buck-boost课程设计

湖南工程学院
课程设计
课程名称电力电子技术课程设计
课题名称Buck-Boost变换器设计
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2013 年月日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称电力电子技术课程设计课题Buck-Boost变换器设计
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任务书下达日期2013年月日任务完成日期2013年月日
目录
第一章概述 (6)
第二章Buck-Boost变换器设计总体思路 (7)
2.1电路总设计思路 (7)
2.2电路设计原理与框图 (7)
第三章Buck-Boost主电路设计 (8)
3.1 Buck-Boost主电路基本工作原理 (8)
3.2主电路保护（过电压保护） (10)
3.3 Buck-boost变换器元件参数 (11)
3.3.1 占空比 (11)
3.3.2滤波电感L (11)
3.3.3滤波电容 (11)
3.4 Buck-Boost仿真电路及结果 (12)
3.4.1 Buck-Boost变换器仿真模型 (12)
3.4.2不同占空比 的仿真结果 (13)
第四章控制和驱动电路模块 (17)
4.1SG3525脉冲调制器控制电路 (17)
4.1.1 SG3525简介 (17)
4.1.2 SG3525内部结构和工作特性 (17)
4.2SG3525构成控制电路单元电路图 (20)
4.3驱动电路设计 (20)
第五章总体与体会 (21)
第六章参考文献 (22)
第七章附录 (23)
第一章概述
自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。

随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。

近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。

第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。

与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。

目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。

但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。

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，相应的功率密度为（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%。

直流斩波电路的应用非常广，但在实际产品中应用时也存在一些问题：首先电源系统本身的耗能元件如电源内阻、滤波器阻抗、连接导线及接触电阻等都会引起系统损耗。

可控型器件IGBT 的栅极电阻Rg会随着驱动器件电流额定值的增大而减小，而栅极电阻Rg 的变化又会对电路的性能产生影响。

以及驱动电路如何实现过电流电压保护问题。

第二章Buck-Boost变换器总体设计思路
2.1电路的总设计思路
直流斩波电路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。

它在电源的设计上有很重要的应用。

一般来说，斩波电路的实现都要依靠全控型器件。

在这里，我所设计的是基于IGBT的降压斩波短路。

直流升降压斩波电路主要分为三部分，分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。

除了上述主要结构之外，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器隔离。

2.2电路设计基本原理与框图
电力电子器件在实际应用中，一般是有控制电路，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。

有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。

因此，一个完整的升降压斩波电路也应该包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致谢环节。

设计要求是输出电压Uo=0V-40V可调的DC/DC变换器，这里为升降压斩波电路。

由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。

IGBT的通断用PWM控制，用PWM方式来控制IGBT的通断需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。

根据升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下图所示。

图2.1 总结构框图
第三章Buck-Boost主电路设计
3.1 Buck-Boost主电路基本工作原理
V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。

同时，C 维持输出电压恒定并向负载R供电。

V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。

负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

a 原理图
b 波形图
图3.1 升压/降压斩波电路的原理图及波形图
数量关系：
稳态时，一个周期T 内电感L 两端电压uL 对时间的积分为零，即：
00=⎰t T
L d u
当V 处于通态时，E u L =；当V 处于断态时，o L u u -=；于是：
off on t U Et 0=
所以输出电压为： E E t T t E t t U on on off on α
α-=-==10 由此可见，改变导通占空比α，就能够控制斩波电路输出电压U 。

的大小。

当0<α<1/2时为降压，当1/2<α<1时为升压，故称作升降压斩波电路。

图3.1 b)中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：
off
on t t I I =21 由上式可得：
1121I I t t I on off
α
α-== 如果V 、VD 为没有损耗的理想开关时，则：21I U EI o =
其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。

3.2 主电路保护（过电压保护）
本次设计的电路要求输出电压为15V ，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和期间，应立刻将电路断开，及关断IGBT 的脉冲，使电路停止工作。

以为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过电压保护。

当引脚10端输入的电压等于或超过8V 时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。

所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端实现电压保护。

，从而
过电压保护电路图如下所示：
图3.2 过电压保护电路图
3.3 Buck-Boost变换器元件参数
3.3.1 占空比
根据Buck-Boost变换器的性能指标要求及Buck-Boost变换器输入输出电压之间的系求出关占空比的变化范围，要求输出电压为：0~ 40V，得占空比范围为：0~ 0.667。

3.3.2 滤波电感L
滤波电感Lf于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。

所以，以最小输出电流Io min作为电感临界连续电流来设计电感。

取L＝95e-5H。

3.3.3 滤波电容C
在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。

取C＝3e-6 F。

输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。

由于最大输出电压为15V，则电容的耐压值为15V。

3.4 Buck-Boost变换器仿真电路及结果
3.4.1 Buck-Boost变换器仿真模型
根据升降压斩波电路原理图，建立升压-降压式变换器仿真模型，如图（5）所示
图3.3 升压-降压式变换器仿真模型
由IGBT构成直流升降压斩波电路的建模和参数设置：
（1）电压源参数取Uo=20V；
（2）IGBT按默认参数设置，并取消缓冲电路；
（3）二极管按默认参数设置；
（4）负载参数取R＝5Ω，C＝3e－06 F；
（5）电感支路L＝95e-5H
（6）打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.002 s；
（7）控制脉冲周期设置为1e-04s,控制脉冲占空比分别设为10％、25%、50％、66.7%。

3.4.2 不同占空比α的仿真结果
1.脉冲发生器中的脉冲宽度设置为脉宽的10%，仿真结果如图3.4所示：
图3.4 控制脉冲占空比10%
从图3.4可以看出，负载上平均电压大约为2V ，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：V E E U 2.29
110==-=αα，Uo 与E 极性相反；仿真结果与升降压斩波理论在脉动范围之内。

图3.5 控制脉冲占空比25%
从图3.5可以看出，负载上平均电压大约为6.5 V ，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：V E E U 67.63
110==-=αα，Uo 与E 极性相反；仿真结果与升降压斩波理论在脉动范围之内。

图3.6 控制脉冲占空比50%
从图3.6可以看出，负载上平均电压大约为20 V ，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：V E E U 2010==-=α
α，Uo 与E 极性相反；仿真结果与升降压斩波理论在脉动范围之内。

图3.7 脉冲占空比66.7%
从图3.7以看出，负载上平均电压大约为40V ，波形为有少许波纹的直流电压；理论计算：V E E U 40210==-=
α
α，Uo 与E 极性相反；仿真结果与升降压斩波理论在脉动范围之内。

第四章控制和驱动电路模块
4.1 SG3525A脉宽调制器控制电路
4.1.1 SG3525简介
SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的 5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。

当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。

输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。

SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为8.0V到35V
·5.1V±1.0％调定的基准电压
·100Hz到400KHz振荡器频率
·分立的振荡器同步脚
4.1.2 SG3525内部结构和工作特性
（1）基准电压调整器
基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。

（2）振荡器
3525A 的振荡器，除CT 、RT 端外，增加了放电7、同步端3。

RT 阻值决定了内部恒流值对CT 充电，CT 的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD 决定。

把充电和放电回路分开，有利于通过RD 来调节死区的时间，因此是重大改进。

这时3525A 的振荡频率可表为：
)R 3R 7.0(C 1
f D T T S +=
(3)误差放大器
误差放大器是差动输入的放大器。

它的增益标称值为80dB ，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。

该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V ，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。

3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A 改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。

这样避免了彼此相互影响。

有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

(4)闭锁控制端10
利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。

(5)有软起动电路
比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。

该电容由内部V ref 的50μA 恒流源充电。

达到2.5V 所经的时间为
8C A 50V 5.2t ⋅μ=
点空比由小到大（50％）变化。

(6)增加PWM 锁存器使关闭作用更可靠
比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM 锁存器。

锁存器由关闭电路
置位，由振荡器输出时间脉冲复位。

这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。

另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。

只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。

(7)增设欠压锁定电路
电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。

(8)输出级
由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。

组间是相互隔离的。

电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。

为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。

11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。

在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。

在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。

使用时VC接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。

另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。

4.2 SG3525构成的控制电路单元电路图
图4.1 控制电路单元电路图4.3 驱动电路设计
图4.2 驱动电路原理图
第五章总结与体会
通过这次为期两周电力电子技术的课程设计, 我学会了很多的东西，能够很好的运用所学的电力电子、数字电子技术和模拟电子技术等知识解决了一些问题，体会到了将知识用于实际的快乐感。

本次设计中我查阅了相关书籍、资料，首先对直流斩波电路有了大致的掌握，直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。

进一步复习了直流斩波电路的基本类型，包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，理解了其工作原理，熟悉其原理图及工作时的波形图，掌握了这几种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点，并在理解的基础上能对直流斩波电路进行分析计算，加深了对直流斩波电路的掌握及应用。

通过使用Matlab的可视化仿真工具Simulink对Buck-Boost电路建立仿真模型，我更加熟悉了仿真库里的原器件，增强了画图能力，使用SCOPES（示波器），可以在运行方针时简明地观察到仿真结果，还可将多个结果放在一起以便对比，使我体会到了Matlab的可视化仿真工具Simulink的功能的齐全及使用的便捷。

总之，通过这次Buck-Boost变换器的课程设计，提高了自己的课程设计报告撰写水平，增强了运用计算机及互联网丰富的知识来设计和分析问题、解决问题独立完成工作任务的能力，为以后的学习工作中解决更多的、更困难的问题打了很好的基础。

同时，还提高了对电力电子技术知识的掌握和相关的动手能力，更重要的是增强的自己的信心，坚定了自己信念，明确了以后的方向，收获了许多在教室在课堂很难体会到的东西，让我知道了的不只是这个简单的课题，他让我知道的是面对一个问题时应该从哪下手，怎样才能更好的解决问题，两周的时间教会我的是一种思维方式！两周时间虽短，但这两周的内容让我受益终生。

第六章参考文献
1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000 3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000 5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
6．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996 7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
第七章总电路原理图
图7.1 总电路原理图
电气信息学院课程设计评分表
指导教师签名：________________
日期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。