DC-DC变化电路课程设计.doc

i 湖南工程学院 课程设计任务书 课程名称课程名称 电力电子技术 题题 目目 DC DC 变换电路分析 专业班级 学生姓名 学号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2014 年 12 月 22 日 设计完成日期 2015 年 1 月 2 日 ii 设计内容与设计要求 一 设计内容 1 分析研究 BUCK 型 DC DC 变换电路的工作原理 2 用 MATLAB 对设计的电路进行仿真 3 参考仿真分析结果 依据理论推导电路主要元件参数 4 完成报告撰写 二 设计要求 1 设计思路清晰 给出各种情况下的整体设计框图 2 给出具体设计思路和电路 3 分析各电路的原理 并进行相应的仿真 4 写出设计报告 iii 主要设计条件 1 可提供实验与仿真条件 说明书格式 1 课程设计封面 2 任务书 3 说明书目录 4 每个电路总体思路 基本原理和框图 5 驱动电路设计分析 驱动电路电路图 6 电路实验 仿真等 7 分析总结 8 附录 完整电路图 9 参考文献 11 课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一 课题内容介绍和查找资料 星期二 熟悉基本直流斩波电路 星期三 分析计算 BUCK 斩波电路 星期四 分析计算 BUCK 斩波电路 星期五 设计研究 BUCK 斩波电路 第二周星期一 设计研究 BUCK 斩波电路 星期二 实验仿真 波形分析 参数计算等 星期三 四 写设计报告 打印相关图纸 星期五 答辩及资料整理 iv 目录 第 1 章 概述 1 第 2 章 方案确定 2 第 3 章 主电路设计 4 第 4 章 控制电路设计 8 第 5 章 驱动电路设计 10 第 6 章 保护电路设计 12 第 7 章 调试与仿真 14 第 8 章 总结 17 第 9 章 参考文献 18 1 第 1 章 概述 随着电力电子技术的高速发展 电子系统的应用领域越来越 广泛 电子设备的种类也越来越多 电子设备的小型化和低成本 化使电源向轻 薄 小和高效率方向发展 开关电源因其体积小 重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用 伴随着人们对开关电源的进一步升级 低电压 大电流和高效率 的开关电源成为研究趋势 开关电源分为 AC DC 和 DC DC 其中 DC DC 变换已实现模块化 其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化 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 斩波器的工作方式有 脉宽调制方式 Ts 不变 改变 ton 和频率调制方式 ton 不变 改变 Ts 两种 前者较为通 用 后者容易产生干扰 当今世界软开关技术使得 DC DC 变换器 发生了质得变化和飞跃 美国 VICOR 公司设计制造得多种 ECI 软 开关 DC DC 变换器 最大输出功率有 300W 600W 800W 等 相 应得功率密度为 6 2 10 17 W cm3 效率为 80 90 日本 NemicLambda 公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开 关电源模块 RM 系列 其开关频率为 200 300KHz 功率密度已达 27W cm3 采用同步整流器 MOS FET 代替肖特基二极管 使整 个电路效率提高到 90 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 GBT 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 2 第 2 章 方案确定 2 1 课程设计目的 1 培养文献检索的能力 特别是如何利用 Internet 检索需要的 文献资料 2 培养综合分析问题 发现问题和解决问题的能力 3 通过对降压斩波电路的设计 掌握电路的工作原理 综合运 用所学知识 进行 buck 电路和系统设计的能力 4 培养运用知识的能力和工程设计的能力 5 提高课程设计报告撰写水平 2 2 设计思路 根据任务要求设计的降压斩波电路的结构框图如图 1 所示 3 控制电路 保护电路 驱动电路 主电路 图 1 在上图 1 结构框图中 控制电路是通过 SG3523A 芯片用来产 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 控制电路中的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 4 第 3 章 主电路设计 3 1 主电路选择 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 BUCK 降压电路作为主电路 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 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 根据所学知识 BUCK 电路图如下所示 LR Em U0 V VT T VD E FUVD RC 图 2 主电路图 该电路使用一个全控型器件 VT 图中为 IGBT 也可以使用其他 器件 若采用晶闸管 需设置使晶闸管关断的辅助电路 图 2 中 为在 VT 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电路的供电电源 也可拖动直流电动 机或带蓄电池负载等 后 2 种情况下负载中均会出现反电动势 5 如图 Em 所示 若负载中无反电动势时 只需使 Em 0 以下的分 析及表达式均可适用 3 2 工作情况分析 当电路正常工作时 波形如下 t O O O E O t t t EM t t T ton toff io i1 i2 I10I20 t1 uo a b O O T EE ton toff io tx i1 i2 I20 t1t2 uo VGEVGE 图 3 斩波电路工作波形图 如图 3 a 中 VT 的栅射电压UGE波形所示 在t 0 时刻驱动 VT 导通 电源 E 向负载供电 负载电压u0 E 负载电流i0按指 数曲线上升 当时刻 控制 IGBT 关断 负载电流经二极管 VD 续流 1 tt 负载电压近似为零 负载电流指数曲线下降 为了使负载电流 0 u 连续且脉动小 故串联 L 值较大的电感 至一个周期 T 结束 再驱动 IGBT 导通 重复上一周期的过 程 当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等 负载电压的平均值为 iii tt UUUU ttT onon o onoff 为 IGBT 处于通态的时间 为处于断态的时间 T 为 on t off t 开关周期 为导通占空比 6 通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值最大为 E 0 U 若减小占空比 则随之减小 由此可知 输出到负载的电压 0 U 平均值 Uo 最大为 U i 若减小占空比 则 Uo 随之减小 由 于输出电压低于输入电压 故称该电路为降压斩波电路 也有很 多文献直接使用其英文名称 称为 BUCK 变换器 Buck Converter 负载电流平均值为 R EU I M 0 0 若负载中 L 值较小 在 VT 关断后 到了t2时刻 如图 3 b 所示 负载电流已经衰减至零 出现负载电流断续的情况 由图 3 a b 可见 负载电压平均值会被抬高 一般不希 0 U 望出现电流断续的情况 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同 斩波电路可有三 种控制方式 1 保持开关周期 T 不变 调节开关导通时间 称为脉冲宽 on t 度调制 Pulse Width Modulation PWM 或脉冲调宽型 2 保持开关导通时间不变 改变开关周期 T 称为频率调制 on t 或调频型 3 和 T 都可调 使占空比改变 称为混合型 on t 其中第 1 种方式应用最多 3 3 参数分析 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 电阻值的确定 其参数确定如下 1 电源 假定输入电压为 100V 7 2 电阻 因为当输出电压为 20V 时 假输出电流为 20A 所 以由欧姆定律可得负载电阻值为 1 欧姆 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 100V 而当 1 时 IGBT 有最大 电流 其值为 5A 故需选择集电极最大连续电流 反向 c IA10 击穿电压的 IGBT 而一般的 IGBT 都满足要求 VVCEO200 4 二极管其承受最大反压 100V 其承受最大电流趋近于 20A 考虑 2 倍裕量 故需选择 的二极管 VUN200 AIN20 5 开关频率 f 5KHz o 0 I U R 8 第 4 章 控制电路设计 4 1 控制电路方案选择 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 在这里我们采用 PWM 控制方式来控制 IGBT 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 图 4 SG3525A 引脚图 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 9 对于 PWM 发生芯片 我选用了 SG3525A 芯片 其引脚图如图 4 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 内部包括精密基准源 锯齿波振荡器 误差放大器 比较器 分频器和保护电路等 4 2 工作方式 由于 SG3525A 的振荡频率可表示为 37 0 1 dtt RRC f 式中 分别是与脚 5 脚 6 相连的振荡器的电容和电阻 t C t R 是与脚 7 相连的放电端电阻值 根据任务要求需要频率为 d R 5kHz 所以由上式可取 0 01 F 可得 t C t R k5 d R k3 f 5kHz 满足要求 SG3525A 有过流保护的功能 通过改变 10 脚电压的高低 来控制脉冲波输出 因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信 号经一电阻作用 转换成电压信号来进行过流保护 同理也可以 用 10 端进行过压保护 如图所示 10 端外接过压过流保护电路 当驱动电路检测到过流时发出电流信号 由于电阻的作用将 10 脚的电位抬高 从而 11 14 脚输出低电平 而当其没有过流时 10 脚一直处于低电平 从而正常的输出 PWM 波 SG3525 有稳压作用 1 端接芯片内置电源 2 端接负载输 出电压 通过 1 端的变位器得到一个基准电位 从而当负载电位 发生变化时能够通过 1 2 所接的误差放大器来控制输出脉宽的 占空比 若负载电位升高则输出脉宽占空比减小 使得输出电压 减小从而稳定了输出电压 调节变位器使得 1 端得到不同的基准 电位 控制输出脉宽的占空比 使得输出电压为 50 80V 范围 10 第 5 章 驱动电路 5 1 驱动电路方案选择 IGBT 是电力电子器件 控制电路产生的控制信号一般难以直 接驱动 IGBT 因此需要将信号放大 另外直流斩波电路会产生很 大电磁干扰 会影响控制电路的正常工作 甚至导致器件的损坏 因而设计中还要有带电气隔离的部分 驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败 具体来讲 IGBT 的驱动要求有一下几点 1 动态驱动能力强 能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的 驱动脉冲 2 能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅压 一般取 15 V 左 右的正向栅压比较恰当 取 5V 反向栅压能让 IGBT 可靠截止 3 具有栅压限幅电路 保护栅极不被击穿 IGBT 栅极极限 电压一般为土 20 V 驱动信号超出此范围可能破坏栅极 4 当 IGBT 处于负载短路或过流状态时 能在 IGBT 允许时 间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流 实现 IGBT 的软关断 驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响 在这里我选用集成芯片 EXB841 来做驱动电路 5 2 集成驱动电路芯片介绍 EXB841 芯片是单列直插式结构 主要由以下几个部分组成 1 光耦合器 传输控制信号并实现电隔离 2 信号放大器 3 输出推挽电路 实现功率放大 4 负偏电压产生电路 产生 IGBT 关断所需要的负偏置电压 11 15 14 5 6 2 3 1 9 4 过电流 保护电路 5 过电流保护电路 实现过电流检测和保护功能 其功能框图如图 6 所示 各引脚的功能见表 1 图中 3 脚 为驱动的输出端 通过电阻 Rg 接被驱动的 IGBT 的栅极 4 脚 用于外接电容 防止电流保护电路的误动作 5 脚为过电路保 护电路的输出信号 低电平有效 6 脚接 IGBT 的集电极 通 过检测 Uce 的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大 从而进行自动保护 引脚号功能引脚号功能 1与用于反向偏置电源的滤波电容连接7 8悬空 2电源 20V 9电源地 3驱动输出端10 11悬空 4用于连接外部电容 以防止过流保护 电路的误动作 绝大部分场合不需要 此电路 14驱动信号输入 端 5过流保护输出端15驱动信号输入 端 6集电极电压输出端 表 1 EXB841 的引脚功能表 图 6 EXB841 集成芯片功能框图 12 第 6 章 保护电路 6 1 过电压保护 当达到 定电压值时 自动开通保护电路 使过压通过保护 电路形成通路 消耗过压储存的电磁能量 从而使过压的能量不 会加到主开关器件上 保护了电力电子器件 为了达到保护效果 可以使用阻容保护电路来实现 将电容 并联在回路中 当电路中出现电压尖峰电压时 电容两端电压不 能突变的特性 可以有效地抑制电路中的过压 与电容串联的电 阻能消耗掉部分过压能量 同时抑制电路中的电感与电容产生振 荡 过电压保护电路如图 7 所示 图 7 RC 阻容过电压保护 6 2 过电流保护 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时 可能会发生过 电流 当器件击穿或短路 触发电路或控制电路发生故障 出现 过载 直流侧短路 可逆传动系统产生环流或逆变失败 以及交 流电源电压过高或过低 缺相等 均可引起过流 由于电力电子 器件的电流过载能力相对较差 必须对变换器进行适当的过流保 护 13 过流保护的方法比较多 比较简单的方法是一般采用添加 FU 熔断器来限制电流的过大 防止 IGBT 的破坏和对电路中其他元 件的保护 如图 1 在主电路串接一个快速熔断丝 对驱动电路而言 EXB841 集成块的内部有很好的保护措施 14 第 7 章 调试与仿真 7 1 仿真软件的介绍 此次仿真使用的是 MATLAB 软件 c 是 MATLAB 最重要的组件之一 它提供一个动态系统建模 仿真和综合分析的集成环境 在该环境中 无需大量书写程序 而只需要通过简单直观的鼠标操作 就可构造出复杂的系统 Simulink 具有适应面广 结构和流程清晰及仿真精细 贴近实际 效率高 灵活等优点 并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用 于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计 同时有大量的第 三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境 是实现动态系统建模 仿真和分析的一 个软件包 被广泛应用于线性系统 非线性系统 数字控制及数 字信号处理的建模和仿真中 Simulink 可以用连续采样时间 离 散采样时间或两种混合的采样时间进行建模 它也支持多速率系 统 也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率 为了创建动 态系统模型 Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接 口 GUI 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成 它 提供了一种更快捷 直接明了的方式 而且用户可以立即看到系 统的仿真结果 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真 和基于模型的设计工具 对各种时变系统 包括通讯 控制 信 号处理 视频处理和图像处理系统 Simulink 提供了交互式图形 化环境和可定制模块库来对其进行设计 仿真 执行和测试 15 构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多 领域建模功能 也提供了用于设计 执行 验证和确认任务的相 应工具 Simulink 与 MATLAB 紧密集成 可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发 仿真的分析和可视化 批处 理脚本的创建 建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义 7 2 仿真 16 L 1mH R 0 5 欧姆 L 10mH R 0 5 欧姆 17 第 8 章 总结 回顾这两周的电力电子课程设计 感慨颇多 在这两周从刚开始 的一脸茫然到慢慢的在老师和同学的