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1、BUCK 变换器的争论与设计1 总体分析与解决方案1.1 问题的提出与简述直流斩波电路 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始终流电的状况，不包括直流沟通直流的状况，直流斩波电路的种类较多，包括6 种根本斩波电路：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。利用不同的根本斩波电路进展组合，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，利用一样构造的根本斩波电路进展组合，可构成多相多重斩波电
2、路。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，此局部内容由以前所学模拟电路学问可以解决。然后对降压斩波主电路进展设计，所涉及电力电子原理学问的直流斩波局部，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 方式来把握 IGBT 的通断，查阅相关资料，需要使用脉宽调制器 SG3525 来产生 PWM 把握信号。电路需要使输出电压恒定为 15V， 承受电压闭环，将输出电压反响给把握端，由输出电压与载波信号比较产生PWM 信号，到达负反响稳定把握的目的。得到电路的原理框图如下：图 1 总电路原理框图102 直流稳压电源设计2.1
3、 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局部组成，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沟通电压U1变换为整流电路所需要P的沟通电压U2。电源变压器的效率为： h = 2，其中：P 是变压器副边的功率，P21P 是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1 所示：1表1 小型变压器效率因此，当算出了副边功率 P2后，就可以依据上表算出原边功率 P 。1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沟通电压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
4、直流电压U3中的大局部纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与沟通电压U2的有效值的关系为：U= (1.1 1.2)U；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：UI=2U2I；流过每只二极管的平均电为：I=R0.45U=2 ，RM2D2R其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C供给放电通路，放电时间常数RC应满足： RC (3 5)T 2, 其中：T = 20ms 是50Hz 沟通电压的周期。由于输入电压U1发生波动、负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。本次设计依据任务要求，选定稳压器为可调式
5、。可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调整的稳压器，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、输出端和调整端。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，是依据稳压电源的输出电压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
6、器件。依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 依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；依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；依据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。然后依据所确定的参数，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U和滤波RM电容的电容值和耐压值。依据所确定的参数，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展设计，输出电压为2030V。集成稳压器选用
7、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(U-U )= 3V ，输入Io min电压与输出电压差的最大值(UI-U )omax= 40V 。故CW317的输入电压范围为：U0max+ (UI-U )o UminI Uo min+ (UI-U )omax即： 30V + 3V U 20V + 40VI33V UU I 60V33UImin = 30V , 取U= 30V21.11.12变压器副边电流： I2 Io max= 1A,取I2= 1.2A ，因此，变压器副边输出功率： P2 I U22= 36
8、wP由于变压器的效率h= 0.8，所以变压器原边输入功率P 21h= 45w ，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：URM 2U=2 30 = 42.4V ，I0 max= 1A 。IN4001 的反向击穿电压URM 50V ，额定工作电流 I2D= 1A = I，0max故整流二极管选用IN4001。由于电路对纹波由要求，输出纹波电压：100mv，选定稳压系数 SV 310-3 ，依据U0= 30V ,UI= 33V 以及公式 SV= DU0 / DUI ，UU可以求得：DUU0I0.133DU=op- pI = 36.7VIU S0V30 310-3
9、It所以，滤波电容：I. T11 1CC = D=o max2 =502= 0.0002724F = 272.4uFUDUII36.7电容的耐压要大于 2U电容。=42.4V，故滤波电容C取容量为470uF，耐压为50V的电解22.3 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组成输出电压调整电路，输出电路U0 1.25(1+ Rw/ R ) ， R11取120240 W ，流过 R 的电流为510mA。取 R11为240 W
10、，则由U0 1.25(1+ Rw/ R ) 可以求得，1Rwmin= 3.6kW ， Rwmax= 5.5kW，故取 Rw为10k W 的周密线绕电位器即可实现电压输出为20-30V的直流电。通过示波器测试输出电压波形，觉察输出纹波电压1A，反向击穿电压 Bvceo30V 的 IGBT。而一般的IGBT 根本上都可以满足这个要求。4) 对于二极管的选择，当a=1 时，其承受最大反压30V；而当a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格外简洁
11、的，在此对电感不予计算，认定电感值 L 很大。4 把握电路原理与设计4.1 把握电路方案选择IGBT 把握电路的功能有：给逆变器的电子开关供给把握信号；对电流反响信号进展放大处理，并依据反响、给定信号调整电子开关把握信号的脉宽；以及对保护信号作出反响，关闭把握信号。脉宽调整器的的根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，在负入端输入始终流电平，比较后输出一方波信号，转变负输入端直流电平的大小，即可转变方波信号的脉宽。图 8 SG3525 引脚图对于把握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
12、生芯片来把握。由于题目要求输出电压、电流连续可调，所以我选用一般的 PWM 发生芯片来进展连续把握。对于 PWM 发生芯片，我选用了 SG3525 芯片，其引脚图如图 8 所示，它是一款专用的 PWM 把握集成电路芯片，它承受恒频调宽把握方案，内部包括周密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。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
13、端。该放大器是一个两级差分放大器。依据系统的动态、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响补偿网络，另外当 10 脚的电压为高电寻常，11 和 14 脚的电压变为 10 输出。图 9 SG3525 内部框图4.2 把握电路原理图及工作原理由于 SG3525 的振荡频率可表示为 ：f =1Ct(0.7Rt + 3Rd )式中: Ct,Rt 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻；Rd 是与脚 7 相连的放电端电阻值。依据任务要求需要频率为50Khz，所以由上式可取Ct=1 uF ,Rt= 12W ,Rd= 4W 。可得 f=49.02Khz，根本满足要
14、求。图 10 把握电路局部电路图SG3525 有过流保护的功能，可以通过转变 10 脚电压的凹凸来把握脉冲波的输出。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，转换成电压信号来进展过流保护，如图 11 所示。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 脚始终处于低电平，从而正常的输出 PWM 波。5 驱动电路原理与设计5.1 驱动电路方案选择该驱动局部是连接把握局部和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与牢靠性直接影响着整个系统变流的成败。该局部主要需完成以下几个功能：(1)供给适当的正向和反向输出电压，
15、使 IGBT 牢靠的开通和关断；(2)供给足够大的瞬态功率或瞬时电流，使 IGBT 能快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力气。针对以上几个要求，对驱动电路进展以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下 2 种驱动电路，下面对其进展比较选择。方案 1：承受光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其供给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。另外它使用比较便利，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us 的时间滞后，
16、不适应于某些要求比较高的场合。方案 2：承受变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路构造简洁，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要把握，又有一些全控器件专用的驱动芯片，其内部集成了光耦电路，使用便利，所以选择方案 1。5.2 驱动电路分析与设计针对以上分析，我选取了日本 FUJI 公司的 EXB841 驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，把握简便牢靠。下面简洁介绍一下它的工作原理。如图 11 所示，其工作电源为独立电源 201V，内
17、部含有-5V 稳压电路，为ICBT 的栅极供给+15V 的驱动电压，关断时供给-5V 的偏置电压，使其牢靠关断。当脚 15 和脚 14 有 10mA 电流通过时，脚 3 输出高电平而使 IGBT 导通；而当脚15 和脚 14 无电流通过时，脚 3 输出低电平使 IGBT 关断；假设ICBT 导通时，假设承受短路电流，则其电压 Vce 随电流的增大快速上升，脚 6 悬空，脚 3 电位开头下降，从而渐渐关断 IGBT。图 11 EXB841 内部构造图利用 EXB841 驱动芯片可画出其驱动电路原理图如以以下图 12 所示。图 12 驱动电路原理图如图 12 所示，两个 47uf 电容用于吸取高频
18、噪音，在脚 3 输出脉冲的同时， 通过快速二极管 VD1 检测 IGBT 的 CE 间的电压。当 Vce7V 时，过流保护电流把握运算放大器，使其输出软关断信号，将脚 3 输出电平降为 O。因 EXB841 无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦 TLP521 将过流保护信号输出至把握电路，经过确定延时，以防止误动作和保证进展软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图 12 与图 11 联系起来即可得到电路的把握驱动局部。5.3 PWM 把握原理与波形本次课程设计承受的是 PWM 方式把握全控型器件 IGBT 的通断，主要使用的是脉宽调制器 SG3525 产生 PWM
19、 波形，在电路设计时，由于输出电压 Ui 是 20-30V 的直流可调电压，而输出是 15V 的恒定电压，电路需承受电压闭环的方式设计； 于是我考虑到使用负反响的思想，通过电路输出电压的大小，反响给脉宽调制器SG3525，脉宽调制器 SG3525 通过反响来的电压值来产生 PWM 波形，而反响电压值的大小打算了 PWM 波形的脉宽，从而实现 IGBT 的通断。PWM 原理波形如图 13 所示。在电路设计中，脉宽调制器 SG3525 的正向输入端 1 接入载波信号，为三角波；在其反向输入端 2 接入主电路输出电压，即为信号波。SG3525 通过这 2 个端口的电压值比较产生 PWM 把握信号，可
20、以设定好三角波的幅值以及斜率，例如当主电路输入电压为 30V 时，此时的占空比应当为 0.5；当输入电压为 20V 时， 此时的占空比应当为 0.75。而输出电压恒定为 15V，当输出电压高于这个值时， 产生的 PWM 信号脉宽会减小，从而占空比减小，输出电压降低；当输出电压低于这个值时，产生的PWM 信号脉宽会增加，从而占空比加大，输出电压增加，最终维持在 15V 恒定的水平，到达了设计的要求。图 13 PWM 方式波形图6 保护电路的原理与设计6.1 过电压保护对于IGBT 开关速度较高，IGBT 关断时及FWD 逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块四周的接线的电感，就产生了 L d
21、i/dt 电压.关断浪涌电压关断浪涌电压，因 IGBT 关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压，抑制方法的方法主要有：1） 在 IGBT 中装有保护电路=缓冲电路可吸浪涌电压。缓冲电路的电容，承受薄膜电容，并靠近 IGBT 配置，可使高频浪涌电压旁路。2） 调整 IGBT 的驱动电路的 VCE或 R ，使 di/dt 最小C3） 尽量将电件电容靠近 IGBT 安装，以减小分布电感，承受低阻抗型的电容效果更佳4） 为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳在此根底上选择缓冲电路，由于缓冲电路的种类繁多， 在这里我选用 RCD缓冲电路如图
22、14，作为对 IGBT 的保护，其特点如下：1） 关断浪涌电压抑制效果好。2） 与 Rc 缓冲电路不同。因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大，因而避开了开通时 IGBT 功能受到限制的问题。3） 缓冲电路中的损耗主要由缓冲电阻产生 格外大，因而不适用于高频开关用途。6.2 过电流保护图 14 保护缓冲电路图一旦发生短路，IGBT 的集电极增加到既定的直，则 CE 间的电压急剧增加。依据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到确定数值以下，但是在 IGBT 上还有外加的高电压，大电流的大负载，必需在尽量短的时间内解除。从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的缘由主要有：1） 晶体管或二极管的破坏2
23、） 把握电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作3） 配线工作等人为失误以及负荷绝缘的破坏过流保护的方法比较多，比较简洁的方法是一般承受添加 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。6.3 设计电路的总体分析通过对直流稳压电源局部，BUCK 主电路，把握电路以及驱动电路的设计， 得到了设计的总体电路，图参见附录。在总电路图中，直流稳压电源局部输出20-30V 的直流电供给 BUCK 电路，在 BUCK 主电路里，负载输出恒定为 15V，全控型器件选用 IGBT；电路承受的是 PWM 把握方式，把握脉冲由集成脉宽调制器SG3525 产生，BUCK 电路输出
24、电压反响给把握电路，起到把握占空比的目的；把握信号需要经过驱动电路才能起到把握 IGBT 的目的，驱动电路是由驱动芯片EXB841 构成；电路中还包括了IGBT 的缓冲保护电路，对电路的过电流与过电压起到了很好的抑制作用。7 总结回忆此次电力电子课程设计的一个星期，我感慨很多。从理论到时践，在整整一个星期的日子里，我遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。它不仅稳固了以前所学的理论学问，更是学到了很多课外的东西，熬炼了自己解决实际问题的力气。在此次课程设计过程中，我遇到的问题还是很多的。刚开头拿到这个题目时， 不知道如何下手，课本上涉及这局部的原理学问比较少，光靠自己所学的学问根本解决不了，
25、于是我去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的缺乏之处，知道自己对以前所学过的学问理解得不够深刻，把握得不够结实， 以后还要努力。通过这次课设，觉察了自己的缺乏和缺陷，也熬炼了自己将理论学问运用到实际中的力气，受益良多。电力电子课程设计经过一周的时间完成了 ，在进展设计的过程中，我参考了很多资料，包括网上的，书上的，觉察自己现在学到的只是很小的一局部，而且自己在寻常学习也不是很认真，所以在设计上有确定的难度。就我设计的题目而言，寻常在书上介绍的只是一些原理，具体要怎么设计一个完整的架构就需要我们对现有和过去学的
26、学问有一个或许的了解。虽然现在的设计题目比较简洁， 但通过课程设计的学习工作，使我接触了很多的学问，如 Protel99 绘图，也让我对这门课有了更深的了解，培育了我们求真务实的态度。参考文献1 董国增, 电气 CAD 技术北京:机械工业出版社, 20232 王兆安,黄俊, 电力电子技术北京:机械工业出版社, 20233 丁道宏, 电力电子技术北京:航空工业出版社,19924 张亮,郭仕剑,王宝顺MATLAB7.x 系统建模与仿真北京:人民邮电出版社,2023 5赵良炳, 现代电力电子技术根底北京:清华大学出版社,19956 石玉, 电力电子技术题例与电路设计指导北京: 机械工业出版社,2023附录系统的总的电路原理图如以以下图所示：本科生课程设计成绩评定表姓名徐源性别男专业、班级自动化 0606 班课程设计题目：BUCK 变换器的争论与设计课程设计辩论或质疑记录：成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好20 分设计说明书文理通顺，工整10 分设计方案合理，论证充分20 分设计资料齐全，格式标准10 分独立完成任务，无原理性错误20 分辩论20 分总 分：最终评定成绩以优、良、中、及格、不及格评定指导教师签字：年月日