直流变换器课程设计报告书

建筑电气与智能化专业《电力电子技术》课程设计课题课题直流变换器的设计班级学号姓名设计时间指导教师工学院电气工程学院2014年1月6日目录第一章．设计概要1.1 技术参数1.2 设计要求第二章．电路基本概述第三章. 电力总体设计方案第一章．设计概要1.1 技术参数：输入直流电压V in=42V，输出电压V o=12V，输出电流I o=3A，最大输出纹波电压50mV，工作频率f=100kHz。

1.2 设计要求：（1）设计主电路，建议主电路为：采用BUCK变换器，大电容滤波，主功率管用MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，并给出清单；（3）设计MOSFET驱动电路及控制电路；（4）绘制装置总体电路原理图，绘制： MOSFET驱动电压、BUCK 电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（波形汇总绘制，注意对应关系）；（5）编制设计说明书、设计小结。

第二章．电路基本概述直流斩波电路（DC Chopper）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，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。

直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，输入与输出不之间不隔离。

直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。

Buck电路作为一种最基本的DC/ DC 拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品中。

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可以分为脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方式，Buck 电路的研究对电子产品的发展有着重要的意义。

MOSFET特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

第三章.电力总体设计方案3.1 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。

3.2 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Lu o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。

第四章 BUCK 主电路设计4.1 Buck 变换器主电路原理图降压斩波电路的原理图以及工作波形如图3.1所示。

该电路使用一个全控型器件 V ，图中为MOSFET 。

为在MOSFET 关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD 。

斩波电路主要用于电子路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

图4.14.2 Buck变换器电路工作原理图直流降压斩波电路使用一个全控型的电压驱动器件MOSFET，用控制电路和驱动电路来控制MOSFET 的导通或关断。

当t=0 时MOSFET 管被激励导通，电源U向负载供电，负载电压为Uo=U,负载电流io 按指数曲线上升；当t=t1时控制MOSFET 关断负载电流经二极管VD 续流负载电压Uo 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L较大。

电路工作时的波形图如图4.2所示。

图4.24.3 主电路保护（过电压保护）本次设计的电路要求输出电压为12V，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MOSFET 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：4.3 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V、二极管VD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。

当输入脉冲为高电平，即在t on时段，V导通，此时二极管VD反偏截止，如下图4.3.1所示。

通过电感L的电流随时间不断增大，电源U 向负载R提供功率，同时对电容C充电。

在电感L上将产生极性为左正右负的感应电动势，储存磁场能量。

假设储能电感L足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流I L可近似认为是线性的，并设开关MOS管V及续流二极管都具有理想的开关特性，它们正向降压都可以忽略4.3.1导通时的电路状态4.3.2关断时电路状态（1）L12dt di LV V =+i L =LV I t LV V dt L V V +-=-⎰2121式中起始值 I Lv 是V 导通前流过L 的电流。

当t=t on 时，V 导通L 中的电流达到最大值I LPI LP =LV on I t LV V +-12 当输入脉冲为低电平，即在t off 时段，V 截止，电路相当于V 断开，如下图4.3.2所示。

此时，由电感L 中的电流将减小，为了阻止电流I 0的减小，在其上将产生极性为左负右正的感应电动势，这时二极管VD 正偏导通，为电感电流提供通路。

电感将释放磁能，一方面继续给负载R 供电，另一方面对电容C 充电，把一部分磁能转化为电容中的电场能。

当电感电流下降到某一较小的数值时，电容C 开始对负载放电，以维持负载所需的电流。

当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值与终值为相等的(下面插入图片4.3.2) （2） L2V dt di L-= I l =LP I t LV dt L V +-=⎰22- 式中起始值 I LP 为V 截止前流过的电流。

t=t off 时，V 截止，L 中的电流下降到最小值I LV I LV =-LP off I t LV +2当电路工作在稳态时，联系上式解得： I LP =LP off on I t LV L V V +--2t 12 由以上分析可得，负载电压的平均值为: V2=111t DV V TtV t t on off on on ==+ 上式中， t on 为V 处于导通状态的时间，t off 为Q 处于断开状态的时间；T 为开关周期，即T=t on +t off ；D 为导通占空比，即D=t on /T ；V1为电源电压。

由该公式可知，负载电压的平均值V2的大小由导通占空比和电源电压决定。

在电源电压不变的情况下，其大小可由调节占空比来改变，且随着占空比的增大而增大，随着占空比的减小而减小 由于占空比0<D<1，即V2<V1，输出电压小于输入电压，因此将该电路称为降压斩波电路。

负载电流平均值为： I O =RV 2上式中，R 为负载电阻。

若负载中的L 的值较小，则在Q 关断后，可能会出现负载电流断续的情况。

为了保证电流连续，要求串接的电感L 值足够大MOSFET 在开通与截止下的电感电容波形图：VinR Uo+-R Uo+-4.4 主电路参数分析主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、MOSFET 、二极管、电感、电容、电阻的确定，其参数确定如下： (1)电源 要求输入电压为42V 。

(2)电阻 因为当输出电压为12V 时，输出电流为3A 。

所以由欧姆定律 R=OOI U ,可得负载电阻值为4欧姆. (3)MOSFET 由图4.3.2易知当MOSFET 截止时，回路通过二极管续流，此时MOSFET 两端承受最大正压为42V ；而当α=1时，MOSFET 有最大电流，其值为3A 。

故需选择Vdss=100V ，Id=9.2A 的IRF520 (4)二极管 其承受最大反压42V ，其承受最大电流趋近于3A ，考虑2倍裕量，故需选择U N ≥84V ，I N ≥6A 的二极管,选用MUR820 (5)电感 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系求出关占空比D==VV42120.29 Δi Lf =0.2I O ,Δi Lf =S foDT L V V -in ,Lf 取145uH. Li(6)开关频率 f=100KHz(7)电容 设计要求最大输出纹波电压50mV.)D 1(f C 8L U dt I C 1U 2s f f o 2/T 0c f c -=∆=∆⎰,c2s f o f U f L 8)D 1(U C ∆-==15uF 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12V ，则电容的耐压值为15V 。

第五章 控制电路5.1 控制电路设计方案选择控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。

斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期T 不变，调节开关导通时间ton ，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，改变开关周期T ，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T 都可调，是占空比改变，称为混合型。

因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM 控制技术应用最为广泛，所以采用PWM 控制方式来控制MOSFET 的通断。

PWM 控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。

这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。

改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。

因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。