DC-DC变化电路课程设计

i湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：DC-DC变换电路分析专业班级：学生姓名：学号：指导老师：审批：任务书下达日期2014年12月22日设计完成日期2015年1月2日ii设计内容与设计要求一．设计内容：1、分析研究BUCK型DC-DC变换电路的工作原理；2、用MATLAB对设计的电路进行仿真；3、参考仿真分析结果，依据理论推导电路主要元件参数；4、完成报告撰写。二．设计要求：1．设计思路清晰，给出各种情况下的整体设计框图；2．给出具体设计思路和电路；3．分析各电路的原理，并进行相应的仿真；4．写出设计报告；iii主要设计条件1、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．每个电路总体思路，基本原理和框图；5．驱动电路设计分析（驱动电路电路图）；6．电路实验、仿真等。7．分析总结；8．附录（完整电路图）；9．参考文献；11、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:熟悉基本直流斩波电路星期三:分析计算BUCK斩波电路；星期四:分析计算BUCK斩波电路；星期五:设计研究BUCK斩波电路；第二周星期一:设计研究BUCK斩波电路星期二：实验仿真、波形分析、参数计算等星期三~四:写设计报告，打印相关图纸；星期五:答辩及资料整理iv目录第1章概述………………………………1第2章方案确定…………………………2第3章主电路设计………………………4第4章控制电路设计……………………8第5章驱动电路设计……………………10第6章保护电路设计……………………12第7章调试与仿真………………………14第8章总结………………………………17第9章参考文献…………………………181第1章概述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。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）两种。前者较为通用，后者容易产生干扰。当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器，最大输出功率有300W、600W、800W等，相应得功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80—90）%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。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。GBT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。2第2章方案确定2.1.课程设计目的1、培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、通过对降压斩波电路的设计，掌握电路的工作原理，综合运用所学知识，进行buck电路和系统设计的能力4、培养运用知识的能力和工程设计的能力。5、提高课程设计报告撰写水平。2.2设计思路根据任务要求设计的降压斩波电路的结构框图如图1所示3控制电路(保护电路)驱动电路主电路图1在上图1结构框图中，控制电路是通过SG3523A芯片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。控制电路中的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。4第3章主电路设计3.1主电路选择根据所选课题设计要求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BUCK降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。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，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。根据所学知识，BUCK电路图如下所示：LREmU0VTVDE+-FUVDRC图2主电路图该电路使用一个全控型器件VT，图中为IGBT，也可以使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。图2中，为在VT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电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后2种情况下负载中均会出现反电动势，5如图Em所示。若负载中无反电动势时，只需使Em=0，以下的分析及表达式均可适用。3.2工作情况分析当电路正常工作时，波形如下:tOOOEOtttEMttTtontoffioi1i2I10I20t1uoa)b)OOTEEtontoffiotxi1i2I20t1t2uoVGEVGE图3斩波电路工作波形图如图3(a)中VT的栅射电压UGE波形所示，在t=0时刻驱动VT导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。当1tt时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压0u近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为iiittUUUUttTononoonoffont为IGBT处于通态的时间；offt为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。6通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值0U最大为E，若减小占空比α，则0U随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。也有很多文献直接使用其英文名称，称为BUCK变换器（BuckConverter）。负载电流平均值为REUIM00若负载中L值较小，在VT关断后，到了t2时刻，如图3（b）所示，负载电流已经衰减至零，出现负载电流断续的情况。由图3（a）（b）可见，负载电压0U平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ont，称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,PWM）或脉冲调宽型。2）保持开关导通时间ont不变，改变开关周期T,称为频率调制或调频型。3）ont和T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中第1种方式应用最多。3.3参数分析主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：(1)电源假定输入电压为100V。(2)电阻因为当输出电压为20V时，假输出电流为20A。所o0IUR7以由欧姆定律可得负载电阻值为1欧姆。(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100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流cI=A10，反向击穿电压VVCEO200的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。(4)二极管其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于20A，考虑2倍裕量，故需选择VUN200，AIN20的二极管。(5)开关频率f=5KHz。8第4章控制电路设计4.1控制电路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。在这里我们采用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。图4SG3525A引脚图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。9对于PWM发生芯片，我选用了SG3525A芯片，其引脚图如图4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。4.2工作方式由于SG3525A的振荡频率可表示为：)37.0(1dttRRCf式中:tC,tR分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；dR是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为5kHz，所以由上式可取tC=0.01μF,tR=k5,dR=k3。可得f=5kHz，满足要求。SG3525A有过流保护的功能，通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波输出。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，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图所示10端外接过压过流保护电路。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11、14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。SG3525有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，使得输出电压为50-80V范围。10第5章驱动电路5.1驱动电路方案选择IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT。因此需要将信号放大。另外直流斩波电路会产生很大电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致器件的损坏。因而设计中还要有带电气隔离的部分。驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。在这里我选用集成芯片EXB841来做驱动电路。5