中南大学毕业设计调研报告模板

第 1 页 共 26 页本科毕业设计(调研报告)GRADUATION DESIGN(THESIS) MATERIAL题 目 宽电压输入 buck 变换器 的优化设计研究 学生姓名 赫玉莹 指导教师 裘智峰 韩华 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 电气工程及其自动化 1104 班本科生院制2015 年 4 月宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 2 页 共 26 页宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究摘要随着科技的发展，电子产品已与人的生活息息相关，而开关电源作为其中的核心更是成为研究热点。开关电源的应用场合不断增加，不同的应用对通过对开关电源的性能要求和优化设计也提出了越来越高的要求。基于前期的文献阅读和学习，现将主要内容和课题研究规划做如下报告。第 1 章简述了社会和科技发展对电源管理芯片的要求，提出了研究开关型降压DC/DC 变换器的研究背景和意义。第二章针对电力电子开关器件的研究现状做了总结，对过去 10 年的电力电子技术研究热点做了回顾。Buck 开关电源的工作原理在第三章进行了简单说明。第四章在第三章原理的基础上，基本确定了各个模块的设计方案。第五章简述了本课题进行中，对 buck 变换器优化设计和制作样机所需要使用的软件。第六章将详述论文主要工作与重点难题。在上述分析之后，给出课题研究预期进展与时间规划。关键词：BUCK 变换器 同步整流 电磁兼容 宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 3 页 共 26 页Design of BUCK converter with wide input voltage range applicationsABSTRACTWith the development of science and technology, digital products have been the indispensable part of life, and the research of switch power supply has becoming more and more popular. As switch power supply applications increased, higher demand of performance and optimization design are required. Based on the preview of literatures, the main content and research plan will be shown in this report.The development of power electronics is introduced at first, and the research background and significance of power supplies are proposed. The research situation and focuses of switching power supplies are summarized in the second chapter. And then the basic principle and control methods of buck dc-dc converter are shown. Based on the third chapter, schemes of each module is proposed. Several softwares that will be used in the design are described simply next, and the six chapter discuss some key point in the design. Finally, the ideal research progress and time management are introduced in the last chapter.Keywords: DC-DC buck converter synchronous rectify electromagnetic compatibility宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 4 页 共 26 页目录第 1 章 研究背景与意义 .1第 2 章 研究现状 .22.1 开关变换器研究现状 .22.2 电源控制新技术 .2第 3 章 BUCK 变换器理论基础 .43.1 buck 变换器工作原理 .43.2 控制方法简述 .63.2.1 PWM 控制 .63.2.2 PFM 控制 .73.2.3 PWM/PFM 混合控制 .73.3 电压模式控制与电流模式控制 .73.4 buck 变换器的限制 .8第 4 章 系统设计方案 .94.1 系统设计要求 .94.2 设计方案论述 .94.2.1 控制回路设计方案 .94.2.2 开关管方案 .94.2.3 驱动电路设计 .10第 5 章 课题研究所需软件介绍 .165.1 matlab 软件 simulink 仿真介绍 .165.2 protues 软件 .175.3 IAR 编译器 .18第 6 章 论文主要工作和重点难点 .206.1 论文重点难点 .206.2 课题研究计划 .20参考文献 .21宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 5 页 共 26 页第 1 章 研究背景与意义近年来，随着科学技术的迅猛发展，电子产品如笔记本电脑、移动电话、PDA 等走入每一个家庭，电力电子设备与人们的生活、工作息息相关。而 DC/DC 开关变换器也因其转换效率高、功率密度比大、稳压范围宽、正负极的灵活性广泛应用与各类电子产品中。现如今，在人们日常生活应用中电子设备的种类越来越多，进而对电源各性能指标的要求也越来越高。最传统的是晶体管串联调整稳压电源模块。现已有大量集成化的线性稳压模块，它在享有着可靠性高、输出纹波电压小、稳定性好等优点的同时，也有着很大的缺陷：效率问题和散热问题。调整管需要工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，集电极和发射极之间的电压差比较大，电源效率较低；其次，由于调整管静态损耗大，散热严重，往往需要安装一个很大的散热器，这对电源的体积要求增加了障碍，无法满足电力电子发展的需求 1。于是，在 20 世纪 50 年代，美国宇航局开发了开关电源，并逐渐取代了线性稳压电源得到广泛应用。开关电源具有效率高、可靠性和稳定性好、体积小、重量轻、对供电电网电压波动不敏感的优点，但也有瞬变响应差、电磁干扰等缺点，但随着技术发展，这些不足正在不断得到改善 1。到 20 世纪 80 年代，开关电源化已经在计算机上实现，之后，到 20 世纪 90 年代，开关电源就已在电气设备、家电领域、航空航天等得到了广泛的应用，开关电源技术发展突飞猛进。对于我国，在开关电源方面起步较晚，还有较大的发展空间。开关电源技术是在20 世纪 80 年代引入我国，随着计算机、汽车、通讯等行业的迅猛发展，开关电源市场也不断增长，而开关电源的控制研究更是受到广泛关注，成为国内功率电子学领域的关注热点。我国目前能源紧缺，随着可再生能源的发展，对电力变换器的研究和优化发展更是迫切 2。直流变换器广泛应用于稳压开关模式的直流电源以及直流电动机驱动。变换器的输入一般为线电压整流后的非稳压直流电压，因此线电压幅值的变化会引起输入电压波动 3。通过开关模式，DC-DC 变换器可将输入的非稳压直流电压变换为期望输出的可控直流电压。随着电子产品的功能变得更多，对适用于这类产品的 buck 变换器的性能提出了很高的要求，因此，研究 buck 变换器并进行优化设计具有重要的理论和现实宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 6 页 共 26 页意义。第 2 章 研究现状2.1 开关变换器研究现状DC/DC 开关变换器的研究，是电力电子技术中开关电源技术的一部分，运用功率变换器进行电能变换，以满足用户的用电需求。自其问世，在过去 20 年里，高频化和软开关技术是国际电力电子届的研究热点之一，到了 90 年代中期，集成电力电子模块和集成电力电子应用技术开始应用发展，使得电源产品更加标准化、模块化、可制造性、低成本等得以实现 3。总的来说，在过去近 50 年开关电源技术进步和发展进程中，有三大标志： 功率半导体开关器件功率 MOSFET 和 IGBT 取代了之前的普通功率晶体管 高频化 PWM 和 PFM 控制技术的应用和软开关技术的应用 开关电源系统的集成应用国外在集成化的研究上已开展了近 20 年，但随着全球集成电路设计和工艺水平的不断进步，对系用设计相关技术也产生了新的挑战，对于中国，起步较晚，而且由于我国半导体技术和工艺跟不上时代的发展，导致开关稳压电源中的关键器件，如功率开关晶体管、高频开关变压器磁性材料、储能电感、快恢复续流二极管还都是从国外引进。而对于开关电源技术的发展趋势，可以归纳为以下四点 4： 小型化、轻量化、薄型化、高频化。 提高可靠性和集成度，提高平均无故障时间。 在提高频率的同时，降低开关噪声 采用计算机软件对设计过程和开关电源性能的优化2.2 电源控制新技术1）软开关技术软开关技术是实现高频化的一个转折点，它是应用谐振的原理，使开关器件中的电流或电压按照正弦规律变化，通过零电压开通、零电流关断实现减少开关损耗的效果，它不仅可以解决硬开关变换器的开关损耗问题、二极管反向恢复问题，还能解决宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 7 页 共 26 页相关的电磁兼容性问题 5。在开关频率增大到兆赫兹级，开关应力和噪声将不能忽略，其中的谐振变换器便会产生较大的循环能量，为了解决这一问题，发展了很多软开关技术。其中，为了改善零开关条件，有人提出将谐振网络并联在主开关管上，后发展会零转换 PWM 软开关变换器，取软开关技术之所长，并弥补了前述的不足。目前，无源无损缓冲电路将成为实现软开关技术的重要技术之一，在直流开关电源中也广泛应用。2） 交错并联技术大功率电源采用交错运行，可以较好地解决纹波问题。交错运行属于并联运行方式，若 N 模块并联交错运行，要求各模块同频率，开关导通时刻依次滞后 N 分之一个开关周期 6。这种方式，使得输出电流电压纹波峰值大为减小，从而减小了所需的滤波电感值，减小了电源的体积，提高了其功率密度。3） 多电平变换器的控制方法多电平变换器的控制方法包括：三角载波 PWM 法、空间电压矢量PWM（ SVPWM）法。三角载波 PWM 法又可分为：消谐波（SHPWM ） 、三角载波移相（PSPWM ）法和开关频率最优 PWM（SFOPWM）法。当各级联单元利用率一致时，逆变器的效能比最大。当直流电源为电池组时，均衡电池组的放电具有特别重要的意义，均衡控制主要包括直流电源的输出功率均衡和开关器件的利用率均衡，为此，提出了循环分配和交替分配两种均衡控制方法 7。4） 均流技术设计分布式并联电源系统时，需采取必要措施使得每个模块平均分担输出电流，以保证系统稳定可靠地工作，充分发挥并联电源的优点。均流技术通过控制电路调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，常见的均流控制方法有：输出阻抗法（即调节变换器的输出阻抗来实现均流） ；主从设置法（定义其中一个电源模块为主模块，其余为从模块，从模块跟随主模块调整输出电流，属于闭环控制方法） ；平均电流均流法（将各模块的电流放大器输出端通过电阻 R 接到均流母线上实现均流） ；最大电流均流法（将输出电流最大的模块自动变为主模块，其他为从模块，依次整定） 。5） 功率因数校正（PFC）为解决谐波污染问题，需要降低电源设备自身的谐波污染，提高功率因数。PFC的目的是将设备的输入端口对交流电网呈现纯阻性，使得输入电流和电网电压为同频宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 8 页 共 26 页同相的正弦波，功率因数接近 17。PFC 技术分为无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。第 3 章 BUCK 变换器理论基础3.1 buck 变换器工作原理如下图 3-1 所示，为 buck 变换器工作原理图。它是由一个功率晶体管开关 Q 与负载串联构成的。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 08。这样的一个电压方波平均值等于所期望的直流输出电压，后面的 LC 低通滤波器用来削弱方波中的交流量，使输出为所需的直流电压，输出电压与参考电压作比较，生成响应的控制 PWM 波，输入给 MOS 管的控制端，从而控制开关管的占空比，形成一个负反馈。该电路的基本特征是：在电压值上，输出电压低于输入电压；在电流值上，输出电流为连续的，输入电流是脉动的。其工作分连续模式和断续模式，开关转换线路是否工作在 CCM 或者 DCM，主要取决于流过电感电流是否连续。V gVLCDQU b图 3-1 buck 变换器工作原理图如下图 3-2 所示，为 buck 电路工作时的理想波形 6-8。宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 9 页 共 26 页tV g sVLILVRV g - V- VD T sT st图 3-2 buck 电路工作时的理想波形图其中所做的理想假设为： MOS 管为理想开关器件，导通压降为 0，截止漏电流为 0。 电感电容为理想元件，电感工作在线性区，寄生电阻为 0，电容 ESR 也为0。 输出电压纹波可以忽略不计。：开关管导通时，输出电感储能，流过电感的电流线性增加，同时给sDTt负载提供能量；(3-1)VdtiLg：关管关断，输出电感通过 diode 进行续流，流过电感的电流线性减ssTt小。(3-2)VdtiL依据电感伏秒平衡原理可得：(3-3)ssgTD)1()(由式(3)可得：(3-4)gV当开关转换线路工作于 CCM/DCM 边界：可得边界条件为：宽电压输入的 buck 变换器优化设计研究第 10 页 共 26 页(3-5)RLfDKs21即:当 时，buck