中南大學DC-DC變換器電力電子課程設計報告

1、 電力電子課程設計報告DCDC變換器 學 院： 信息科學與工程學院 班 級： 電氣1201班 姓 名： 學 號： 指導教師： 時 間： 2015.01.20 目錄一、 引言.1二、 設計要求與方案.22.1設計要求.22.2 方案確定.2三、 主電路設計.43.1 主電路方案.43.2 工作原理.43.3 參數(shù)分析.6四、 控制電路設計.104.1 控制電路方案選擇.104.2 工作原理.104.3 控制芯片介紹及參數(shù)選擇.10五、 驅動電路設計.155.1 驅動電路方案選擇.155.2 工作原理.15六、 保護電路設計.186.1 過壓保護電路.186.2 過流保護電路.197、 系統(tǒng)仿真及

2、結論.218、 總電路原理圖.269、 參考文獻.2810、 致謝.29 1、 引言 DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。BUCK變換器是開關電源基本拓撲結構中的一種，BUCK變換器又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要直接降壓的地方。 本次課設立求設計出DC-DC變換器實現(xiàn)15V向5V的電壓變換，選取的電路是IGBT降壓斬波電路。 IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT

3、作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了主導地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。IGBT降壓斬波電路由于易驅動，電壓、電流容量大在電力電子技術應用領域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。 2、 設計要求與方案2.1 設計要求1

4、. 任務 設計并制作一個DC-DC 變換器（15V 轉變成5V）2. 要求1）輸出電壓 Uo ：5V；2）最大輸出電流 Iomax ：1A；3）輸入電壓范圍：12V18V；4）輸出電流Io 范圍：01A 時;3.說明1）DC-DC 變換器不允許使用成品模塊，但可使用開關電源控制芯片。2）電源在最大輸出功率下應能連續(xù)安全工作足夠長的時間。3）設計報告正文中應包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、保護電路圖4) 設計報告中要寫明所有的設計過程5) 利用仿真軟件分析電路的工作過程2.2 方案確定 電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成

5、一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當控制電路所產生的控制信號能夠足以驅動電力電子開關時就無需驅動電路。根據(jù)降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅動及保護電路，設計出降壓斬波電路的結構框圖如圖1所示。控制電路SG3525驅動電路光耦隔離BUCK主電路 保護/反饋電路電壓電流反饋 圖1降壓斬波電路結構框圖 在圖1結構框圖中，控制電路是用來產生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產生的控制信號傳到驅動電路，驅動電路把控制信號轉換為加在開關控制端，可以使其開通或關斷的信號。通過控制開關的

6、開通和關斷來控制降壓斬波電路的主電路工作。保護電路是用來保護電路的，防止電路產生過電流現(xiàn)象損害電路設備，通過從負載取電壓和電流與基準值比較。若電壓電流過大，從保護電路生成反饋信號給控制電路，是其產生動作，調節(jié)buck主電路的輸出電壓或電流。三、主電路設計3.1 主電路方案 根據(jù)所選課題設計要求設計一個降壓斬波電路，可運用電力電子開關來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學的降壓斬波電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結構。 在降壓斬波電路前，可連接一個單相橋式整流電路，并且經(jīng)過濾波及穩(wěn)壓，最后以220V交流市電轉化成15V直流電壓

7、送至buck電路輸入端。 至于開關的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因為IGBT控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關速度快、驅動電路簡單等特點，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。3.2 工作原理圖2 降壓斬波電路主電路原理圖 t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓，負載電流按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。 當電路工作穩(wěn)定時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖3所示，負載電壓的平均值為： 式中，為V處于通態(tài)的時間，為V處于斷態(tài)的時間；T為

8、開關周期；為導通占空比，簡稱占空比或導通比。負載電流的平均值為： 若負載中L值較小，則在V關斷后，到了時刻，如圖4所示，負載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負載電壓平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 3.3 參數(shù)分析（1） 單相橋式不可控整流電路如下圖5所示： 圖5 整流穩(wěn)壓部分如圖所示，將波動為20%的220V交流市電經(jīng)變壓器降至有效值為22V的交流電壓，匝數(shù)比為10：1。再經(jīng)過LC整流濾波，得到的輸出電壓為0.9=20V。濾波電路中電感和電容的選擇則根據(jù)輸出電壓的脈動系數(shù)來確定。一般要求脈動系數(shù)小于1%。由1，f=50Hz得故取L=100mH，C=10mF

9、驗算后得S=0.68%欲使輸出電壓為穩(wěn)定的15V，應在濾波電路后加穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路由限流電阻與穩(wěn)壓二極管組成，選擇穩(wěn)壓二極管反向擊穿電壓15V，型號ZM4744A, 1W/15V。限流電阻R經(jīng)經(jīng)驗計算，選取200。 （二）主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電容、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：(1)電源 輸入電壓為15V，經(jīng)220V交流電整流得到(2)電阻 因為當輸出電壓為5V時，額定負載電流為1A，所以由歐姆定律可得負載電阻值為5。 （3）IGBT 由圖3易知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為15V；而當=1時，IGBT有最大電

10、流，其值為 考慮到1.5至2倍的裕量，故需選擇集電極最大連續(xù)電流，反向擊穿電壓的IGBT，一般的IGBT都滿足要求。（4）二極管 其承受最大反壓15V，其承受最大電流趨近于20A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。（5）電感 由于正常工作時，（即D）為0.3-0.4之間變化，要電流連續(xù)，則最小負載電流應大于臨界電流，取最小負載電流。當開關導通時，有ViV0=Lf*（ILmax-ILmin）Ton如果電路工作在電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，則應取IL=2Iomin由此可得臨界電感為LC=Vi-Vo*Ton/2Iomin 由于Ton=TS*V0Vi=V0fsVi 且LfLc可得：取D的最小值0.3，求

11、得，由此可取電感大小為120H的電感。（可選用CD32系列非屏蔽貼片功率電感120H） （6）開關頻率 選取較大的開關頻率可使輸出電壓更加穩(wěn)定，故選取 f=20KHz （7）濾波電容 設計要求輸出電壓紋波小于1%。根據(jù)輸出電壓紋波公式 由此選用200的電容。取C=200，L=120H，故有：驗算：，滿足要求。降壓斬波環(huán)節(jié)原理圖四、控制電路設計4.1 控制電路方案選擇經(jīng)過查閱網(wǎng)上的控制電路的設計，主要的思想是通過一片PWM產生裝置作為控制電路，并且加以輔助的拓撲網(wǎng)絡進行反饋控制來穩(wěn)壓，其中一種運用的比較成熟的方法是使用SG3525+IR2110作為一套控制+驅動電路。并且SG3525具有一定的過

12、壓保護和過流保護的作用，并且可以進行拓撲擴展，因此這次設計選用SG3525A芯片作為主控制芯片。4.2 工作原理本控制電路是以SG3525A為核心構成, SG3525A為美國Silicon General 公司生產的專用，它采用恒頻脈寬調制控制方案 ,內部包含有精密基準源,鋸齒波振蕩器,誤差放大器,比較器,分頻器和保護電路等.調節(jié)Ur 的大小,在11,14兩端可輸出兩個幅度相等,頻率相等,相位相差,占空比可調的矩形波(即PWM信號)。然后，將脈沖信號驅動電路，對微信號進行升壓處理，再把經(jīng)過處理的電平信號送往IGBT，對其觸發(fā)，以滿足主電路的要求。4.3 控制芯片介紹以及參數(shù)確定電壓調節(jié)芯片SG

13、3525 具體的內部結構如圖 所示。其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳5，腳6，腳7 內有一個雙門限比較器，內電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡。圖6 SG3525管腳圖&內部框圖SG3525振蕩器及外部接線原理：SG3525各引腳

14、的具體功能1.Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節(jié)器。3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。 4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。5.CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。6.RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接

15、入端。7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構成放電回路。 8.Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只軟啟動電容。9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節(jié)器。10.Shutdown(引腳10)：外部關斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。11Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。12.Ground(引腳12)：信號地。13.Vc(引腳1

16、3)：輸出級偏置電壓接入端。14.Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。 15.Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。16.Vref(引腳16)：基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準電壓。通過查閱有關SG3525芯片的Datasheet，部分參數(shù)見圖7，我了解到了SG3525芯片的一些參數(shù)，并且參考數(shù)據(jù)手冊中給出的典型應用電路我設計出了課程設計所需的硬件圖，見圖8，并且計算了相關的數(shù)據(jù)。 圖7 SG3525A Datasheet局部參數(shù) 圖8 控制電路圖 5V電壓通過2.5歐姆、2歐姆、0.5歐姆電阻分壓后輸入2號引腳；Vin和Vc分別接入20V

17、的電壓；Sync懸空；Vref通過分壓電阻給eam端分得2.55V的電壓，根據(jù)F=1/CT*(0.7RT+3RD),設定輸出頻率為20KHZ，可以分別算得RT=12K歐，RD=200歐，CT=5.56nF；soft腳接4.7uF電容，然后接地進行軟啟動；通過1腳和9腳之間的電容，9腳可以將1腳與2腳（基準電壓2.55V）之間的誤差進行積分累加，以此來消除因輸出電壓不穩(wěn)定造成的電壓誤差。在正常情況下1腳的輸入是2.5V，9腳的輸入電壓0.93.3V，占空比0%49%，計算輸出PWM的占空比：=3.3-2.53.3-0.9=33%剛好是33%，根據(jù)計算R1=R2=100K歐 ，C1=318pF，可

18、以在一定程度上起到過電壓保護的作用。Shutdown端通過外接電路進行過電流保護作用。 五、驅動電路設計5.1 驅動電路方案選擇IGBT驅動電路主要有3種典型的電路：（a） 阻尼濾波門極驅動電路為了消除可能的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接上RC網(wǎng)絡組成阻尼濾波器且連線采用雙絞線。（b） 光耦合器門極驅動電路驅動電路的輸出級采用互補電路的型式以降低驅動源內阻，同時加速IGBT的關斷過程。（c）脈沖變壓器直接驅動IGBT的電路由于是電磁隔離方式，驅動級不需要專門直流電源，簡化了電源結構。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結構，起功率開關器件一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式.美國IR公司生產的IR21

19、10驅動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選?？梢钥闯?，IR2110芯片集成了以上幾種驅動電路的優(yōu)點。5.2 工作原理 圖11 IR2110內部框圖IR2110引腳功能及特點簡介 LO（引腳1）:低端輸出 COM（引腳2）:公共端 Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓 Nc（引腳4）: 空端 Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓 VB (引腳6):高端浮置電源電壓 HO（引腳7）:高端輸出 Nc（引腳8）: 空端 VDD（引腳9）:邏輯電源電壓 HIN（引腳10）: 邏輯高端輸入 SD（引腳11）:關斷 LIN（引腳12）:邏輯低端輸入 Vss（引腳13）:邏輯電

20、路地電位端，其值可以為0V Nc（引腳14）:空端 IR2110的特點： （1）具有獨立的低端和高端輸入通道。 （2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V。 （3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為1020V。 （4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）515V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V的便移量。 （5）工作頻率高，可達500KHz。 （6）開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns。 （7）圖騰柱輸出峰值電流2A。 IR2110的工作原理： IR2110內部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，可以

21、為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設計，可以大大減少驅動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。 下圖圖12是我設計的IR2110的框圖 ,根據(jù)查閱IR2110的相關數(shù)據(jù)手冊和典型電路，對各管腳的接線和元器件的參數(shù)進行的排版和計算。VB和VS之間接10uF電容并且通過二極管接電源，VCC和COM之間接10uF電容，VSS和VDD之間接10uF電容然后接電源，HO懸空，LO輸出PWM，SD接地，LIN作為PWM輸入。圖12 IR2110設計圖六、保護電路設計6.1 過壓保護電路（1） 阻容保護（保護IGBT）當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消

22、耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。阻容保護電路圖13如下：圖13 阻容保護電路圖 將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩。 電容選值 操作過電壓，其實質是開關開端時產生的電磁能量震蕩過程。在回路中沒有保護器存在時，總電容值很小，導致震蕩頻率f很高。電容的引入，可以大大提高回路總電容值，降低震蕩頻率。最佳的效果應是降低頻率正好到工頻（50Hz）。根據(jù)多年運行經(jīng)驗，取電容

23、0.1F時，一般可以將f限制在150Hz以下，因此0.1F就成為一個比較通用的值。 電阻選值R不應小于其臨界值，否則對降低頻率不利。存在電阻值不應小于100的說法。故此處選用200。(2) 負載過壓保護利用控制電路中的控制芯片SG3525A自帶的功能可實現(xiàn)過壓保護，即通過比較負載電壓和基準電壓，來控制SG3525A輸出的觸發(fā)脈沖的占空比，若占空比下降，則主電路輸出電壓（負載電壓）就會下降。從而達到避免出現(xiàn)過壓的現(xiàn)象。此保護電路具有負反饋功能，可以自我調節(jié)，使主電路輸出電壓穩(wěn)定。6.2 過流保護電路（1） 熔斷器過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，防止I

24、GBT的破壞和對電路中其他元件的保護。（2） 過流保護電路 過流保護電路如圖14所示。圖14 過流保護電路如圖14，左側為放大器，放大器正相端接負載上的電流反饋（取反饋的方法為：在負載中串一個小電阻，將電流取樣），反相串1k電阻接地。反相端電阻R=1k，9k電阻跨接在輸出端與反相端之間。由放大器運算公式：，可知信號放大了10倍。放大后的信號與基準電壓5.1V進行比較，若小于等于基準值，則輸出低電平，若高于基準值，則輸出高電平。使10端上的信號為高電平，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程，使輸出電壓降低，同時降低電流的大小。從而達到了過電流保護的效果。七、系統(tǒng)仿真及結論根據(jù)課程設計要求，采用matlab中的simulink仿真對此DC-DC變換器進行仿真，控制電路及驅動電路產生的觸發(fā)脈沖由pulse generator代替，單相橋式不可控電路在此省略。在輸入端加15V直流電壓源。（1） 按原理圖在MATLAB中搭建模塊，搭建好的模型圖15如下 圖15（2） 調試與結果分析 由