电力电子课程设计-BUCK变换器设计

目录引言2第一章设计要求与方案.......................................................................................21.1课程设计要求.............................................................................................21.2方案确定.....................................................................................................3第二章直流稳压电源设计..................................................................................32.1设计要求......................................................................................................32.2直流稳压电源原理描述.............................................................................42.3设计步骤及电路元件选择.........................................................................5第三章Buck变换器设计..................................................................................63.1Buck变换器基本工作原理.......................................................................63.2Buck变换器工作模态分析.......................................................................73.3Buck变换器参数设计..........................................................................103.3.1Buck变换器性能指标..................................................................103.3.2Buck变换器主电路设计..............................................................10第四章控制电路设计.........................................................................................124.1直流—直流变换器控制系统原理..........................................................124.2控制电路设计...........................................................................................14第五章课程设计总结.........................................................................................17参考文献..................................................................................................................18附设计全图..............................................................................................................1808电气一班潘维200830151402引言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。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。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。开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。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。斩波电路主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降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用BUCK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BUCK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。BUCK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。第一章设计要求与方案1.1课程设计要求1、采用降压斩波主电路2、输入直流电压：10~14V3、输出电压：5V4、最大输出负载电流：2A5、输出功率：10W1.2方案确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，当控制电路所产生的控制信号能够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要求设计稳压电源、BUCK电路及控制电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。图1.1降压斩波电路结构框图在图1结构框图中，BUCK电路是用来产生降压斩波电路的，控制电路产生的控制信号传到BUCK电路，使信号为加在开关控制端，可以使其开通或关断。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。第二章直流稳压电源设计2.1设计要求设计一个输出电压在10~14V可调的串联型直流稳压电源，将市电(220V/50HZ)的交流电)经电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路后转变为10~14V的直流稳定电压。2.2直流稳压电源原理描述电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。图2.1直流稳压电源框图图2.2单向桥式整流电路图2.3电容滤波电路图2.4具有放大环节的串联型稳压电路直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.1所示。电网供给的交流电压U1(220V,50Hz)经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压UI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。图2.2,2.3,2.4串联起来就组成了具有放大环节的串联型稳压电源电路图，其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。稳压部分为具有放大环节的串联型稳压电路，它由调整元件（晶体管Q1，Q2组成的复合管）；比较放大器（集成运放A）；取样电路R2、R4、R3，基准电压DZ、R1等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经比较放大器放大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。2.3设计步骤及电路元件选择设计过程采用模块化进行，先依次设计好各模块电路及仿真无误后，再将它们串联起来组成总的电路图如下图2.5所示：图2.5直流稳压电源电路电路元件选择：1：Ui的确定Ui=Uo+Uce,因为Uomax=14V,UceUces=1~2V,取Uces=2V,所以Ui=Uomax+Uces=16V;2:调整管的选择Ucemax=Ui-Uomin=16-10=6V，承受反向电压应大于6V;;3：稳压二极管Dz的选择Uz小于等于Uomin=10V,取Uz=2V，Iz=1~10mA；4：电阻R1的选择UR1=Ui-Uz=16-2=14V,IR1取10mA,R1=UR1/IR1=1.4kΩ,R1取1.5kΩ;5:集成运放的选择因为本电路对集成运放要求不高，所以选用通用型集成运放；6：滤波电容C1的选择为提高滤波效果，C1取1000uf的电解电容；7：取样环节的电阻R2，R3，R4的确定Uomax=(R2+R3+R4)*Uz/R3Uomin=(R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)其中R4为最大阻值为100Ω的滑动变阻器，Uz=2V,Uomax=14V,Uomin=10V,联立方程，可求得R2=1400Ω,R3=250Ω;8：U2及变压器的确定对于全波整流电路，Ui=1.2U2,所以U2=Ui/1.2=13.33V，220V/13.33V=16.5，故选用变比为15：1的变压器；9：整流二极管的选择选择理想整流器。第三章Buck变换器设计3.1Buck变换器基本工作原理Buck电路（BuckChopper），即降压斩波电路，属直流斩波电路的一种，和升压斩波电路构成直流斩波电路最基本的两种电路。直流斩波电路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。降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。如下图3.1所示，电路中使用一个全控型开关器件Q，开关管Q由开关脉冲信号驱动，脉冲信号来自脉冲信号控制电路，脉冲信号的周期T保持不变，而脉冲宽度ton可改变，这样便可以调节导通的占空比，进而改变输出电压。为了在开关管关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管D。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3.2Buck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。当输入脉冲为高电平，即在ton时段内，Q导通，此时二极管D反偏截止，+-VinQfCfLRDUbUo+-AUb0AU00tttVinLiLiQONQOff如下图3.3所示。通过电感L的电流随时间不断增大，电源V1负载RL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Q1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。图3.3Q导通时的电路状态12VVdtdiLLLvlItLVVdtLVVi