1、目錄摘要2buck變換器的研究與設計31 總體方案設計31.1電路簡述31.2設計要求及解決方案31.3設計總體原理框圖42直流穩壓電源的設計42.1電源設計原理42.2電源設計分析43降壓斬波主電路設63.1 buck電路工作原理63.2 主電路參數討論84控制電路原理與設計94.1控制電路方案選擇94.2控制電路原理圖及工作原理104.3 pwm控制原理與波形114.4驅動電路125 保護電路的原理與設計125.1過電壓保護125.2過電流保護136總結與體會14參考文獻15附錄16摘要 隨著電子技術的不斷發展，電子設備功能日趨完善，對電源的要求也越來越高，由于具有高集成度高性價比、外圍電

2、路簡單、高效率等優點，單片開關電源已經廣泛應用于眾多便攜式電子產品中。 直流-直流交變電路的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，也稱為直流斬波電路。buck電路作為一種最基本的dc/ dc 拓撲，結構比較簡單，輸出電壓小于輸入電壓，廣泛用于各種電源產品中。根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可以分為脈沖寬度調試、頻率調制和混合型三種控制方式，buck電路的研究對電子產品的發展有著重要的意義。 關鍵詞： 電子技術 電源 斬波 調制 buck變換器的研究與設計1 總體方案設計1.1電路簡述 直流斬波電路（dc chopper）的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直

3、流電，也稱為直接直流-直流變換器（dc/dc converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變為另一直流電的情況，輸入與輸出不之間不隔離。直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，cuk斬波電路，sepic斬波電路和zeta斬波電路。利用不同的基本斬波電路進行組合，可構成復合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等，利用相同結構的基本斬波電路進行組合，可構成多相多重斬波電路。1.2設計要求及解決方案1）設計一個輸入為家庭電源220v交流電，輸出為20-30v的直流穩壓電源，根據前面模擬電路所學的內容，采用相應的芯片就可以滿足所需要

4、求。2）對降壓斬波主電路進行設計，所涉及電力電子原理知識的直流斬波部分，可以參見電力電子課本第三章，所選著的全控型器件為igbt。任務還需要通過pwm方式來控制igbt的通斷，查閱相關資料，需要使用脈寬調制器sg3525來產生pwm控制信號。3）電路需要使輸出電壓恒定為15v，采用電壓閉環，將輸出電壓反饋給控制端，由輸出電壓與載波信號比較產生pwm信號，調節不同的脈沖寬度可以得到穩定的15v輸出，達到負反饋穩定控制的目的。buck主電路直 流穩 壓電 源sg3525脈寬調制器 ex841驅動電路 圖1 buck電路總框圖1.3設計總體原理框圖 根據設計要求，作出所要求的總體原理框圖，如圖1所示

5、。2直流穩壓電源的設計2.1電源設計原理 直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分組成，其原理框圖如圖2所示，直流穩壓電源設計圖如圖3所示。變 壓電 路整 流電 路濾 波 電 路穩 壓電 路 + + + + _ _ _ _ _ 圖2 直流穩壓電源原理框圖 圖3 穩壓電源電路圖2.2電源設計分析 在穩壓電源中一般用四個二極管組成橋式整流橋，整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，得到平滑的直流電壓。與交流電壓的有效值的關系為：；在整流電路中，二極管所承受的最大反向電壓為：；流過每只二極管的平均電流

6、為:其中：r為整流濾波電路的負載電阻，它為電容c提供放電通路，放電時間常數rc應滿足： , 其中是交流電壓的周期。為了使輸出電壓穩定，滿足設計要求，需加穩壓電路，以克服輸入電壓發生波動、負載和溫度發生變化時，濾波電路輸出的直流電壓會隨著變化。選定穩壓器為可調式輸出正電壓的cw317三端穩壓器，穩壓器輸出電壓的可調范圍為，最大輸出電流，輸入電壓與輸出電壓差的允許范圍為：。 對本次課設的直流電源進行設計，輸出電壓為20-30v。集成穩壓器選用cw317，其輸出電壓范圍為：，最大輸出電流為1.5a。由于cw317 的輸入電壓與輸出電壓差的最小值，輸入電壓與輸出電壓差的最大值。故cw317的輸入電壓范

7、圍為：即： 變壓器副邊電流：，因此，變壓器副邊輸出功率：由于變壓器的效率 = 0.8，所以變壓器原邊輸入功率 ，為了留有余地，選用功率為50w的變壓器。接著選用整流二極管和濾波電容，由于：，。in4001的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用in4001。電路對紋波由要求，輸出紋波電壓小于等于100mv，選定穩壓系數，根據以及公式 可以求得：所以，濾波電容： 電容的耐壓要大于，濾波電容c取容量為470uf，取50v的電解電容。 在圖3中取，二極管用in4001，電路中r1和rw組成輸出電壓調節電路，輸出電壓，流過電流為。取為240，則由可以求得，=，故取為10k的精密線繞電位器即可實現

8、電壓輸出為的直流電。通過示波器測試輸出電壓波形，發現輸出紋波電壓小于100mv，滿足設計要求。3降壓斬波主電路設 3.1 buck電路工作原理 圖4 buck電路原理圖 降壓斬波電路（buck chopper）的原理圖如圖4所示。該電路使用一個全控器件v，圖中為igbt，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需要設置使晶閘管關斷的輔助電路。在圖4中，為在v關斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續流二極管vd。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現反電動勢em，若反電動勢為零，則可以不畫，圖中em=0,電路的工作波形如圖5所示。 圖5 buck電路工作波形

9、圖由圖5中的v的柵射電壓波形可知，在時刻驅動v導通，電源e向負載供電，負載電壓，負載電流按指數曲線上升。當時刻，控制v關斷，負載電流經二極管vd續流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小，通常串接l值很大的電感。至一個周期t結束，再驅動v導通，重復上一周期的過程。當電路工作與穩態時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為 ；式中，為v處于通態的時間；為v處于斷態的時間；t為開關周期；為導通占空比。由此式知，輸出到負載的電壓平均值最大為e，若減小占空比，則隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。負載電流的平均值為 ，若負載中的l值較小，則在v關斷后

10、，到了時刻，如圖7所示，負載電流已衰減至零，會出現負載電流斷續的情況。由波形可見，負載電壓平均值會被抬高，一般不希望出現電流斷續的情況。根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式。1） 保持開關周期t不變，調節開關導通時間，稱為脈沖寬度調制（pwm方式）。2） 保持開關導通時間不變，改變開關周期t，稱為頻率調制。3） 和t都可調，使占空比改變，稱為混合型。3.2 主電路參數討論主電路中需要確定參數的元器件有igbt、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數確定過程如下。1）對于電源，因為題目要求輸入電壓為，且連續可調。其直流穩壓電源模塊的設計已在前面完成，直流穩壓電源

11、作為系統電源。2）電阻的選擇。因為當輸出電壓為15v時，輸出電流為。所以由歐姆定律可得負載電阻值為 ，可得到電路電阻應該在。3)對于igbt的選擇，由圖5易知當igbt截止時，回路通過二極管續流，此時igbt兩端承受最大正壓為30v；而當時，igbt有最大電流，其值為1a。故需選擇集電極最大連續電流，反向擊穿電壓的igbt。而一般的igbt基本上都可以滿足這個要求。4)二極管的選擇。當=1時，其承受最大反壓30v；而當趨近于1時，其承受最大電流趨近于1a，故需選擇額定電壓大于30v，額定電流大于1a的二極管。5)電感l的值取無窮大。4控制電路原理與設計4.1控制電路方案選擇igbt控制電路的功

12、能有：給逆變器的電子開關提供控制信號；對電流反饋信號進行放大處理，并根據反饋、給定信號調節電子開關控制信號的脈寬；以及對保護信號作出反應，關閉控制信號。脈寬調節器的的基本工作原理是用一個電壓比較器，在正輸入端輸入一個三角波，在負入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號，改變負輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號的脈寬。圖6 sg3525引腳圖圖7 sg3525內部結構實際控制電路的設計有很多種方法，可以通過一些數字運算芯片如單片機、cpld等等來輸出pwm波，也可以通過特定的pwm發生芯片來控制。因為題目要求輸出電壓、電流連續可調，所以我選用一般的pwm發生芯片來進行連續控制。對于pwm發生

13、芯片，選用sg3525芯片，其引腳圖如圖7所示，它是一款專用的pwm控制集成電路芯片，它采用恒頻調寬控制方案，內部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調的pwm信號。腳6、腳7 內有一個雙門限比較器，內設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成sg3525 的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內部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。根據系統的動態、靜態特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當的反饋補償網絡，另外當10腳的電壓為

14、高電平時，11和14腳的電壓變為10輸出。4.2控制電路原理圖及工作原理由于sg3525的振蕩頻率可表示為 ： 式中 ,分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據任務要求需要頻率為50khz，所以由上式可取=1,= ,=。可得f=49.02khz，基本滿足要求。圖8控制電路部分電路圖sg3525有過流保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅動電路輸出的過流保護電流信號經一電阻作用，轉換成電壓信號來進行過流保護，如圖11所示。當驅動電路檢測到過流時發出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當其沒

15、有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出pwm波。4.3 pwm控制原理與波形 本次課程設計采用的是pwm方式控制全控型器件igbt的通斷，主要使用的是脈寬調制器sg3525產生pwm波形，在電路設計時，由于輸出電壓ui是20-30v的直流可調電壓，而輸出是15v的恒定電壓，電路需采用電壓閉環的方式設計；于是我考慮到使用負反饋的思想，通過電路輸出電壓的大小，反饋給脈寬調制器sg3525，脈寬調制器sg3525通過反饋來的電壓值來產生pwm波形，而反饋電壓值的大小決定了pwm波形的脈寬，從而實現igbt的通斷。pwm原理波形如圖13所示。 在電路設計中，脈寬調制器sg3525的正向輸入端1

16、接入載波信號，為三角波；在其反向輸入端2接入主電路輸出電壓，即為信號波。sg3525通過這2個端口的電壓值比較產生pwm控制信號，可以設定好三角波的幅值以及斜率，例如當主電路輸入電壓為30v時，此時的占空比應該為0.5；當輸入電壓為20v時，此時的占空比應該為0.75。而輸出電壓恒定為15v，當輸出電壓高于這個值時，產生的pwm信號脈寬會減小，從而占空比減小，輸出電壓降低；當輸出電壓低于這個值時，產生的pwm信號脈寬會增加，從而占空比加大，輸出電壓增加，最終維持在15v恒定的水平，達到了設計的要求。 t t 圖9 pwm方式波形圖4.4驅動電路該驅動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅動電路的

17、穩定與可靠性直接影響著整個系統變流的成敗。該部分主要需完成以下幾個功能：1) 提供適當的正向和反向輸出電壓，使igbt可靠的開通和關斷；2)提供足夠大的瞬態功率或瞬時電流，使igbt能迅速建立柵控電場而導通；3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅動電路絕緣；5)具有靈敏的過流保護能力。針對以上幾個要求，對驅動電路進行以下設計。 采用光電耦合式驅動電路，該電路雙側都有源采用芯片exb841。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測igbt的電壓和電流的狀態，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對

18、脈沖信號有1us的時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。結合本系統中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要控制，又有一些全控器件專用的驅動芯片，其內部集成了光耦電路,此方案使用方便。5 保護電路的原理與設計5.1過電壓保護 對于igbt開關速度較高，igbt關斷時及fwd逆向恢復時，產生很高的，由于模塊周圍的接線的電感，就產生了電壓.關斷浪涌電壓關斷浪涌電壓，因igbt關斷時，主電路電流急劇變化，在主電路分布電感上，就會產生較高的電壓，抑制方法的方法主要有：1） 在igbt中裝有保護電路（緩沖電路）可吸浪涌電壓。緩沖電路的電容， 采用膜電容，并靠近 igbt配置，可使高頻浪涌電壓旁路。2

19、） 調整igbt的驅動電路的或，使最小。3） 盡量將元件靠近igbt安裝，以減小分布電感，采用低阻抗型電容效果佳。4） 為降低主電路及緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好，用銅片作接線效果更佳。 在此基礎上選擇緩沖電路，由于緩沖電路的種類繁多， 在這里我選用rcd緩沖電路（如圖10），作為對igbt的保護，其特點如下：1） 關斷浪涌電壓抑制效果好。2）與緩沖電路不同。因加了緩沖二極管使緩沖電阻變大，因而避開了開通時能受到限制的問題。3）緩沖電路中的損耗（主要由緩沖電阻產生） 非常大，因而不適用于高頻開關用途。 圖10 保護緩沖電路圖5.2過電流保護一旦發生短路，igbt的集電極增加到既定的值，

20、則c-e間的電壓急劇增加。根據這種特性，可以將短路時的集電極電流降到一定數值以下，但是在igbt上還有外加的高電壓，大電流的大負載，必須在盡量短的時間內解除。從發生短路起到電源切斷的時間也受限制，其產生的原因主要有：1） 晶體管或二極管的破壞；2） 控制電路，驅動電路的故障或由于雜波產生的誤動作；3）配線工作等人為失誤以及負荷絕緣的破壞。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。6總結與體會經過了一個學期的電力電子技術的學習，但是除了實驗外并沒有多少實際設計的機會，課程設計與理論課程和實驗有著很大的區別，它是一個綜合性很強的課程環節，也是我們所必須經歷的一個學習階段。在課程設計中，我們在學會學會理論知識的同時，還會加深自己對這門課程的理解，在這門課程設計當中，能學到一些軟件的運用，結合一些其他課程，如protel等軟件，通