DC-DC变换分析.

湖南工程学院

课 程 设

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 计

设计内容与设计要求 一． 设计内容： 1、 2、 3、 4、 分析研究BUCK型DC-DC变换电路的工作原理； 用MATLAB对设计的电路进行仿真； 参考仿真分析结果，依据理论推导电路主要元件参数； 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 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

目 录

第一章 设计方案……………………………………………………………… 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10V～14V。

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100V。 （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 滤波电路 控制和驱动电路 降 压 斩 波 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U3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压U2，再经滤波滤去杂波，就得到比较平直的直流电压UI。

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U3变换成脉动的直流电压U2。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U2中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压U2的有效值的关系为：UI(1.1~1.2)U2；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：URM2U2。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=2.5Ω。

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 α=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α=1时，其承受最大反压14V，而当α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，以设定最小输出电流Iomin0.1A, 作为电感临界连续电流来设计电感，即△ILmin2Iomin0.2A

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 1 2 3 4 功能 与用于反向偏置电源的滤波电容连接 电源（+20V） 驱动输出端 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） 过流保护输出端 引脚号 7、8 9 10、11 14 功能 悬空 电源地 悬空 驱动信号输入（-）端 驱动信号输入（+）端 5 6 15 集电极电压输出端 表1 EXB841的引脚功能表

546 过电流保护电路21514319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R3~R8、C2~C4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VT4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：

①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，以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。

②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。

③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：

tontonEEE得跟据负载电压计算公式：U0tontoffT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，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，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，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

电气信息学院课程设计评分表

评 价 项 目 优 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%) *良 中 及格 差 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、附件、评分表（非16K大小的图纸及程序清单）。