dc-dc变化电路课程设计 24页

湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：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ivn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；ivn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ivn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…………………………18ivn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。20n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20n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。20n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：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，如图20nEm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: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，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为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。20n通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比α，则随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，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（BuckConverter）。负载电流平均值为若负载中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，称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,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,称为频率调制或调频型。3）和T都可调，使占空比改变，称为混合型。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。(2)电阻因为当输出电压为20V时，假输出电流为20A20n。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=，反向击穿电压的IGBT，而一般的IGBT都满足要求。(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。(5)开关频率f=5KHz。20n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4SG3525A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。20n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：式中:,分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为5kHz，所以由上式可取=0.01μF,=,=。可得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。20n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+15V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20V，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。20n1)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1EXB841的引脚功能表图6EXB841集成芯片功能框图20n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7RC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。20n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。20n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。.20n　　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20nL=1mHR=0.5欧姆L=10mHR=0.5欧姆20n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帮助下，再结合自己在网上寻找的资料，将这次课程设计做完，心中充满了成就感。虽然到现在我还是不知道DC-DC变化电路分析的所有知识，但也让我学到了很多，让我知道每一次电路设计都不是那么简单的，需要多去想，怎样能让电路在实际运用中能更好，更安全。在做课程设计中发现自己对课本知识的理解不够深刻，掌握的不太牢靠，以后要更加努力的学习并要学会去运用，不要只知道去记，去背。非常感谢在这次课程设计中的指导老师和帮助我的同学。20n第9章参考文献[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，2000[3]．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000[4]．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000[5]．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996[6]．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995[7]．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999[8].康华光,陈大钦．电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，1998：451—459．[9]．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[10]黄忠霖.控制系统MATMAB计算及仿真[M],北京：高等教育出版社，2004.课程设计评分表20n项目评价优良中及格差设计方案合理性与创造性（10%）硬件设计及调试情况（20%）参数计算及设备选型情况*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况(10%)综合评分指导教师签名：________________日期：________________注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。20n20