直流变换器课程设计

目录第一章．设计概要1.1技术参数1.2设计要求第二章．电路基本概述第三章.电力总体设计方案第三章.电力总体设计方案3.1电路的总设计思路3.2电路的设计总框图第四章BUCK主电路设计4.1Buck变换器主电路原理图4.2Buck变换器电路工作原理图4.3主电路保护（过电压保护）4.4Buck变换器工作模态分析4.5主电路参数分析第五章控制电路5.1控制带你撸设计方案选择5.2SG3525控制芯片介绍5.3SG3525各引脚具体功能5.4SG3525内部结构及工作特性5.5SG3525构成的控制电路单元电路图第六章驱动电路原理与设计6.1驱动电路方案设计与选择6.2驱动电路工作分析第七章附录第八章设计心得第一章．设计概要1.1技术参数：输入直流电压Vin=25V，输出电压Vo=10V，输出电流Io=0.5A，最大输出纹波电压50mV，工作频率f=30kHz。1.2设计要求：（1）设计主电路，建议主电路为：采用BUCK变换器，大电容滤波，主功率管用MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，并给出清单；（3）设计MOSFET驱动电路及控制电路；（4）绘制装置总体电路原理图，绘制：MOSFET驱动电压、BUCK电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（波形汇总绘制，注意对应关系）；（5）编制设计说明书、设计小结。第二章．电路基本概述直流斩波电路（DCChopper）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，也称为直接直流-直流变换器（DC/DCConverter）。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，输入与输出不之间不隔离。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。Buck电路作为一种最基本的DC/DC拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品中。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可以分为脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方式，Buck电路的研究对电子产品的发展有着重要的意义。MOSFET特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。第三章.电力总体设计方案3.1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。3.2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。第四章BUCK主电路设计4.1Buck变换器主电路原理图降压斩波电路的原理图以及工作波形如图3.1所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为MOSFET。为在MOSFET关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。4.2Buck变换器电路工作原理图直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET的导通或关断。当t=0时MOSFET管被激励导通，电源U向负载供电，负载电压为Uo=U,负载电流io按指数曲线上升；当t=t1时控制MOSFET关断负载电流经二极管VD续流负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L较大。电路工作时的波形图如图4.2所示。4.3主电路保护（过电压保护）本次设计的电路要求输出电压为12V，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MOSFET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：4.4Buck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V、二极管VD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。当输入脉冲为高电平，即在ton时段内，V导通，此时二极管VD反偏截止，如下图4.3.1所示。通过电感L的电流随时间不断增大，电源U向负载R提供功率，同时对电容C充电。在电感L上将产生极性为左正右负的感应电动势，储存磁场能量。假设储能电感L足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流IL可近似认为是线性的，并设开关MOS管V及续流二极管都具有理想的开关特性，它们正向降压都可以忽略式中起始值ILv是V导通前流过L的电流。当t=ton时，V导通L中的电流达到最大值当输入脉冲为低电平，即在toff时段内，V截止，电路相当于V断开，如下图4.3.2所示。此时，由电感L中的电流将减小，为了阻止电流I0的减小，在其上将产生极性为左负右正的感应电动势，这时二极管VD正偏导通，为电感电流提供通路。电感将释放磁能，一方面继续给负载R供电，另一方面对电容C充电，把一部分磁能转化为电容中的电场能。当电感电流下降到某一较小的数值时，电容C开始对负载放电，以维持负载所需的电流。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期内的初值与终值为相等的(下面插入图片4.3.2)式中起始值ILP为V截止前流过的电流。t=toff时，V截止，L中的电流下降到最小值当电路工作在稳态时，联系上式解得：由以上分析可得，负载电压的平均值为:上式中，ton为V处于导通状态的时间，toff为Q处于断开状态的时间；T为开关周期，即T=ton+toff；D为导通占空比，即D=ton/T；V1为电源电压。由该公式可知，负载电压的平均值V2的大小由导通占空比和电源电压决定。在电源电压不变的情况下，其大小可由调节占空比来改变，且随着占空比的增大而增大，随着占空比的减小而减小由于占空比0D1，即V2V1，输出电压小于输入电压，因此将该电路称为降压斩波电路。负载电流平均值为：IO=RV2上式中，R为负载电阻。若负载中的L的值较小，则在Q关断后，可能会出现负载电流断续的情况。为了保证电流连续，要求串接的电感L值足够大MOSFET在开通与截止下的电感电容波形图：4.4主电路参数分析主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、MOSFET、二极管、电感、电容、电阻的确定，其参数确定如下：(1)电源要求输入电压为42V。(2)电阻因为当输出电压为12V时，输出电流为3A。所以由欧姆定律R=U0/I0,可得负载电阻值为4欧姆.(3)MOSFET由图4.3.2易知当MOSFET截止时，回路通过二极管续流，此时MOSFET两端承受最大正压为42V；而当α=1时，MOSFET有最大电流，其值为3A。故需选择Vdss=100V，Id=9.2A的IRF520(4)二极管其承受最大反压42V，其承受最大电流趋近于3A，考虑2倍裕量，故需选择UN≥84V，IN≥6A的二极管,选用MUR820(5)电感根据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D=12V/42V=0.29(6)开关频率f=100KHz(7)电容设计要求最大输出纹波电压50mV.)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12V，则电容的耐压值为15V。第五章控制电路5.1控制电路设计方案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的目的。斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。因为斩波电路有这三种控制方式，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MOSFET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。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通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，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的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。5.2SG3525控制芯片介绍（1）工作电压范围：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。5.3SG3525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。5.4SG3525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