DC-DC变换分析

1、等级:湖南工程学院课 程 设 计课程名称 电力电子技术 课题名称 DC-DC变换电路分析 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 赵葵银 李祥来 唐勇奇 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 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； 主要

2、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

3、整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 康华光,陈大钦电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10目 录第一章 设计方案

4、第二章 主电路设计及原理 2.1 电源设计 2.2 降压斩波电路 2.3 控制保护驱动电路 2.3.1芯片介绍及功能原理图 2.3.2电路原理图及工作原理简介第三章 DC-DC变换器的计算机仿真第四章 体会与总结第五章 附录和参考资料第一章 设计方案1.1 设计电路思路电源电路采用电容滤波的二极管不控整流电路，220V单相交流平经变压器，降为符合的交流电，再经整流电路变为直流电平，然后在降压斩波电路后，变为要求的平直的直流电平，最后要求电压其幅值大小应该为10V14V。1.2主电路（1） 主电路选用降压斩波电路，开关管选用电力IGBT。（2） 整流电路中，占空比不要超过65%，否则电压大于10

5、0V。（3） 需要保护电路、触发信号和控制主电路的电路。1.3控制电路的选择与确定直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。如图所示：电源变压器整流电路降压斩波电路滤波电路控制和驱动电路保护电路第二章 主电路设计2.1 电源设计小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成。设计是输入端接220V、50Hz的交流电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz，在整流电流下，变成直流。在直流稳压电源变压器，由电源变压、整流、滤波和稳压组成。电网供给的交流电压经电源变压降压后，得到符合电路的交流电压，然后再经整流电路变为电

6、压，再经滤波滤去杂波，就得到比较平直的直流电压。整流电流采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。与交流电压的有效值的关系为：；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：。故电压承受反向电压应大于6V，滤波电容应在1000uf左右。 2.2 降压斩波电路此电路主要用来驱动IGBT斩波。同其他的电力电子器件一样，由分立元件组成的IGBT驱动电路也存在着可靠性问题。为此，目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路。这些集成块速度快，为了提高

7、安全性，内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，可实现IGBT的最优驱动。 主电路需要确定的元件有IGBT、二极管、电源、电感、电容和电阻的值需要确定，电源的额定频率为50kHz。电源要求输入电压为10-14V且连续可调，作为系统电源。 主电路电阻，因为当输出电压为5V时，输出电流为2A，可得到负载电阻为RL=Uo/Io=2.5。主电路IGBT,当IGBT截止时,回路通过二极管续流，此时IGBT两承受最大正压为14V；而当 =1时，IGBT有最大电流，其值为2A。故需设置IGBT的集电极最大连续电流Ic>2A反向击穿电压Bvceo>14V。 主电路二极管，当=1时，其承受

8、最大反压14V，而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于2A，故需设置二极管额定电压大于14V，额定电流大于2A。 主电路的占空比，根据 Buck 变换器的性能指标要求及 Buck 变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围： Dmax=Uo/Uimin=5V/10V=0.5V;Dmin=Uo/Uimax=5V/14V=0.3571V;变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说，开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以，以设定最小输出电

9、流, 作为电感临界连续电流来设计电感，即 2.3 控制、保护和驱动电路2.3.1芯片介绍及功能原理图 EXB841芯片是单列直插式结构，如图5所示，各引脚的功能见表1。图5中3脚为驱动的输出端，通过电阻R g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。EXB841的功能块图。如图1所示。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

10、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1 EXB841的功能块图2.3.2电路原理图及工作原理简介 图1示出了EXB841的电路原理图，其结构包含隔离放大、过电流保护和基准电源三部分。隔离放大部分由光电耦合器ISO01、晶体管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9组成。光电耦合器IS01的隔离电压可达2500VAC。VT2为中间放大级，VT4和VT5组成的互补式推挽输出可为IGBT栅极提供导通和关断电压。晶体管VT1、VT3和稳压管VZ1以及阻容元件R3R8

11、、C2C4组成过电流保护部分，实现过电流检测和延时保护。电阻R10、稳压管VZ2与电容C5构成5V基准电源，为IGBT的关断提供-5V的反偏电压，同时也为输入光耦合器IS01提供副方电源.。 电路的工作过程简述如下：当14脚与15脚间流过的电流为零时，光电耦合器截止，A点为高电平，晶体管VT1、VT2导通，D点电位下降VT4截止、VT5导通。IGBT的栅极电荷经VT5迅速放电，使3脚电位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠关断。当14脚与15脚间通过10mA电流时，光电耦合器导通，A点电位下降，VT1、VT2由导通变为截止。VT2截止导致D点电位升高，VT4导通，VT5截止。2脚电源经V

12、T4到3脚到Rg到IGBT,驱动IGBT的栅极，使IGBT迅速导通。 当IGBT正常工作时，Uce较小，隔离二极管VD2导通，稳压管VZ1不会被击穿，VT3截止，C4被充电，使E点电位为电源电压值（20V）并保持不变。一旦发生过电流或短路，IGBT因承受大电流而退饱和，导致Uce上升，VD2截止，VZ1被击穿使VT3导通，C4经R7和VT3放电，E点及B点电位逐渐下降，VT4截止，VT5导通，使IGBT被慢慢关断从而得到保护。与此同时，5脚输出低电平，将过流保护信号输出。 使用此驱动电路时应注意以下问题： 输入电路与输出电路应分开。即输入电路（光电耦合器）接线远离输出电路接线，以保证有适当的绝

13、缘强度和高的噪声阻抗。驱动电路与IGBT栅到射极接线长度应小于1m，并使用双绞线以提高抗干扰能力。若集电极上有大的电压尖脉冲产生，可增加栅极串联电阻Rg使尖脉冲较小。Rg值的选择可参考表2所给数据。第三章 DC-DC变换器计算机仿真 电路仿真主要是对DC-DC变换器的输入，输出的电压电流。DC-DC变换器的主电路简单形式，如下仿真。在参数设置完毕后，启动仿真，得到如下仿真结果：输入电流对其进行斩控调流，得出输出电流，其输入输出电流，如下：跟据负载电压计算公式：得出输出电压电流的波形，如下：第四章 体会与总结这次电力电子技术课程设计，让我有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中，并通过对知识的综

14、合运用，进行必要的分析、比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，次课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在刚开始会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，我更进一步地熟悉了降压变换器的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，碰到的问题虽然比较多，靠自己所学的知识根本解决不了，借鉴了很多网上资料，解决了这些问题，也学到了很多课本上没有的东西。在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的哪些不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后仍需努力。查阅资料，相互通过讨论

15、，我们找出了错误并纠正了错误，这更是我们的收获，不但使我们提高了实践能力，也让我们在以后的工作学习中有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从实践中得出结论，从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计中遇到了不少困难，但也让我学到了一些课本上没有的知识，进一步提高了我的能力。在短短两星期的时间里，我遇到了很多问题，也学到了很多东西。它不仅巩固了我以前所学的理论知识，更使我们知道了由理论结合实践的基本方法，锻炼了自己解决实际问题的能力。让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计，

16、我把以前所学的知识重新温固，巩固了所学知识，让我受益匪浅。第五章 附录参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 康华光,陈大钦电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工