DC-DC变换分析.

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湖南工程学院
课 程 设 计
课程名称 电力电子技术 课题名称 DC-DC 变换电路分析
专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 赵葵银 李祥来 唐勇奇
任务书下达日期 2014
年 12 月 22 日 设计完成日期 2015年 1 月 2 日
目录
第一章设计方案………………………………………………………………第二章主电路设计及原理…………………………………………………
2.1 电源设计……………………………………………………………
2.2 降压斩波电路………………………………………………………
2.3 控制保护驱动电路…………………………………………………
2.3.1芯片介绍及功能原理图………………………………………
2.3.2电路原理图及工作原理简介…………………………………第三章 DC-DC变换器的计算机仿真………………………………………第四章体会与总结……………………………………………………………第五章附录和参考资料………………………………………………………
第一章设计方案
1.1设计电路思路
电源电路采用电容滤波的二极管不控整流电路,220V单相交流平经变压器,降为符合的交流电,再经整流电路变为直流电平,然后在降压斩波电路后,变为要求的平直的直流电平,最后要求电压其幅值大小应该为10V~14V。

1.2主电路
(1)主电路选用降压斩波电路,开关管选用电力IGBT。

(2)整流电路中,占空比不要超过65%,否则电压大于100V。

(3)需要保护电路、触发信号和控制主电路的电路。

1.3控制电路的选择与确定
直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。

如图所示:
第二章 主电路设计
2.1 电源设计
小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成。

设计是输入端接220V 、50Hz 的交流电,进过变压器T1(原线圈/副线圈为4/1)后输出55V 、50Hz ,在整流电流下,变成直流。

在直流稳压电源变压器,由电源变压、整流、滤波和稳压组成。

电网供给的交流电压3U 经电源变压降压后,得到符合电路的交流电压,然后再经整流电路变为电压2U ,再经滤波滤去杂波,就得到比较平直的直流电压I U 。

整流电流采用桥式电路整流:由四个二极管组成一个全桥整流电路.整流电路的作用是将交流电压3U 变换成脉动的直流电压2U 。

滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压2U 中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压I U 。

I U 与交流电压2U 的有效值的关系为:2)2.1~1.1(U U I =;在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为:22U U RM =。

故电压承受反向电压应大于6V ,滤波电容应在1000uf 左右。

2.2 降压斩波电路
此电路主要用来驱动IGBT 斩波。

同其他的电力电子器件一样,由分立元件组成的IGBT 驱动电路也存在着可靠性问题。

为此,目前已经研制出多种专用的IGBT 集成驱动电路。

这些集成块速度快,为了提高安全性,内部设有保护电路。

它还具有高抗干扰能力,可实现IGBT 的最优驱动。

主电路需要确定的元件有IGBT 、二极管、电源、电感、电容和电阻的值需要确定,电源的额定频率为50kHz 。

电源要求输入电压为10-14V 且连续可调,作为系统电源。

主电路电阻,因为当输出电压为5V 时,输出电流为2A ,可得到负载电阻为RL=Uo/Io=2.5Ω。

主电路IGBT,当IGBT 截止时,回路通过二极管续流,此时IGBT 两承受最大正压为14V ;而当 α=1时,IGBT 有最大电流,其值为2A 。

故需设置IGBT 的集电极最大连续电流Ic>2A 反向击穿电压Bvceo>14V 。

主电路二极管,当α=1时,其承受最大反压14V ,而当α趋近于1时,其承受最大电流趋近于2A ,故需设置二极管额定电压大于14V ,额定电流大于2A 。

主电路的占空比,根据 Buck 变换器的性能指标要求及 Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围: Dmax=Uo/Uimin=5V/10V=0.5V;
Dmin=Uo/Uimax=5V/14V=0.3571V;
变换器轻载时,如果工作在电流连续区,那么为了保持一定的输出电压,占空比大为减小,也就是说,开关管导通时间很短。

如果这个时间小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,以设定最小输出电流A I o 1.0min =, 作为电感临界连续电流来设计电感,即A I L 2.0I 2omin min ==△
2.3 控制、保护和驱动电路
2.3.1芯片介绍及功能原理图
EXB841芯片是单列直插式结构,如图5所示,各引脚的功能见表1。

图5中3脚为驱动的输出端,通过电阻R g接被驱动的IGBT的栅极;4脚用于外接电容,防止电流保护电路的误动作;5脚为过电路保护电路的输出信号,低电平有效;6脚接IGBT 的集电极,通过检测Uce的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大,从而进行自动保护。

EXB841的功能块图。

如图1所示。

图1 EXB841的功能块图
2.3.2电路原理图及工作原理简介
图1示出了EXB841的电路原理图,其结构包含隔离放大、过电流保护和基准电源三部分。

隔离放大部分由光电耦合器ISO01、晶体管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9组成。

光电耦合器IS01的隔离电压可达2500VAC。

VT2为中间放大级,VT4和VT5组成的互补式推挽输出可为IGBT栅极提供导通和关断电压。

晶体管VT1、VT3和稳压管VZ1以及阻容元件R3~R8、C2~C4组成过电流保护部分,实现过电流检测和延时保护。

电阻R10、稳压管VZ2与电容C5构成5V基准电源,为IGBT的关断提供-5V的反偏电压,同时也为输入光耦合器IS01提供副方电源.。

电路的工作过程简述如下:当14脚与15脚间流过的电流为零时,光电耦合器截止,A点为高电平,晶体管VT1、VT2导通,D点电位下降VT4截止、VT5导通。

IGBT的栅极电荷经VT5迅速放电,使3脚电位降至0V,IGBT由于Ugs=-5V 而可靠关断。

当14脚与15脚间通过10mA电流时,光电耦合器导通,A点电位下降,VT1、VT2由导通变为截止。

VT2截止导致D点电位升高,VT4导通,VT5截止。

2脚电源经VT4到3脚到Rg到IGBT,驱动IGBT的栅极,使IGBT迅速导通。

当IGBT正常工作时,Uce较小,隔离二极管VD2导通,稳压管VZ1不会被击穿,VT3截止,C4被充电,使E点电位为电源电压值(20V)并保持不变。

一旦发生过电流或短路,IGBT因承受大电流而退饱和,导致Uce上升,VD2截止,VZ1被击穿使VT3导通,C4经R7和VT3放电,E点及B点电位逐渐下降,VT4截止,VT5导通,使IGBT被慢慢关断从而得到保护。

与此同时,5脚输出低电平,将过流保护信号输出。

使用此驱动电路时应注意以下问题:
①输入电路与输出电路应分开。

即输入电路(光电耦合器)接线远离输出电路接线,以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。

②驱动电路与IGBT栅到射极接线长度应小于1m,并使用双绞线以提高抗干扰能力。

③若集电极上有大的电压尖脉冲产生,可增加栅极串联电阻Rg使尖脉冲较小。

Rg值的选择可参考表2所给数据。

第三章 DC-DC 变换器计算机仿真
电路仿真主要是对DC-DC 变换器的输入,输出的电压电流。

DC-DC 变换器的主电路简单形式,如下仿真。

在参数设置完毕后,启动仿真,得到如下仿真结果:
输入电流对其进行斩控调流,得出输出电流,其输入输出电流,如下:
跟据负载电压计算公式:E E T
t E t t t U on
off on on α==+=0得出输出电压电流的波形,如下:
第四章体会与总结
这次电力电子技术课程设计,让我有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中,并通过对知识的综合运用,进行必要的分析、比较。

从而进一步验证了所学的理论知识。

同时,次课程设计,还让我知道了最重要的是心态,在刚开始会觉得困难,但是只要充满信心,就肯定会完成的。

通过电力电子技术课程设计,我加深了对课本知识的理解,平常都是理论知识的学习,在此次课程设计中,我更进一步地熟悉了降压变换器的设计。

当然,在这个过程中我也遇到了困难,碰到的问题虽然比较多,靠自己所学的知识根本解决不了,借鉴了很多网上资料,解决了这些问题,也学到了很多课本上没有的东西。

在做设计的过程中我学到了很多东西,也知道了自己的哪些不足之处,知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,以后仍需努力。

查阅资料,相互通过讨论,我们找出了错误并纠正了错误,这更是我们的收获,不但使我们提高了实践能力,也让我们在以后的工作学习中有了更大的信心。

通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合,从实践中得出结论,从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计中遇到了不少困难,但也让我学到了一些课本上没有的知识,进一步提高了我的能力。

在短短两星期的时间里,我遇到了很多问题,也学到了很多东西。

它不仅巩固了我以前所学的理论知识,更使我们知道了由理论结合实践的基本方法,锻炼了自己解决实际问题的能力。

让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻,掌握得不够牢固。

通过这次课程设计,我把以前所学的知识重新温固,巩固了所学知识,让我受益匪浅。

第五章附录
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].刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
[7].刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内,1999
[8]. 康华光,陈大钦.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1998:451
—459.
[9].薛永毅,王淑英,何希才,新型电源电路应用实例,电子工业出版社,2001.10
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、附件、评分表(非16K大小的图纸及程序清单)。

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