buck變換電路設(shè)計(jì)

1、南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： Buck變換電路的設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 自動(dòng)化 124 學(xué) 號(hào)： 203120408 姓 名： 陳 猛 指導(dǎo)教師： 趙 濤 起迄日期： 2014.12.222014.12.26 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 工程中心4-207 目 錄1 引言2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容3 設(shè)計(jì)方案選擇及論證3.1 控制芯片的選擇3.2 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇4 總體電路設(shè)計(jì) 5 功能電路設(shè)計(jì)5.1 主電路的設(shè)計(jì)5.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)5.3 控制電路的設(shè)計(jì)5.4 輔助電源的設(shè)計(jì)6 電路仿真與調(diào)試7 設(shè)計(jì)總結(jié)8 參考文獻(xiàn)BUCK變換電路設(shè)計(jì)1 引言本次

2、電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作，利用Buck降壓斬波電路，使用TL494作為控制芯片輸出脈沖信號(hào)從而控制MOS管的開(kāi)通與關(guān)斷。為了將MOS管G極和S極隔離，本設(shè)計(jì)采用了集成的驅(qū)動(dòng)芯片。另外本設(shè)計(jì)還加入了反饋環(huán)節(jié)，利用芯片自身的基準(zhǔn)電壓與反饋信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，進(jìn)而調(diào)整主電路的輸出電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)計(jì)一降壓斬波電路，采用BUCK電路。輸入直流電源：DC1830V，輸出電壓為輸入電壓50%100%可調(diào)： 輸出額定電流2A， 電流峰峰值不大于0.5A， 輸出電壓紋波不大與5%。

3、 2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1） 主電路的設(shè)計(jì)，器件的選型，電感和輸出電容的選擇； 2） 驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和保護(hù)電路設(shè)計(jì)； 3） 輔助電源設(shè)計(jì)，要求提供 DC15V 驅(qū)動(dòng)電源和 5V 控制電源； 4） 控制電路的設(shè)計(jì)，不同頻率、不同脈寬 PWM 波的實(shí)現(xiàn)。 5） 制作驅(qū)動(dòng)和主電路； 6）利用提供的控制信號(hào)，完成 BUCK 電路的驅(qū)動(dòng)和主電路和調(diào)試。3 設(shè)計(jì)方案選擇及論證3.1 控制芯片的選擇方案一：采用SG3525芯片。它是一款專(zhuān)用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。方案二：采用TL494芯片。它是一種固定頻率脈

4、寬調(diào)制電路，主要為開(kāi)關(guān)電源電路而設(shè)計(jì)，在開(kāi)關(guān)電路中比較常見(jiàn)。綜合對(duì)芯片的熟悉程度以及考慮到本次設(shè)計(jì)是比較小的手工制作電路，所以選擇TL494最為合宜。3.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇由于老師提供的電力電子器件為IRF540，為MOS管。主電路中只有一個(gè)MOS管需要控制開(kāi)關(guān)。方案一：采用光耦隔離加放大電路驅(qū)動(dòng)，這是一種常用方法，優(yōu)點(diǎn)是電路比較成熟，但光耦次級(jí)需要隔離電源，由于光耦的速度不是很快，工作頻率不能太高，并可能降低電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度。方案二：IR2103是一個(gè)集成的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，能夠同時(shí)控制2個(gè)受控器件。它的脈沖質(zhì)量好，工作頻率高，體積較小。且電源與控制芯片同為15V，這樣不用額外設(shè)計(jì)輔助電源。它對(duì)

5、3.3V，5V和15V的邏輯兼容，我們選擇的控制芯片TL494輸出的邏輯高電平為15V。4 總體電路設(shè)計(jì)根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及輔助電源電路，設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 控制電路驅(qū)動(dòng)電路輔助電源電源主電路原理框圖在結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來(lái)產(chǎn)生BUCK電路的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在MOS管控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。通過(guò)控制MOS的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)控制降壓斬波電路的主電路工作。5功能電路設(shè)計(jì)5.1主電路的設(shè)計(jì)電感計(jì)算：由于產(chǎn)生脈沖的芯片相應(yīng)R1K歐姆，C0.01F.則芯片產(chǎn)生的脈沖

6、頻率為f=1.1/(RC).計(jì)算得f=110KHZ.在電感充放電一個(gè)周期內(nèi)： 得 開(kāi)通時(shí) 對(duì)于BUCK電路，開(kāi)通時(shí)， D=Uo/Ui. T=1/fi=0.5A所以 故計(jì)算得出 電容計(jì)算：根據(jù)公式 解得 本設(shè)計(jì)取 L=0.2mH, C=2F在主電路中添加了接口，用來(lái)輸入直流電壓，和方便數(shù)據(jù)測(cè)量。圖15.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IR2103是一個(gè)集成的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，能夠同時(shí)控制2個(gè)受控器件。它的脈沖質(zhì)量好，工作頻率高，體積較小。且電源與控制芯片同為15V，這樣不用額外設(shè)計(jì)輔助電源。它對(duì)3.3V，5V和15V的邏輯兼容，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOS管，我們這里只需使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)口，再接入門(mén)極前串聯(lián)一個(gè)100的電阻

7、。根據(jù)器件手冊(cè)進(jìn)行接線:圖25.3 控制電路的設(shè)計(jì)TL494控制芯片是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器振蕩頻率可通過(guò)外部的電阻R T和電容C T來(lái)進(jìn)行。其振蕩頻率 為 ,R=1K歐姆，C0.01F.計(jì)算得。芯片14腳輸出基準(zhǔn)電壓通過(guò)電阻分壓進(jìn)入15號(hào)腳作來(lái)與16號(hào)反饋信號(hào)進(jìn)行比較的基值。從主電路輸出端引出的反饋信號(hào)即16號(hào)腳，與15號(hào)腳的基值進(jìn)行比較，從面調(diào)節(jié)8號(hào)腳和11號(hào)腳輸出的脈沖信號(hào)的占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)MOS管的開(kāi)通與關(guān)斷的頻率與時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)輸出端輸出理想的穩(wěn)定的電壓值。圖35.4 設(shè)計(jì)穩(wěn)壓直流電源15V和直流電壓100V由于只提供直流電壓DC:1830V，而控制芯

8、片TL494和驅(qū)動(dòng)芯片IR2103需要15V的工作電壓。用三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成15V的電壓輸出。其中變壓器匝數(shù)比為220V/24V,電容C1=100uF并且耐壓50V，三端集成穩(wěn)壓器型號(hào)為7815。圖46 電路仿真與調(diào)試電路仿真選擇MATLAB軟件，該軟件功能強(qiáng)大，具有專(zhuān)門(mén)的電力電子仿真模塊SimPowerSystem。根據(jù)之前計(jì)算結(jié)果L=2e-4H, C=2e-6F, 工作頻率f=110kHz,所以T=9.1e-6S, 占空比選擇D=50%。輸出波形：（從上到下依次為PWM波形，受控器件波形，電感電流，負(fù)載電壓）其中電感電流和負(fù)載電壓如下： 經(jīng)過(guò)放大：由上圖可知符合設(shè)計(jì)任務(wù)： 輸出額定電流2

9、A， 電流峰峰值不大于0.5A， 輸出電壓紋波不大與5%。 7 實(shí)驗(yàn)總結(jié)回顧此次電力電子裝置課程設(shè)計(jì)的一個(gè)星期，我感慨很多。從理論到時(shí)踐，我們遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了我們解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在此次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們遇到的問(wèn)題還是很多的。剛開(kāi)始拿到這個(gè)題目時(shí)，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少，光靠自己所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，于是我們小組去圖書(shū)館以及網(wǎng)站找了很多資料，學(xué)習(xí)了很多課本上沒(méi)有的東西，感覺(jué)特別充實(shí)。然后在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們學(xué)到了很多東西，也覺(jué)得知識(shí)掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過(guò)這次課設(shè)，也鍛煉了我們將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。雖然現(xiàn)在的設(shè)計(jì)題目比較簡(jiǎn)單，但通過(guò)課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工作，使我和組員接觸了很多新的知識(shí)，也讓我們對(duì)這門(mén)課有了更深的了解，培養(yǎng)了我們求真務(wù)實(shí)的態(tài)度。8 參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第五版）M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2009 2 何亮,方宇,李吉,邢巖.峰值