BUCK型DCDC变换器电路设计.docx

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BUCK型DCDC变换器电路设计

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

BUCK型DC-DC变换器电路设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

自131班

学号：

*********

*******************

指导教师：

（签字）

起止时间：

2016..1.04-2016.01.15

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

130302011

学生姓名

李君奥

专业班级

131

课程设计（论文）题目

BUCK型DC-DC变换器电路设计

课程设计（论文）任务

实现功能

设计一个将600VDC降低到220VDC的DC-DC变换器。

设计任务及要求

（1）根据给出的技术参数指标，确定系统总体设计方案及系统控制结构框图。

（2）设计主电路，并对主电路中包含的元器件进行参数设计。

（3）设计驱动电路和控制电路。

（4）设计保护电路，电路具有过流保护功能。

（5）进行matlab软件仿真分析。

（6）撰写、打印课程设计说明书，字数在4000字以上（论文）。

技术参数

输入电压为600VDC，输出电压为220VDC，输出额定电流为2.5A，当输入电压在小范围变化时，电压调整率≤5%,变换器在满载时效率≥90%。

进度计划

（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）

（2）计算参数，选择器件（2天）

（3）设计主电路和驱动电路、控制电路、保护电路（2天）

（4）仿真分析（2天）

（5）撰写、打印设计说明书（2天）

（6）答辩（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。

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。

全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。

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。

直流斩波电路由控制电路，驱动电路，保护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。

在Matlab仿真实验中，当输入电压为600VDC时，输出电压为220VDC，输出额定电流为2.5A，当输入电压在小范围变化时，电压调整率≤5%,变换器在满载时效率≥90%。

关键词：

直流；降压斩波；电力电子；变换电路；

第1章绪论

结合课程设计题目及任务要求，概括叙述与之相关的发展技术。

该部分内容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。

斩波电路分为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。

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BUCK降压斩波电路的发展。

直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。

但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:

系统损耗的问，栅极电阻，驱动电路实现过流过压保护的问题。

此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。

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BUCK降压斩波电路的发展。

直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及二十世纪八十年代兴起的电动汽车的控制。

从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。

由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。

第2章课程设计的方案

概述

本次设计主要是综合应用所学知识，设计出BUCK型DC-DC变换器电路设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。

能够较全面地巩固和应用“电力电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握电力电子系统设计的基本方法。

应用场合:

直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。

系统功能介绍:

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。

系统组成总体结构

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护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主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图2.1所示。

图2.1降压斩波电路结构框图

在图2.1结构框图中，控制电路是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，可以使其开通或关断的信号。

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。

第3章电路设计

主电路设计

主电路方案

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。

而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。

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。

工作原理

根据所学知识，直流降压斩波主电路如图3.1所示：

图3.1主电路图

直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。

用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压U=E，负载电流I按指数曲线上升。

电路工作时波形图如图3.2所示：

图3.2降压电路波形图

当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，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

（3-1）

为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。

通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值Uo最大为E，若减小占空比α，则Uo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。

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）电源要求输入电压为600V。

（2）电阻因为当输出电压为220V时，假输出电流为2.5A。

所以由欧姆定律

（3-2）

可得负载电阻值为88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600V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为6.8A。

故需选择集电极最大连续电流=，反向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。

（4）二极管其承受最大反压600V，其承受最大电流趋近于27.2A，考虑2倍裕量，故需选择，的二极管。

（5）电感L=100mH

（6）开关频率f=5KHz

（7）电容设计要求输出电压纹波小于1

驱动电路设计

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以直接驱动IGBT。

因此需要信号放大的电路。

另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。

因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。

该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，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。

否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。

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。

针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。

针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。

方案1：

采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。

其提供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。

另外它使用比较方便，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，不适应于某些要求比较高的场合。

方案2：

采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，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控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。

对于方案1