毕业设计（论文）-5KW降压型DCDC变换器硬件设计.doc

毕业设计（论文）题 目 5KW降压型 DC/DC变换器硬件设计 学院（系）： 自动化 专业班级： 电气0703 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：年 月 日导师签名：年 月 日武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名 ： 专业班级 ： 电气0703 指导老师 ： 工作单位 ： 自动化学院 设计(论文)题目: 5KW降压型DC/DC变换器硬件设计 设计（论文）主要内容：开关电源在当今得到了非常广泛的应用。本课题的研究内容就是设计一个可实用化的采用软开关技术的非隔离降压型DC/DC开关电源，其基本参数为输入50-100V，输出48V，功率5KW，输出电压及电流纹波均在10%以下。同时在MATLAB下建立完整的系统模型进行仿真，最后绘制开关电源的PCB板图。要求完成的主要任务:1. 查阅不少于10篇与本选题相关的资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告；2. 研究DC/DC开关电源的常用电路拓扑的工作原理和控制策略；3. 设计开关电源的主电路图和辅助电路图；4. 在MATLAB环境下对开关电源进行仿真并使用Protel软件绘制PCB板图；5. 完成不少于20000个外文印刷符并且是指导教师指定的外文资料翻译工作；6. 完成一份不少于15000字毕业设计说明书。必读参考资料：1 陈坚. 电力电子学电力电子变换和控制技术. 北京：高等教育出版社,20092 林飞，杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真. 北京：中国电力出版社,20073 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社,20024 Abraham I.Pressman. 开关电源设计. 北京：电子工业出版社，20065 W.Tang,F.C.Lee,and R.B.Ridly.DC/DC Converter Dsign for Batter-Operated SysteamJ.IEEE Transactions on Power Electronics,1993:112-119指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）开关电源的发展已有30多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器不同于DC/AC/DC变换器，它不必经过中间交流环节。DC/DC变换器按输入电压与输出电压之比可分为Buck电路，Boost电路，Buck-Boost电路，Cuk电路等。按照输入输出关系可分为隔离型和非隔离型。其中，斩波器属于非隔离型，而正激电路，反激电路，半桥电路，全桥电路和推挽电路则属于隔离型。80年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率AC/DC开关电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用，90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源。当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/ ，效率为（8090）。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300)KHz，功率密度已达到27W/，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90。2、基本内容和技术方案1.设计的基本内容是：掌握开关电源的设计方法，设计一个可实用的DC/DC开关电源，并在MATLAB软件下建立完整的系统模型进行仿真分析，同时运用Protel软件绘制开关电源的PCB板图。 要求完成的任务：（1） 研究DC/DC开关电源装置的拓扑结构及工作原理；（2） 设计符合参数要求的DC/DC变换器；（3） 在MATLAB软件中建立仿真模型进行仿真分析；（4） 运用Protel软件绘制开关电源的PCB板图。2.设计技术方案是： 降压型DC/DC变换器可采用两种技术方案，一种为隔离型，一种为非隔离型。非隔离型变换器即斩波器，隔离型变换器中包括变压器组件。相比较而言，隔离型变换器的输出更加稳定，安全型较好，但成本较高且体积不易缩小；非隔离型变换器结构简单实用，成本低。考虑到设计任务要求变换器器功率为5KW，不是很大，可采用斩波器来实现，同时采用PWM控制方案，以提高精度，稳定输出。 直流-直流变换器（DC-DC converter）内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器模块），比较器模块等几大功能模块。其工作原理为：输出经过FB（反馈电路）接到FB pin，反馈电压与设定好的比较电压Vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到PWM模块，PWM根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制IGBT的导通时间从而控制输出电压的。Buck变换器当开关管导通时，输出电压等于输入电压；开关管断开时，输出电压等于0。，输出电压的平均值Uo=D，式中D为开关占空比，由此可见改变负载端输出电压有3种调制方法： （1）开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。 （2）开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。 （3） 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。 其中，方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。PWM控制方法是利用比较器与开关电源来实现的。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。直流-直流变换器有两种不同的工作模式： （1）电感电流连续模式 （2）电感电流断续模式在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。根据变换器所带负载形式的不同可适当改变变换器的形式，如所带负载为电动机，考虑到点机的正反向运转以及制动，可将多个Buck变换器相连组成桥式可逆斩波电路。由于变换器采用PWM方式控制，因此开关频率很大，从而导致严重的开关损耗和噪声干扰。这不仅降低了电路的效率，还给周围电子设备带来电磁干扰。所以，必须采用软开关方式。软开关电路种类较多，有准谐振型，零开关PWM电路和零转换PWM电路。对于各类软开关的优缺电，需要在实际设计过程中通过电路仿真来确定具体方案。图1 采用ZCS软开关技术的Buck变换器原理图3、进度安排第 12 周 认真阅读毕业设计（论文）任务书，查阅相关文献资料，翻译外文 资料；第 34 周 了解研究所需知识，明确基本内容，确立总体技术方案，完成开题 报告；第 56 周 研究Buck电路拓扑的基本工作原理，并导出电路中各元件参数的 方法；第 78 周 研究软开关技术并结合Buck电路导出软开关的各项技术参数；第 910 周 研究开关电源的常用控制方式，并结合设计参数的要求确立控制方案，设计控制回路；第1112周 研究Matlab运行仿真的方法，对开关电源进行系统建模仿真；第1314周 运用Protel软件绘制开关电源的PCB板；第 15 周 编写毕业设计说明书，整理有关资料，做好毕业答辩准备。第 16 周 参加毕业设计答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日摘 要随着电子产品与人们工作和生活的关系日益密切，便携和待机时间长的电子产品越来越受到人们的青睐，它们对电源的要求也越来越高。DC/DC开关电源模块是一种正在快速发展的功率集成电路，具有集成度高、综合性能好等特点,具有很好的市场前景和应用价值。本论文在研究开关电源技术发展现状的基础上，设计了一种Buck型DC/DC开关电源。首先对Buck型电路拓扑工作原理和开关电源常用控制方式进行了详尽的分析。在整个拓扑结构设计完成后，又着重研究了电源的控制方案，并使用SG3525芯片完成了控制回路的具体电路设计。为了减小高频开关过程带来的损耗，本文对软开关进行了较为深入的研究。在整个开关电源设计完成后，使用了MATLAB软件对整个系统进行了仿真，验证了其各方面均已达到所定指标。最后，为了将电源实用化，设计了整个电源的PCB板图。关键词：开关电源 ；DC/DC；Buck；软开关；MATLAB；PCBABSTRACTAs electronic products has a more and more closer relationship with peoples work and live, portable and standby time of electronic products has been more and more loved by the people,their requirements of power is also high at the same time. DC/DC switch power supply module is a rapid development power integrated circuit.It has a characteristic of high integration and good comprehensive performance, has the very good market prospect and application value.This paper design a Buck type DC/DC switch power supply based on the study of the development of the switch power technology.At first,this paper give a detailed analysis of the working principle and switch power supply common control mode of Buck-type circuit topology. After the whole topology structure design is completed, the paper focused on the research of the power control scheme,and use SG3525 chips to design the specific circuit of the control loop.In order to reduce the losses caused by high frequency switching process, this paper gives a deep study of soft-switching. After the whole switch power supply design is completed, using MATLAB software to simulate the entire system to verify its various aspects have reached on index.At last, in order to supply the practical switch power,designing the PCB figure of the whole power supply.Key words: Switching Power Supply; DC/DC; Buck; Soft-switching; MATLAB; PCB目录 摘要ABSTRACT1绪论11.1 课题研究的目的与意义11.2 开关电源技术国内外研究现状11.3 开关电源未来发展趋势21.4论文主要研究内容32 直流斩波电路的选型42.1 常用直流斩波电路拓扑研究42.2 Buck拓扑结构及原理分析42.3 桥式拓扑结构及原理分析52.4 主电路拓扑结构选型63 Buck拓扑主电路参数设计73.1 Buck变换器工作原理73.2 元件具体参数设计133.3 软开关环节设计143.3.1 软开关概念及工作原理143.3.2 软开关环节参数整定174 Buck变换器控制电路设计184.1 Buck变换器控制方式184.1.1 迟滞控制模式184.1.2 电压控制模式194.1.3 峰值电流控制模式194.2 几种控制模式的比较选型204.3 Buck变换器反馈环控制器选型204.4 PWM脉冲生成电路设计214.5 振荡电路设计244.6 保护电路设计255 电路的MATLAB仿真265.1 MATLAB软件及Simulink简介265.2 仿真模型的建立265.3 仿真结果及波形分析286 PCB布板设计316.1 Protel软件功能简介316.2 电路原理图设计316.3 PCB板设计与布线337结论36参考文献37致谢38附录一 带软开关的Buck变换器开关电源在MATLAB下的仿真原理图39附录二 DC/DC开关电源的实际完整电路接线图40附录三 开关电源的PCB板图411 绪论1.1课题研究的目的与意义电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源。因此，电源越来越受到人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、 控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大经济效益，从而得到迅速推广。分布式电源的发展及与IT技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术。DC/DC开关电源技术是分布式开关电源的关键技术，与传统的线性电源相比，DC/DC开关电源具有高效率、高可靠性、体积小、响应速度快、稳定性高、内在限流保护等优点，使其在电源管理芯片中得到了广泛的运用。本课题研究 DC/DC开关电源的目的就是要瞄准DC/DC电源产业化发展方向，仿真Buck型DC/DC开关电源。1.2开关电源技术国内外研究现状开关电源的发展已有30多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广、使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。电源的集成化，使得它被广泛应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中。随着半导体技术和微电子技术的不断发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，与之相比，电源要笨重的多。在现代电子产品中，电源体积要比微处理器大几十倍，如何减小开关电源的体积 ，面临着新的挑战，提高频率也是开关电源要面临的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减少，所以当把频率从50HZ提高到20KHZ，提高400倍，用电设备的体积、重量大体上降至高频设计的5%-50%。但是，频率提高以后，对整个电路中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关电路元器件也有待于进一步的研究。国外开发电源管理芯片的厂商很多 ，主要有IRMAXIM，ST ，TI 等,他们的产品都已经非常成熟,能够提供高质量、全系列的电源管理芯片,包括升压、降压、升降压,固定、可调输出，不同负载能力的芯片。目前，手机、数码相机、MP3 播放器、以及个人电脑等便携式设备的需求量的逐年增大，带动适合于电池供电电源管理芯片的发展。凌特，TI，INTERSIL等公司根据市场需求，开发出了大量适合于便携式设备的电源管理芯片，如凌特公司的同步降压型稳压LTC412A，工作频率高达4MHZ，效率高达95%，在输出电压低至0.8V时，输出电流高达3A 。我国对开关稳压电源的研制工作开始于60年代初期，70年代起，我国在黑白电视机 、中小型计算机中开始应用5V，20-200A，20KHZ，AC/DC开关电源。80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究 0.5-5MHZ准谐振型软开关电源。80年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率AC/DC开关电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用。90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，如卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用的DC/DC开关电源等。在国内，由于信息、家电领域，特别是电信领域的迅猛发展，推动了电源市场的发展。我国在上述领域普遍采用了开关电源。其中，通信 DC/DC电源是增长速度最快的一部分。预计中国开关电源市场总额在亿元人民币以上，模块电源所占的比例将会越来越大。国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。具有代表性的有上海岭芯微以便携式和大功率DC/DC的LDO、升压、降压、充电、电荷泵、模拟开关、LED背光等国产开关电源为主。国产电源芯片已占据了相当市场，并有少量开始出口。然而，同国产手机、DVD机产业一样，其红红火火的表象难掩其缺乏核心芯片技术的尴尬 。1.3开关电源未来发展趋势随着技术的进步，DC/DC开关电源朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展：（1）专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器、电容器小型化，达到最佳的效率。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积 、减小待机功耗，提供低输出电压、高输出电流，以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。（2）高频率 ：随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率DC/DC转换器的开关频率将上升到MHZ。但随着开关频率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰（EMI）等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通（ZVS）、 零电流关断（ZCS）的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。（3）高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿 命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。美国德州仪器、安森美、美信等公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源最新的系列产品的可靠性大大提高，产品平均无故障工作时间高达10万小时以上。（4）低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗 、元件热应力转向开关管等问难以解决。（5）抗电磁干扰:当开关电源在高频下工作时,噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰,世界各国己有抗电磁干扰的规范或标准,如美国的FCC,德国的VDE等,研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要。1.4论文主要研究内容本课题的主要工作是DC/DC开关电源电路的设计，在查阅大量有关文献的基础上设计一种带有软开关结构的Buck变换器开关电源并通过MATLAB仿真验证了设计的正确性。本论文的结构安排如下，第一章为绪论，叙述了当今开关电源的研究现状及发展趋势；第二章对几种DC/DC开关电源拓扑结构进行了介绍，然后通过比较选择确定了本设计采用的拓扑结构；第三章阐述了Buck拓扑的工作原理以及参数整定的方法，并具体介绍出电路中各元件的参数。除此之外，还对软开关环节做了深入的分析；第四章详细描述了Buck变换器的控制模式，并对控制电路及其他一些辅助电路进行了设计；第五章使用MATLAB软件建立了开关电源的模型并进行了仿真，验证了设计的正确性；第六章运用Protel软件绘制了开关电源的板图。2 直流斩波电路的选型2.1 常用直流斩波电路拓扑研究直流斩波电路（DC Chopper）是指将一种直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。开关电源常用的基本拓扑约有14种，其中基础的拓扑包括：Buck、Boost、Buck-Boost。其余的拓扑结构可由这三种拓扑结构变化得到。每种拓扑都有其自身的特点和使用场合。其中有些适合小功率输出(120V AC）,有些适合于小于120V AC或者更低输入的场合；有些在高压直流输出（220V）或者多组输出(4-5组)场合较大的优势；有些在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。较小的输入输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素之一。一些拓扑更适用于DC/DC变换器。选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。另外，有些拓扑自身有缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。因此，要适当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点以及适用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。本次毕业设计要求设计一个5KW降压型非隔离DC/DC变换器，根据阅读的大量资料，提出以下两种设计方案。2.2 Buck拓扑结构及原理分析一种方案为采用最基本的Buck降压斩波电路。Buck降压斩波电路原理图如2-1所示：图2-1 Buck型拓扑结构工作原理：当开关打向1时，电源向负载供电，负载电压等于电源电压。当开关打向2时，电源与负载断开，负载电压为0。在实际中，常用电力电子器件来代替开关，如采用IGBT、MOSFET等，并使用续流二极管。这些器件长工作于开关状态，在一个周期内开关管高频率地通断，使得电源电压断续地加在负载上，设在一个周期内开关管开通的时间为，则输出电压的直流平均值为 （2-1）其中，为直流电源的电压，为输出电压的直流平均值。通过改变开关管在一个周期内的相对导通时间来改变负载承受的电压。一般可通过三种方式来控制输出电压：（1）脉冲宽度调制方式PWM保持不变（开关频率不变），改变输出电压（2）脉冲频率调制方式PFM保持不变，改变开关频率或周期调控输出电压（3）混合调制方式和都可调，同时改变两者来控制输出。2.3 桥式拓扑结构及原理分析另有一种方案是采用桥式可逆斩波电路。对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多重多相斩波电路，使斩波电路的整体性能得到提高。桥式可逆斩波电路是将两个电流可逆斩波电路组合起来，常用于向直流电机提供电压，可使直流电机实现四象限运行。其电路原理图2-2如下：图2-2 桥式可逆斩波电路原理图该电路通过控制4个开关管在不同时刻通断来改变基本电路拓扑，实现不同的功能。使V4保持通时，等效为下图2-3所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。 图2-3 电流可逆斩波电路 使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。2.4 主电路拓扑结构选型提出的两个电路拓扑均为降压型DC/DC变换器，且电路拓扑中没有使用变压器等电路隔离设备，都满足设计要求。通过比较两种电路拓扑的优缺点发现，Buck变换器具有结构简单，电力电子器件较少，由此带来成本低、开关损耗小等好处，但是其只能提供和电源电压同向的电压，这样一来对要求正反转的负载完全不适用。相比之下，桥式斩波电路可分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机四象限运行，但它的缺点在于动用开关管数量多且损耗大，并且给在电路控制方面要考虑诸如环流、死区时间等因素，给控制电路的设计带来一定难题。综合比较这两种电路，并结合设计要求，最终决定选用Buck拓扑。其原因在于要求设计的DC/DC变换器并非用于带动电动机等需要正反转的负载，因此，考虑到成本及易实现性，决定采用Buck电路拓扑。在采用合适的控制措施后，可使变换器的输出精度达到设计要求。3 Buck拓扑主电路参数设计3.1 Buck变换器工作原理按照选定的方案，电路的拓扑决定采用Buck Chopper。Buck电路为斩波电路中一种最基本的拓扑形式，应用最为广泛，其具有结构简单，控制容易且易于实现等优点。Buck变换器有三种基本工作方式：一种是电感电流处于连续的工作模式；一种是电感电流处于断续的工作模式 ；还有一种是电感电流处于临界连续模式，即在开关管VT1导通期间电感L1储能，在开关管截止期间终止时电感电流刚好经续流二极管VD1、负载R释放完，也就是说在开关管截止期间终止时电感电流刚好降至零 。Buck电路这三种开关模式工作的等效电路如图3-1所示：图3-1 Buck三种模式状态下的等效电路 a）VT1导通；b）VT1关断；c）VT1关断后电感电流为0；首先讨论在电感电流连续条件下，Buck变换器的工作原理和各变量关系式。Buck变换器在电感电流连续时的等效电路如图3-1（a）、（b）所示，在这里假设开关管VT1、二极管VD1为理想器件，其开通时间、关断时间及通态压降均为零。电感、电容均为无损能元件。在开关周期T内，输入电压保持不变，输出电压除了很小的脉动纹波外，基本维持恒定。设VT1的开通时间为，关断时间为，占空比 ， （3-1） 其中，为开关周期。在电感电流连续状态下，相关回路上的电压和电流波形如图3-2（a）所示。在时刻，VT1加上正脉冲而导通，电感L1上所加的电压（为直流电源电压，为输出电压），由于为常数，且，此时，电感L1中的电流线性增长，其电流变化量为： （3-2）当时，电感电流达到最大值，其变化量为： （3-3） 图3-2 Buck变换器主要波形图a）电感电流连续；b）电感电流断续当时刻，VT1因基级脉冲驱动变负而断开，由电感的特性可知，电感电流不能突变为零，因此，电流而经二极管VD1、滤波电容C1和负载R继续流通，此时加在电感量端的电压为，电感电流线性下降，其变化量为： （3-4） 当时，电感电流达到最小值，因此在VT1截止期间，电感L1中电流变化量为： （3-5） 在电感电流连续的情况下，电感电流波形是一个三角波，一个周期内从最大电感电流至最小电感电流之间变化稳态时开关管VT1导通与截止期间的电感电流变化量相等，由上面式（2-3）及（2-5）可知，Buck变换器的输出电压表达式为 （3-6）假定变换器的损耗为0，即功率传输效率为100%，根据能量守恒原理，输入功率等于输出功率，可求得输入电流平均值与输出电流平均值之间的相关表达式为： （3-7）在电感电流连续情况下，电感电流的最大值和最小值由图3-2（a）可知：电感电流最大值： （3-8）电感电流最小值： （3-9）开关管VT1与续流二极管VD1的最大电流和等于电感电流的最大值，其最小值和等于电感的最小电流，因此，可求得开关VT1，续流二极管VD1的电流平均值和为： （3-10） （3-11）因为开关管的最大电流和二极管的最大电流均等于电感电流的最大值，即： （3-12）可计算出MOSFET VT1和二极管VD1最大电流与平均电流之比分别为： （3-13） （3-14）从上式（3-13）和（3-14）可以看出，当占空比D减小时，开关管最大电流与平均电流的比值增大，而续流二极管最大电流与平均电流的比值减小。当输出电压保持不变时，占空比的工作范围与输入电压的变化范围有关，假设MOSFET的饱和压降，则占空比D的范围为 （3-15）变换器输出滤波电容一直处于周期性充电、放电状态。一个周期内的平均电流为零。在一个周期内，电容器的充电电荷等于充电电流的时间积分值，其值为： （3-16）则输出电压的脉动值为 （3-17）由式(3-17)可知增加滤波电感和开关频率以及滤波电容，可以降低输出电压纹波。然而，由于滤波电容实际上存在等效串联电阻ESR和等效电感ESL，有时增加滤波电容器的容量，输出纹波降低不如增加滤波电感更为有效。在使用中应采用等效阻抗低的电容器做输出滤波。在考虑电容器等效串联阻抗的情况下，输出电压纹波的峰-峰值为： （3-18）同时，该式也给出了由给定电压纹波计算滤波电感的依据。 在计算出滤波电感后，再根据式（2-17）计算出滤波电容。理想情况下，开关管VT1和二极管VD1截止时的额定电压均等于输入电压，即： （3-19）电感电流断续是指在开关管在截止时间终止前电感电流就下降至零，并直到下一周期开始一直保持为零，如图3-2（b）所示，在电感电流断续的情况下，电压和电流的波形将发生较大变化。此时负载电流因电感储能所提供的电流终止而转为依靠输出滤波电容所储能量的放电电流提供。这时输出电压的表达式便不在式（3-6）的，因此，在实际运用中，一般希望电路保持在电感电流连续的状态下，这样也便于计算电路中各元件的参数值。在电感电流临界连续的条件下，其波形如图3-3所示： 图3-3 电感电流临界连续在该条件下，Buck变换器开关管VT1关断期间的终止点，即下一个周期开始的时刻点，电感电流刚好降为0。电感电流出现不临界连续点的条件，可以用如下方法求取，图3-2及式（3-9）中可看出，电感电流最小值为 （同式（3-9）而在图2-3中，此时的=0，则临界点的输出电流表达式为 （3-20）此时的负载电流为电感电流临界连续负载电流，用表示，欲使0，必须要求满足以下条件： （3-21）式（3-21）就是保证Buck变换器工作在电感电流连续状态的必要条件。负载电流小于该值时，电感电流将现不连续现象。同时，临界电流相应的Buck变换器的临界电感为： （3-22） 在电感电流连续模式下工作，负载电流下限受临界电流所制约。通常在设计Buck变换器时，重载时工作在电感电流连续状态；轻载时工作在电感电流断续状态。轻载时为避免输出电压上升，驱动脉冲宽度应通过反馈控制，使其变得足够窄。如输出脉冲不能相应变得很窄，实验发现会出现震荡或分频现象。在临界处输出电压有一个微小的抖动使稳定性变差。为了负载电流可朝最小方向扩大调节范围，可以增加滤波电感量或开关频率，降低临界电流。输出滤波电感的设计除考虑临界电流外，还必须考虑变换器输出电流纹波的要求。通常输出纹波电流的峰峰值在最大负载电流时，此时要求的输出滤波电感可按下式计算： （3-23）3.2 元件具体参数设计本次毕业设计要求设计一个非隔离型5KW降压型DC/DC变换器。其参数为：输入50-100V，输出48V，输出电压与电流纹波均不超过10%。首先计算主电路中滤波电感与滤波电容的参数。在此之前，有必要先选定开关管的开关频率。MOSFET采用PWM方式控制，采用较高的频率可以减小滤波电感和电容的体积，但同时过高的频率会需要更大的散热器来限制其温升。所以，需要综合考虑各方面的因素。根据经验，一般Buck变换器的频率在20-50KHZ范围内。在此，我们选定20KHZ作为设计的电路的工作频率。根据式（2-23）来计算输出滤波电感值。输入选最大为，输出。由设计参数可知，电路占空比在0.48-0.96之间，在这里选最大占空比0.96进行计算，可得最大。变换器输出功率为5KW，输出电压为48V，可计算出其输出额定电流为104A，再考虑10%的电流纹波，可粗略计算出。代入式（2-23）可得 （3-24）可见，滤波电感的最小计算值为72.3uH，在实际应用中，考虑一定裕量及电感规格，选择100uH的滤波电感。计算出滤波电感后，根据式（2-17）计算滤波电容的值。可得 （3-25）滤波电容最小计算值为251uF，在实际中，选择规格为300uF的滤波电感。在推导式（2-12）的过程中，我们得到开关管VT1与续流二极管VD1的最大电流和等于电感电流的最大值。 由式（2-12）计算得到： （3-26）因此，应选择可通过电流至少为150A的二极管，并考虑到开关频率较高，故应使用快恢复二极管。MOSFET也应选择可通过电流在150A以上的规格。考虑到驱动方面的问题，应选用N沟道功率MOSFET。3.3软开关环节设计3.3.1软开关概念及工作原理电力电子器件的发展趋势是小型化和轻量化,为了减小装置的体积和重量提高开关频率是最可行的方法。但是开关过程中产生的开关损耗与频率成正比,在频率提高的同时,开关损耗急剧增加,不但降低了电路效率,产生较强的电磁干扰而且严重的发热使开关器件的寿命缩短。所以如何减少开关损耗,是目前电力电子器件研究的热点之一。零电流关断就是改变电路结构和控制策略,使开关器件被施加驱动信号,使电力电子器件在关断器件通过的电流为零,从而减少开关损耗,使开关器件的开关频率大幅度提高。 电力电子器件在关断前,减小或消除加在其上的电流,从而减少电力电子器件在关断时产生的功耗,即零电流关断ZCS(Zero-Current Switching)。DC/DC功率变换器目前所采用的方法有:直流升压斩波电路、直流升降压斩波电路、谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电压开关PWM变换器、零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器。谐振变换器实际上是负载R与LC电路组成的负载谐振型变换器,按照谐振电路的谐振方式,分为串联谐振变换器(Series Resonant Converters)和并联谐振变换器(Parallel Resona