1、等級:湖南工程學院課 程 設 計課程名稱 電力電子技術 課題名稱 DC-DC變換電路分析 專 業 班 級 學 號 姓 名 指導教師 趙葵銀 李祥來 唐勇奇 任務書下達日期 2014年 12 月 22 日設計完成日期 2015年 1 月 2 日 設計內容與設計要求一 設計內容：1、 分析研究BUCK型DC-DC變換電路的工作原理；2、 用MATLAB對設計的電路進行仿真；3、 參考仿真分析結果，依據理論推導電路主要元件參數；4、 完成報告撰寫。二 設計要求：1 設計思路清晰，給出各種情況下的整體設計框圖；2 給出具體設計思路和電路；3 分析各電路的原理，并進行相應的仿真；4 寫出設計報告； 主要

2、設計條件 1、 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 每個電路總體思路，基本原理和框圖；5 驅動電路設計分析（驅動電路電路圖）；6 電路實驗、仿真等。7 分析總結；8 附錄（完整電路圖）；9 參考文獻；11、課程設計成績評分表 進 度 安 排 第一周星期一:課題內容介紹和查找資料； 星期二:熟悉基本直流斬波電路 星期三:分析計算BUCK斬波電路；星期四: 分析計算BUCK斬波電路； 星期五: 設計研究BUCK斬波電路；第二周星期一: 設計研究BUCK斬波電路星期二：實驗仿真、波形分析、參數計算等星期三四:寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五:答辯及資料

3、整理 參 考 文 獻1石玉 栗書賢電力電子技術題例與電路設計指導機械工業出版社，1998 2王兆安 黃俊電力電子技術（第4版）機械工業出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術應用（第3版）機械工業出版社，20005鄭瓊林耿學文電力電子電路精選機械工業出版社，19966劉祖潤 胡俊達畢業設計指導機械工業出版社，19957劉星平電力電子技術及電力拖動自動控制系統校內，19998. 康華光,陳大欽電子技術基礎M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應用實例，電子工業出版社，2001.10目 錄第一章 設計方案

4、第二章 主電路設計及原理 2.1 電源設計 2.2 降壓斬波電路 2.3 控制保護驅動電路 2.3.1芯片介紹及功能原理圖 2.3.2電路原理圖及工作原理簡介第三章 DC-DC變換器的計算機仿真第四章 體會與總結第五章 附錄和參考資料第一章 設計方案1.1 設計電路思路電源電路采用電容濾波的二極管不控整流電路，220V單相交流平經變壓器，降為符合的交流電，再經整流電路變為直流電平，然后在降壓斬波電路后，變為要求的平直的直流電平，最后要求電壓其幅值大小應該為10V14V。1.2主電路（1） 主電路選用降壓斬波電路，開關管選用電力IGBT。（2） 整流電路中，占空比不要超過65%，否則電壓大于10

5、0V。（3） 需要保護電路、觸發信號和控制主電路的電路。1.3控制電路的選擇與確定直流斬波電路由電源、變壓器、整流電路、濾波電路、主電路、控制和驅動電路及保護電路組成。如圖所示：電源變壓器整流電路降壓斬波電路濾波電路控制和驅動電路保護電路第二章 主電路設計2.1 電源設計小功率直流電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路三個部分組成。設計是輸入端接220V、50Hz的交流電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz，在整流電流下，變成直流。在直流穩壓電源變壓器，由電源變壓、整流、濾波和穩壓組成。電網供給的交流電壓經電源變壓降壓后，得到符合電路的交流電壓，然后再經整流電路變為電

6、壓，再經濾波濾去雜波，就得到比較平直的直流電壓。整流電流采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路.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，以得到較平滑的直流電壓。與交流電壓的有效值的關系為：；在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：。故電壓承受反向電壓應大于6V，濾波電容應在1000uf左右。 2.2 降壓斬波電路此電路主要用來驅動IGBT斬波。同其他的電力電子器件一樣，由分立元件組成的IGBT驅動電路也存在著可靠性問題。為此，目前已經研制出多種專用的IGBT集成驅動電路。這些集成塊速度快，為了提高

7、安全性，內部設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，可實現IGBT的最優驅動。 主電路需要確定的元件有IGBT、二極管、電源、電感、電容和電阻的值需要確定，電源的額定頻率為50kHz。電源要求輸入電壓為10-14V且連續可調，作為系統電源。 主電路電阻，因為當輸出電壓為5V時，輸出電流為2A，可得到負載電阻為RL=Uo/Io=2.5。主電路IGBT,當IGBT截止時,回路通過二極管續流，此時IGBT兩承受最大正壓為14V；而當 =1時，IGBT有最大電流，其值為2A。故需設置IGBT的集電極最大連續電流Ic>2A反向擊穿電壓Bvceo>14V。 主電路二極管，當=1時，其承受

8、最大反壓14V，而當趨近于1時，其承受最大電流趨近于2A，故需設置二極管額定電壓大于14V，額定電流大于2A。 主電路的占空比，根據 Buck 變換器的性能指標要求及 Buck 變換器輸入輸出電壓之間的關系求出占空比的變化范圍： Dmax=Uo/Uimin=5V/10V=0.5V;Dmin=Uo/Uimax=5V/14V=0.3571V;變換器輕載時，如果工作在電流連續區，那么為了保持一定的輸出電壓，占空比大為減小，也就是說，開關管導通時間很短。如果這個時間小于開關管的存儲時間與最小控制時間之和，變換器的輸出將出現失控或輸出紋波加大，因此希望變換器工作在電感電流連續狀態。所以，以設定最小輸出電

9、流, 作為電感臨界連續電流來設計電感，即 2.3 控制、保護和驅動電路2.3.1芯片介紹及功能原理圖 EXB841芯片是單列直插式結構，如圖5所示，各引腳的功能見表1。圖5中3腳為驅動的輸出端，通過電阻R g接被驅動的IGBT的柵極；4腳用于外接電容，防止電流保護電路的誤動作；5腳為過電路保護電路的輸出信號，低電平有效；6腳接IGBT的集電極，通過檢測Uce的大小來判斷是否發生短路或集電極電流過大，從而進行自動保護。EXB841的功能塊圖。如圖1所示。引腳號功能引腳號功能1與用于反向偏置電源的濾波電容連接7、8懸空2電源（+20V）9電源地3驅動輸出端10、11懸空4用于連接外部電容，以防止過

10、流保護電路的誤動作（絕大部分場合不需要此電路）14驅動信號輸入（-）端5過流保護輸出端15驅動信號輸入（+）端6集電極電壓輸出端表1 EXB841的引腳功能表圖1 EXB841的功能塊圖2.3.2電路原理圖及工作原理簡介 圖1示出了EXB841的電路原理圖，其結構包含隔離放大、過電流保護和基準電源三部分。隔離放大部分由光電耦合器ISO01、晶體管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9組成。光電耦合器IS01的隔離電壓可達2500VAC。VT2為中間放大級，VT4和VT5組成的互補式推挽輸出可為IGBT柵極提供導通和關斷電壓。晶體管VT1、VT3和穩壓管VZ1以及阻容元件R3R8

11、、C2C4組成過電流保護部分，實現過電流檢測和延時保護。電阻R10、穩壓管VZ2與電容C5構成5V基準電源，為IGBT的關斷提供-5V的反偏電壓，同時也為輸入光耦合器IS01提供副方電源.。 電路的工作過程簡述如下：當14腳與15腳間流過的電流為零時，光電耦合器截止，A點為高電平，晶體管VT1、VT2導通，D點電位下降VT4截止、VT5導通。IGBT的柵極電荷經VT5迅速放電，使3腳電位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠關斷。當14腳與15腳間通過10mA電流時，光電耦合器導通，A點電位下降，VT1、VT2由導通變為截止。VT2截止導致D點電位升高，VT4導通，VT5截止。2腳電源經V

12、T4到3腳到Rg到IGBT,驅動IGBT的柵極，使IGBT迅速導通。 當IGBT正常工作時，Uce較小，隔離二極管VD2導通，穩壓管VZ1不會被擊穿，VT3截止，C4被充電，使E點電位為電源電壓值（20V）并保持不變。一旦發生過電流或短路，IGBT因承受大電流而退飽和，導致Uce上升，VD2截止，VZ1被擊穿使VT3導通，C4經R7和VT3放電，E點及B點電位逐漸下降，VT4截止，VT5導通，使IGBT被慢慢關斷從而得到保護。與此同時，5腳輸出低電平，將過流保護信號輸出。 使用此驅動電路時應注意以下問題： 輸入電路與輸出電路應分開。即輸入電路（光電耦合器）接線遠離輸出電路接線，以保證有適當的絕

13、緣強度和高的噪聲阻抗。驅動電路與IGBT柵到射極接線長度應小于1m，并使用雙絞線以提高抗干擾能力。若集電極上有大的電壓尖脈沖產生，可增加柵極串聯電阻Rg使尖脈沖較小。Rg值的選擇可參考表2所給數據。第三章 DC-DC變換器計算機仿真 電路仿真主要是對DC-DC變換器的輸入，輸出的電壓電流。DC-DC變換器的主電路簡單形式，如下仿真。在參數設置完畢后，啟動仿真，得到如下仿真結果：輸入電流對其進行斬控調流，得出輸出電流，其輸入輸出電流，如下：跟據負載電壓計算公式：得出輸出電壓電流的波形，如下：第四章 體會與總結這次電力電子技術課程設計，讓我有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中，并通過對知識的綜

14、合運用，進行必要的分析、比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，次課程設計，還讓我知道了最重要的是心態，在剛開始會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計中，我更進一步地熟悉了降壓變換器的設計。當然，在這個過程中我也遇到了困難，碰到的問題雖然比較多，靠自己所學的知識根本解決不了，借鑒了很多網上資料，解決了這些問題，也學到了很多課本上沒有的東西。在做設計的過程中我學到了很多東西，也知道了自己的哪些不足之處，知道自己對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后仍需努力。查閱資料，相互通過討論

15、，我們找出了錯誤并糾正了錯誤，這更是我們的收獲，不但使我們提高了實踐能力，也讓我們在以后的工作學習中有了更大的信心。通過這次課程設計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合，從實踐中得出結論，從而提高了自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計中遇到了不少困難，但也讓我學到了一些課本上沒有的知識，進一步提高了我的能力。在短短兩星期的時間里，我遇到了很多問題，也學到了很多東西。它不僅鞏固了我以前所學的理論知識，更使我們知道了由理論結合實踐的基本方法，鍛煉了自己解決實際問題的能力。讓我收獲最大的是我發現了自己對以前的知識理解的不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設計，

16、我把以前所學的知識重新溫固，鞏固了所學知識，讓我受益匪淺。第五章 附錄參 考 文 獻1石玉 栗書賢電力電子技術題例與電路設計指導機械工業出版社，1998 2王兆安 黃俊電力電子技術（第4版）機械工業出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術應用（第3版）機械工業出版社，20005鄭瓊林耿學文電力電子電路精選機械工業出版社，19966劉祖潤 胡俊達畢業設計指導機械工業出版社，19957劉星平電力電子技術及電力拖動自動控制系統校內，19998. 康華光,陳大欽電子技術基礎M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應用實例，電子工