中南大学DC-DC变换器电力电子课程设计报告

电力电子课程设计报告DC—DC变换器学院：信息科学与工程学院班级：电气1201班姓名：学号：指导教师：时间： 2015.01.20目录一、引言 (1)二、设计要求与方案 (2)2.1设计要求 (2)2.2 方案确定 (2)三、主电路设计 (4)3.1 主电路方案 (4)3.2 工作原理 (4)3.3 参数分析 (6)四、控制电路设计 (10)4.1 控制电路方案选择 (10)4.2 工作原理 (10)4.3 控制芯片介绍及参数选择 (10)五、驱动电路设计 (15)5.1 驱动电路方案选择 (15)5.2 工作原理 (15)六、保护电路设计 (18)6.1 过压保护电路 (18)6.2 过流保护电路 (19)七、系统仿真及结论 (21)八、总电路原理图 (26)九、参考文献 (28)十、致谢 (29)一、引言DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

本次课设立求设计出DC-DC变换器实现15V向5V的电压变换，选取的电路是IGBT降压斩波电路。

IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。

IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。

二、设计要求与方案2.1 设计要求1. 任务设计并制作一个DC-DC 变换器（15V 转变成5V）2. 要求1）输出电压 Uo ：5V；2）最大输出电流 Iomax ：1A；3）输入电压范围：12V~18V；4）输出电流Io 范围：0~1A 时;3.说明1）DC-DC 变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。

2）电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间。

3）设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、保护电路图4) 设计报告中要写明所有的设计过程5) 利用仿真软件分析电路的工作过程2.2 方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，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。

由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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。

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图1所示。

图1降压斩波电路结构框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。

通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。

保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备，通过从负载取电压和电流与基准值比较。

若电压电流过大，从保护电路生成反馈信号给控制电路，是其产生动作，调节buck主电路的输出电压或电流。

三、主电路设计3.1 主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。

这就可以根据所学的降压斩波电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。

在降压斩波电路前，可连接一个单相桥式整流电路，并且经过滤波及稳压，最后以220V交流市电转化成15V直流电压送至buck电路输入端。

至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。

3.2 工作原理图2 降压斩波电路主电路原理图t=0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压E U =0，负载电流0i 按指数曲线上升。

t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压0U 近似为零，负载电流0i 呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。

当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图3所示，负载电压的平均值为： E E Tt E t t t U on off on on α==+=0式中，on t 为V 处于通态的时间，off t 为V 处于断态的时间；T 为开关周期；α为导通占空比，简称占空比或导通比。

负载电流的平均值为： RU i 00= 若负载中L 值较小，则在V 关断后，到了2t 时刻，如图4所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。

由波形可见，负载电压0U 平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

3.3 参数分析（一）单相桥式不可控整流电路如下图5所示：图5 整流稳压部分如图所示，将波动为20%的220V 交流市电经变压器降至有效值为22V 的交流电压2U ，匝数比为10：1。

再经过LC 整流滤波，得到的输出电压为0.92U =20V 。

滤波电路中电感和电容的选择则根据输出电压的脉动系数来确定。

一般要求脉动系数小于1%。

由0.0112≤≈S LC S ω1，67.01=S ，f=50Hz得 4108.6-⨯≥LC故取L=100mH ，C=10mF验算后得S=0.68%欲使输出电压为稳定的15V ，应在滤波电路后加稳压电路。

稳压电路由限流电阻与稳压二极管组成，选择稳压二极管反向击穿电压15V ，型号ZM4744A, 1W/15V 。

限流电阻R 经经验计算，选取200Ω。

（二）主电路中需要确定参数的元器件有IGBT 、二极管、直流电源、电感、电容、电阻值的确定，其参数确定如下：(1)电源输入电压为15V ，经220V 交流电整流得到(2)电阻因为当输出电压为5V 时，额定负载电流为1A ，所以由欧姆定律可得负载电阻值为5Ω。

（3）IGBT由图3易知当IGBT 截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT 两端承受最大正压为15V ；而当α=1时，IGBT 有最大电流，其值为 A =Ω⨯===35151max max V R E R U i o o α考虑到1.5至2倍的裕量，故需选择集电极最大连续电流A ≥6c I ，反向击穿电压V B vceo 30≥的IGBT ，一般的IGBT 都满足要求。

（4）二极管其承受最大反压15V ，其承受最大电流趋近于20A ，考虑2倍裕量，故需选择V U N 200≥，A I N 20≥的二极管。

（5）电感由于正常工作时，α（即D ）为0.3----0.4之间变化，要电流连续，则最小负载电流应大于临界电流，取最小负载电流A i o 8.0min =。

当开关导通时，有Vi —V0=L f ∗（I Lmax −I Lmin ）T on ⁄如果电路工作在电流连续和断续的临界状态，则应取∆I L =2I omin由此可得临界电感为L C =(V i −V o )∗T on /2I omin由于T on =T S ∗V 0V i =V 0f s V i且L f ≥L c可得：)1(20min D Lf V I s o -≥ 取D 的最小值0.3，求得41009.1-⨯≥L ，由此可取电感大小为120μH 的电感。

（可选用CD32系列非屏蔽贴片功率电感120μH ）（6）开关频率选取较大的开关频率可使输出电压更加稳定，故选取 f=20KHz（7）滤波电容设计要求输出电压纹波小于1%。

根据输出电压纹波公式01.0)1()(22200≤-=∆D f f V V sc π kHZ D f LC f s c 08.13.0101.021*******.02213=-⨯⨯⨯⨯=-⨯•≤=πππ F F Lf C c μππ1811008.11012.0414*******=⨯⨯⨯⨯=⋅≥- 由此选用200F μ的电容。

取C=200F μ，L=120μH ，故有：kHZ LC f c 03.121==π 验算：()%1%92.012003.122200≤=-⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=∆D V V π，满足要求。

降压斩波环节原理图四、控制电路设计4.1 控制电路方案选择经过查阅网上的控制电路的设计，主要的思想是通过一片PWM产生装置作为控制电路，并且加以辅助的拓扑网络进行反馈控制来稳压，其中一种运用的比较成熟的方法是使用SG3525+IR2110作为一套控制+驱动电路。

并且SG3525具有一定的过压保护和过流保护的作用，并且可以进行拓扑扩展，因此这次设计选用SG3525A芯片作为主控制芯片。

4.2 工作原理本控制电路是以SG3525A为核心构成, SG3525A为美国Silicon General 公司生产的专用，它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。

然后，将脉冲信号驱动电路，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。

4.3 控制芯片介绍以及参数确定电压调节芯片SG3525 具体的内部结构如图所示。

其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。

脚5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。

振荡器还设有外同步输入端(脚3)。

脚1 及脚2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。

该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

图6 SG3525管脚图&内部框图SG3525振荡器及外部接线原理：SG3525各引脚的具体功能1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。