中南大學(xué)電力電子課程設(shè)計----DC-DC變換

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計 電力電子課程設(shè)計 所在學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級：高級工程人才試驗班（信息）1001 學(xué)生姓名：葉晟季 學(xué)生學(xué)號：0909101225 指導(dǎo)教師： 孫妙平 abstract this project is aiming to construct a dc-dc voltage converter, which can transform 15v to 5v . this electronic system includes control circuit、drive circuit、buck chopper circuit and feedback circuit

2、. the kernel full-control device is igbt, and some expansion modules can optimize the performance of this converter. it has been testified by matlab software , guaranteeing that the converter works well and meets all the demands, and it has reliable protection function to ensure the stability of the

3、 system. 目錄一、 引言.1二、 設(shè)計要求與方案.22.1設(shè)計要求.22.2 方案確定.2三、 主電路設(shè)計.43.1 主電路方案.43.2 工作原理.43.3 參數(shù)分析.6四、 控制電路設(shè)計.84.1 控制電路方案選擇.84.2 工作原理.9五、 驅(qū)動電路設(shè)計.145.1 驅(qū)動電路方案選擇.145.2 工作原理.14六、 保護電路設(shè)計.186.1 過壓保護電路.186.2 過流保護電路.197、 系統(tǒng)仿真及結(jié)論.218、 總電路原理圖.279、 參考文獻.2810、 致謝.28 1、 引言 dc/dc變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的

4、供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。buck變換器是開關(guān)電源基本拓撲結(jié)構(gòu)中的一種，buck變換器又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要直接降壓的地方。 本次課設(shè)立求設(shè)計出dc-dc變換器實現(xiàn)15v向5v的電壓變換，選取的電路是igbt降壓斬波電路。 igbt降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用igbt 作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。igbt是mosfet與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有mosfet易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率

5、特性介于mosfet與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用igbt作為全控型器件的降壓斬波電路就有了igbt易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。igbt降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了igbt降壓斬波電路的發(fā)展。 2、 設(shè)計要求與方案2.1 設(shè)計要求1. 任務(wù) 設(shè)計并制作一個dc-dc 變換器（15v 轉(zhuǎn)變成5v）2. 要求1）輸出電壓 uo ：5v；2）最大輸出電流 iomax ：1a；3）輸入電壓范圍：12v18v；4）輸出

6、電流io 范圍：01a 時;3.說明1）dc-dc 變換器不允許使用成品模塊，但可使用開關(guān)電源控制芯片。2）電源在最大輸出功率下應(yīng)能連續(xù)安全工作足夠長的時間。3）設(shè)計報告正文中應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、保護電路圖4) 設(shè)計報告中要寫明所有的設(shè)計過程5) 利用仿真軟件分析電路的工作過程2.2 方案確定 電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)

7、動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路。 根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設(shè)計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。驅(qū)動電路光耦隔離buck主電路控制電路sg3525 保護/反饋電路 電壓電流反饋 圖1降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖 在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路工作。保護電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備，通過從負載取電壓和電流與基準值比較。若電壓電流過大，從保護電路生成反饋信

8、號給控制電路，是其產(chǎn)生動作，調(diào)節(jié)buck電路的輸出電壓或電流。三、主電路設(shè)計3.1 主電路方案 根據(jù)所選課題設(shè)計要求設(shè)計一個降壓斬波電路，可運用電力電子開關(guān)來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的降壓斬波電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。 在降壓斬波電路前，可連接一個單相橋式整流電路，并且經(jīng)過濾波及穩(wěn)壓，最后以220v交流市電轉(zhuǎn)化成15v直流電壓送至buck電路輸入端。 至于開關(guān)的選擇，選用比較熟悉的全控型的igbt管，而不選半控型的晶閘管，因為igbt控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等特點，

9、又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。3.2 工作原理 降壓斬波電路主電路原理圖如圖2所示： 圖2 降壓斬波電路主電路原理圖 t=0時刻驅(qū)動v導(dǎo)通，電源e向負載供電，負載電壓，負載電流按指數(shù)曲線上升。 t=t1時控制v關(guān)斷，二極管vd續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感l(wèi)使負載電流連續(xù)且脈動小。圖4 斷續(xù)時的波形tttooo圖3 連續(xù)時的波形形 電壓電壓和電流波形波形teigtontoffioi1i2i10i20t1uooootttteeigigtontoffiotxi1i2i20t1t2uoem 當(dāng)電路工作穩(wěn)定時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖3所示，負

10、載電壓的平均值為： 式中，為v處于通態(tài)的時間，為v處于斷態(tài)的時間；t為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。負載電流的平均值為： 若負載中l(wèi)值較小，則在v關(guān)斷后，到了時刻，如圖4所示，負載電流已衰減至零，會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。由波形可見，負載電壓平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 3.3 參數(shù)分析（1） 單相橋式不可控整流電路如下圖5所示： 圖5 整流穩(wěn)壓部分如圖所示，將波動為20%的220v交流市電經(jīng)變壓器降至有效值為22v的交流電壓，匝數(shù)比為10：1。再經(jīng)過lc整流濾波，得到的輸出電壓為0.9=20v。濾波電路中電感和電容的選擇則根據(jù)輸出電壓的脈動系數(shù)來確定。一般地，

11、要求脈動系數(shù)小于1%。，此處，所以得到。取電感值為100mh，電容值為10mf。驗算后得脈動系數(shù)為0.68% 。 欲使輸出電壓為穩(wěn)定的15v，應(yīng)在濾波電路后加穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路由限流電阻與穩(wěn)壓二極管組成，穩(wěn)壓二極管反向擊穿電壓15v，型號zm4744a, 1w/15v。限流電阻經(jīng)經(jīng)驗計算，選取200。 （二）主電路中需要確定參數(shù)的元器件有igbt、二極管、直流電源、電感、電容、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：(1)電源 要求輸入電壓為15v，經(jīng)220v交流電整流得到(2)電阻 因為當(dāng)輸出電壓為5時，額定負載電流為1a。所以由歐姆定律可得負載電阻值為5歐姆。(3) igbt 由圖3易知當(dāng)igbt截

12、止時，回路通過二極管續(xù)流，此時igbt兩端承受最大正壓為15v；而當(dāng)=1時，igbt有最大電流，其值為 考慮到2倍的裕量，故需選擇集電極最大連續(xù)電流，反向擊穿電壓的igbt，而一般的igbt都滿足要求。(4)二極管 其承受最大反壓15v，其承受最大電流趨近于20a，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。(5) 電感 由于正常工作時，為0.3-0.4之間變化，要電流連續(xù)，則最小負載電流應(yīng)大于臨界電流，最小負載電流。根據(jù)公式： 取d的最小值0.3，求得，由此可取電感大小為120h的電感。（可選用cd32系列非屏蔽貼片功率電感120h）(6) 開關(guān)頻率 選取較大的開關(guān)頻率可使輸出電壓更加穩(wěn)定，故選取 f

13、=20khz(7) 電容 設(shè)計要求輸出電壓紋波小于1%。根據(jù)輸出電壓紋波公式 由此選用200的電容。取c=200，l=120h，故有：驗算：，滿足要求。四、控制電路設(shè)計4.1 控制電路方案選擇經(jīng)過查閱網(wǎng)上的控制電路的設(shè)計，主要的思想是通過一片pwm產(chǎn)生裝置作為控制電路，并且加以輔助的拓撲網(wǎng)絡(luò)進行反饋控制來穩(wěn)壓，其中一種運用的比較成熟的方法是使用sg3525+ir2110作為一套控制+驅(qū)動電路。并且sg3525具有一定的過壓保護和過流保護的作用，并且可以進行拓撲擴展，因此這次設(shè)計選用sg3525a芯片作為主控制芯片。4.2 工作原理本控制電路是以sg3525a為核心構(gòu)成, sg3525a為美國s

14、ilicon general 公司生產(chǎn)的專用，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案 ,內(nèi)部包含有精密基準源,鋸齒波振蕩器,誤差放大器,比較器,分頻器和保護電路等.調(diào)節(jié)ur 的大小,在11,14兩端可輸出兩個幅度相等,頻率相等,相位相差,占空比可調(diào)的矩形波(即pwm信號)。然后，將脈沖信號驅(qū)動電路，對微信號進行升壓處理，再把經(jīng)過處理的電平信號送往igbt，對其觸發(fā)，以滿足主電路的要求。4.3 控制芯片介紹以及參數(shù)確定電壓調(diào)節(jié)芯片sg3525 具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。其中，腳16 為sg3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）v，采用了溫度補償，而且設(shè)有過流保護電路。腳5，腳6，腳7 內(nèi)有一個

15、雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成sg3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70db 左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)。 圖6 sg3525管腳圖&內(nèi)部框圖sg3525各引腳的具體功能1.inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2.noninv.input(引腳2)：誤差放

16、大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。3.sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。 4.osc.output(引腳4)：振蕩器輸出端。5.ct(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。6.rt（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。7.discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。 8.soft-start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只軟啟動電容。9.compensati

17、on(引腳9)：pwm比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同 類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。10.shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。11output a（引腳11）：輸出端a。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。12.ground(引腳12)：信號地。13.vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。14.output b（引腳14）：輸出端b。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。 15.vcc（引腳15）：偏置電源接入端。16.vref(引腳16)：基準電源輸出端。該端可輸

18、出一溫度穩(wěn)定性極好的基準電壓。通過查閱okdatasheet網(wǎng)上有關(guān)sg3525芯片的datasheet，部分參數(shù)見圖7，我了解到了sg3525芯片的一些參數(shù)，并且參考數(shù)據(jù)手冊中給出的典型應(yīng)用電路我設(shè)計出了課程設(shè)計所需的硬件圖，見圖,8，并且計算了相關(guān)的數(shù)據(jù)。 圖7 sg3525a datasheet局部參數(shù) 圖8 控制電路圖 圖中vin和vc分別接入20v的電壓，sync懸空，vref通過分壓電阻給eam端分得2.55v的電壓，根據(jù)f=1/ct*(0.7rt+3rd),設(shè)定輸出頻率為20khz，可以分別算得rt=12k歐，rd=200歐ct=5.56nf，soft腳接4.7uf電容然后接地進

19、行軟啟動。1、2兩個管腳之間的內(nèi)部差分放大電路圖見圖9以及電壓反饋裝置如圖10所示，根據(jù)傳遞函數(shù)可知，這是一個簡易的pi控制系統(tǒng)，通過1腳和9腳之間的電容，9腳可以將1腳與2腳（基準電壓2.55v）之間的誤差進行積分累加，以此來消除因輸出電壓不穩(wěn)定造成的電壓誤差。在正常情況下1腳的輸入是2.5v，9腳的輸入電壓0.93.3v，占空比0%49%，經(jīng)過計算輸出pwm的占空比剛好是33%，根據(jù)計算r1=r2=100k歐 ，c1=318pf，可以在一定程度上起到過電壓保護的作用。shutdown端通過外接電路進行過電流保護作用。 圖9 內(nèi)部差分放大電路 圖10 電壓反饋電路五、驅(qū)動電路設(shè)計5.1 驅(qū)動

20、電路方案選擇igbt驅(qū)動電路主要有3種典型的電路：（a） 阻尼濾波門極驅(qū)動電路為了消除可能的振蕩現(xiàn)象，igbt的柵射極間接上rc網(wǎng)絡(luò)組成阻尼濾波器且連線采用雙絞線。（b） 光耦合器門極驅(qū)動電路驅(qū)動電路的輸出級采用互補電路的型式以降低驅(qū)動源內(nèi)阻，同時加速igbt的關(guān)斷過程。（c）脈沖變壓器直接驅(qū)動igbt的電路由于是電磁隔離方式，驅(qū)動級不需要專門直流電源，簡化了電源結(jié)構(gòu)。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式.美國ir公司生產(chǎn)的ir2110驅(qū)動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選?？梢钥闯?，ir2110芯片集成了以上幾

21、種驅(qū)動電路的優(yōu)點。5.2 工作原理 ir2110的內(nèi)部框圖見圖11 圖11 ir2110內(nèi)部框圖ir2110引腳功能及特點簡介 內(nèi)部功能如圖4.18所示: lo（引腳1）:低端輸出 com（引腳2）:公共端 vcc（引腳3）:低端固定電源電壓 nc（引腳4）: 空端 vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓 vb (引腳6):高端浮置電源電壓 ho（引腳7）:高端輸出 nc（引腳8）: 空端 vdd（引腳9）:邏輯電源電壓 hin（引腳10）: 邏輯高端輸入 sd（引腳11）:關(guān)斷 lin（引腳12）:邏輯低端輸入 vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0v nc（引腳14）:空端 ir

22、2110的特點： （1）具有獨立的低端和高端輸入通道。 （2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500v。 （3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為1020v。 （4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）515v，可方便的與ttl，cmos電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 v的便移量。 （5）工作頻率高，可達500khz。 （6）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。 （7）圖騰柱輸出峰值電流2a。 ir2110的工作原理 ir2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護。如上所述ir2110的特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計，可

23、以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。 高端側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理： ir2110驅(qū)動半橋的電路如圖所示，其中c1，vd1分別為自舉電容和自舉二極管，c2為vcc的濾波電容。假定在s1關(guān)斷期間c1已經(jīng)充到足夠的電壓（vc1 vcc）。 當(dāng)hin為高電平時如圖4.19 ：vm1開通，vm2關(guān)斷，vc1加到s1的柵極和源極之間，c1通過vm1，rg1和柵極和源極形成回路放電，這時c1就相當(dāng)于一個電壓源，從而使s1導(dǎo)通。由于lin與hin是一對互補輸入信號，所以此時lin為低電平，vm3關(guān)斷，vm4導(dǎo)通，這時聚集在s2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過rg2迅速對地放電，由于死區(qū)時間

24、影響使s2在s1開通之前迅速關(guān)斷。 當(dāng)hin為低電平時如圖4.20：vm1關(guān)斷，vm2導(dǎo)通，這時聚集在s1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過rg1迅速放電使s1關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間lin為高電平，vm3導(dǎo)通，vm4關(guān)斷使vcc經(jīng)過rg2和s2的柵極和源極形成回路，使s2開通。在此同時vcc經(jīng)自舉二極管，c1和s2形成回路，對c1進行充電，迅速為c1補充能量，如此循環(huán)反復(fù)。 下圖圖12是我設(shè)計的ir2110的框圖 ,根據(jù)查閱ir2110的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊和典型電路，對各管腳的接線和元器件的參數(shù)進行的排版和計算。vb和vs之間接10uf電容并且通過二極管接電源，vcc和com之間接10uf電容，vss

25、和vdd之間接10uf電容然后接電源，ho懸空，lo輸出pwm，sd接地，lin作為pwm輸入。圖12 ir2110設(shè)計框圖6、 保護電路設(shè)計6.1 過壓保護電路（1） 阻容保護（保護igbt）當(dāng)達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。阻容保護電路圖13如下： 圖13 將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。

26、電容選值 操作過電壓，其實質(zhì)是開關(guān)開端時產(chǎn)生的電磁能量震蕩過程。在回路中沒有保護器存在時，總電容值很小，導(dǎo)致震蕩頻率f很高。電容的引入，可以大大提高回路總電容值，降低震蕩頻率。最佳的效果應(yīng)是降低頻率正好到工頻（50hz）。根據(jù)多年運行經(jīng)驗，取電容0.1f時，一般可以將f限制在150hz以下，因此0.1f就成為一個比較通用的值。 電阻選值r不應(yīng)小于其臨界值，否則對降低頻率不利。存在電阻值不應(yīng)小于100的說法。故此處選用200。(2) 負載過壓保護利用控制電路中的控制芯片sg3525a自帶的功能可實現(xiàn)過壓保護，即通過比較負載電壓和基準電壓，來控制sg3525a輸出的觸發(fā)脈沖的占空比，若占空比下降，

27、則主電路輸出電壓（負載電壓）就會下降。從而達到避免出現(xiàn)過壓的現(xiàn)象。此保護電路具有負反饋功能，可以自我調(diào)節(jié)，使主電路輸出電壓穩(wěn)定。6.2 過流保護電路（1） 熔斷器過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加fu熔斷器來限制電流的過大，防止igbt的破壞和對電路中其他元件的保護。（2） 過流保護電路 圖14如圖14，左側(cè)為放大器，放大器正相端接負載上的電流反饋（取反饋的方法為：在負載中串一個小電阻，將電流取樣），反相串1k電阻接地。反相端電阻大小為1k，9k電阻跨接在輸出端與反相端之間。由放大器運算公式：，可知信號放大了10倍。放大后的信號與基準電壓5.1v進行比較，若小于等于基準值，則輸出低電平，若高于基準值，則輸出高電平。使10端上的信號為高電平，pwm瑣存器將立即動作，禁止sg3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果