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

L

u 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4.1

4.2 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4.2

4.3 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