难题是和同学们商量才得出的结果，期间和同组的组员做了很多的沟通和商量，从而解决了很多问题，这在合作上也是一个不小的进步。同时，老师也给予了很多的指导和

30、意见，这让我明白了很多东西。在答辩的时候，拿着自己的设计进行说明，老师帮助我们发现了问题，并提出了很多改进的意见，由此才得到了最后的设计图。撰写这份报告也很用心，花了很多的时间，提高了课程设计报告的撰写水平，这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的这次的设计经验，在以后的学习、设计中提供了基础。也让我懂得无论多么大的设计，应该分模块去完成，才会把看似难题的东西解决掉。附录器件名称规格与型号数量绝缘栅双极型晶体管30V/1A1个续流二极管IN414B1个电感0.1mH1个电容274uF/1uF/10uF/0.01uF1/2/2/1个二极管IN40017个金属膜电阻20/6.2/10/1

31、23/1/3/1 个金属膜电阻88.7/500/2K/1K1/1/4/5个金属膜电阻19.1K/5.1K/95.3K/75K1/2/1/1个三极管PNP型.NPN型各1个滑动变阻器1K1个PWM控制器SG35251片光耦合器6N1362个运算放大器LM3241片三端集成稳压器件78151个或门74LS321片功率电阻0.1/60W2个变压器50W1个参考文献1.周克宁，电力电子技术北京：机械工业出版社，2004；2.黄家善，电力电子技术北京：机械工业出版社；3.王兆安、黄俊，电力电子技术第四版。北京：机械工业出版社，2000；4.李宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南（14册）北京：机械工

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