buck变换器设计 湖南工程学院

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：电力电子技术

题目：BUCK变换器设计

专业班级：

学生姓名：学号：

指导老师：***

审批：蔡斌军

任务书下达日期2011年6月13日设计完成日期2011年6月23日

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目录

第一章概述 (6)

1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势 (6)

第二章Buck变换器设计总思路 (7)

2.1 电路的总设计思路 (7)

2.2 电路设计总框图 (7)

2.3 总电路图 (8)

第三章BUCK主电路设计 (9)

3.1 Buck变换器主电路基本工作原理 (9)

3.2 主电路保护（过电压保护） (10)

3.3 Buck变换器工作模态分析 (10)

3.4 Buck变换器元件参数 (12)

3.4.1 占空比D (12)

3.4.2 滤波电容C f (13)

3.5 Buck变换器仿真电路及结果 (14)

第四章控制和驱动电路模块 (15)

4.1 SG3525A脉宽调制器控制电路 (15)

4.1.1．SG3525简介 (15)

4.1.2．SG3525内部结构和工作特性 (15)

4.2 SG3525构成的控制电路单元电路图 (18)

4.3 驱动电路设计 (18)

第五章课程设计总结 (19)

第六章附录 (20)

第七章参考文献 (21)

第一章概述

1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势

从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。

有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。

为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于

forward电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

第二章Buck变换器设计总思路

2.1 电路的总设计思路

Buck变换器电路可分为三个部分电路块。分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。

主电路模块，由MOSFET的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。

控制电路模块，可用SG3525来控制MOSFET的开通与关断。

驱动电路模块，用来驱动MOSFET。

2.2 电路设计总框图

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。

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下图所示。

2.3 总电路图

第三章 BUCK 主电路设计

3.1 Buck 变换器主电路基本工作原理

Buck 电路是由一个MOSFET 开关Q 与负载串联构成的，其电路如图

3.1。驱动信号ub 周期地控制功率晶体管Q 的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo 等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。电路的主要工作波形如图3.2。

图3.1 Buck 变换器电路

Ub

A U 00t t

t Vin

L

i L

i QON QOff

图3.2 Buck 变换器的主要工作波形

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：

3.3 Buck变换器工作模态分析

在分析Buck变换器之前，做出以下假设：

①开关管Q、二极管D均为理想器件；

②电感、电容均为理想元件；

③电感电流连续；

④当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。

在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：