電力電子課程設計說明書
dc/dc變換器的設計
系 、 部： 電氣與資訊工程系
學生姓名： 單能文
指導教師： 桂友超
專業： 自動化
班級： 0 7 0 3 班
完成時間： 2023年6月13日
前言直流斬波電路（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，不包括直流-交流-直流的情況。
習慣上，dc-dc變換器包括以上兩種情況。
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，公升壓斬波電路，公升降壓斬波電路，cuk斬波電路，sepic斬波電路和zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。一方面，這兩種電路應用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎。
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。
直流斬波電路廣泛應用於直流傳動和開關電源領域，是電力電子領域的熱點。全控型器件選擇絕緣柵雙極電晶體（igbt）綜合了gtr和電力mosfet的優點，具有良好的特性。目前已取代了原來gtr和一部分電力mosfet的市場，應用領域迅速擴充套件，成為中小功率電力電子裝置的主導器件。
所以，此課程設計選題為：設計使用全控型器件為igbt的降壓斬波電路。主要討論電源電路、降壓斬波主電路、控制電路、驅動電路和保護電路的原理與設計。
目錄1 設計要求與方案3
2 直流電源設計3
2.1 設計原理3
2.2 引數計算4
3 降壓斬波主電路設計5
3.1 buck電路工作原理5
3.2 主電路引數分析6
4 控制電路原理與設計6
4.1 控制電路方案選擇7
4.2 控制電路工作原理8
5 驅動電路原理與設計8
5.1 驅動電路方案選擇8
5.2 驅動電路分析設計8
6 保護電路原理與設計9
6.1 過電壓保護9
6.2 過電流保護11
設計心得12
參考文獻12
致謝12
附錄13
1.設計要求與方案
設計要求是輸出電壓uo=50v-200v可調的dc/dc變換器，這裡為降壓斬波電路。由於這些電路中都需要直流電源，所以這部分由以前所學模擬電路知識可以由整流器解決。igbt的通斷用pwm控制，用pwm方式來控制igbt的通斷需要使用脈寬調變器sg3525來產生pwm控制訊號。
降壓斬波主電路原理圖如圖1.1所示：
圖1 .1 降壓斬波主電路的原理圖
2.直流電源設計
2.1 設計原理
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，其原理框圖如圖2.1所示，其各電壓波形如圖2.2所示：
圖2.1 直流電源原理框圖
圖2.2 直流電源波形圖
電源變壓器的作用是將來自電網的220v交流電壓變換為整流電路所需要的交流電壓。電源變壓器的效率為：，其中：
是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表2.1 所示：
表2.1 小型變壓器效率
因此，當算出了副邊功率後，就可以根據上表算出原邊功率。
在直流電源中一般用四個二極體組成橋式整流電路，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係為：
；在整流電路中，每只二極體所承受的最大反向電壓為：；流過每只二極體的平均電流為：
2.12.2 引數計算
根據濾波電路的輸出電壓ui，確定電源變壓器副邊電壓的有效值；根據濾波電路的最大輸出電流，確定流過電源變壓器副邊的電流和電源變壓器副邊的功率；根據，從表2.1 查出變壓器的效率η，從而確定電源變壓器原邊的功率。然後根據所確定的引數，選擇電源變壓器。
確定整流二極體的正向平均電流id、整流二極體的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據所確定的引數，選擇整流二極體和濾波電容。依據上述設計步驟，對本次課程的直流電源進行設計，輸出電壓為。
最大輸出電流假設為1a,則由可知：
2.2變壓器副邊電流：
因此，變壓器副邊輸出功率：。
由於變壓器的效率，變壓器原邊輸入功率所以選用功率為300w的變壓器。
再選用整流二極體和濾波電容，由於：，
。in4004 的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極體選用in4004。由於電路對紋波無要求，而電容的耐壓要大於，故濾波電容c取容量為500μf，耐壓為300v的電解電容。
3.降壓斬波主電路設計
3.1 buck電路工作原理
圖3.1 buck電路圖
直流降壓斬波主電路使用乙個全控器件igbt控制導通。用控制電路和驅動電路來控制igbt的通斷，當t=0時，驅動igbt導通，電源e向負載供電，負載電壓=e，負載電流按指數曲線上公升。電路工作時波形圖如圖3.
2所示：
圖3.2 電流持續時波形圖
當時刻，控制igbt關斷，負載電流經二極體續流，負載電壓近似為零，負載電流指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小，故串聯l值較大的電感。
至乙個週期t結束，再驅動igbt導通，重複上一週期的過程。當電力工作於穩態時負載電流在乙個週期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為
3.1為igbt處於通態的時間；為處於斷態的時間；t為開關週期；α為導通占空比。
通過調節占空比α使輸出到負載的電壓平均值最大為e，若減小占空比α，則隨之減小。此電路採用pwm方式控制igbt的通斷。
3.2 主電路引數分析
主電路中需要確定引數的元器件有igbt、二極體、直流電源、電感、電阻值的確定，其引數確定如下：
(1)電源要求輸入電壓為200v。其直流穩壓電源模組前面已完成，以該直流穩壓電源作為系統電源。
(2)電阻因為當輸出電壓為200v時，假設輸出電流為0.1-1a。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)igbt 由圖3.1易知當igbt截止時，迴路通過二極體續流，此時igbt兩端承受最大正壓為200v；而當=1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都滿足要求。
(4)二極體當=1時，其承受最大反壓200v；而當趨近於1時，其承受最大電流趨近於1a，故需選擇，的二極體。
(5)電感選擇大電感l(為700ml)。
4.控制電路原理與設計
4.1控制電路方案選擇
igbt控制電路的功能有：給逆變器的電子開關提供控制訊號；以及對保護訊號作出反應，關閉控制訊號。脈寬調節器的基本工作原理是用乙個電壓比較器，在正輸入端輸入乙個三角波，在負輸入端輸入一直流電平，比較後輸出一方波訊號，改變負輸入端直流電平的大小，即可改變方波訊號的脈寬。
圖4.1 sg3525引腳圖
對於控制電路的設計其實可以有很多種方法，可以通過一些數字運算晶元如微控制器、cpld等等來輸出pwm波，也可以通過特定的pwm發生晶元來控制。因為題目要求輸出電壓連續可調，所以我選用一般的pwm發生晶元來進行連續控制。
對於pwm發生晶元，我選用了sg3525晶元，其引腳圖如圖4.1所示，它是一款專用的pwm控制積體電路晶元，它採用恆頻調寬控制方案，內部包括精密基準源、鋸齒波振盪器、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訊號。腳6、腳7 內有乙個雙門限比較器，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 的振盪器。振盪器還設有外同步輸入端(腳3)。
腳1 及腳2 分別為晶元內部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是乙個兩級差分放大器。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之間一般要新增適當的反饋補償網路，另外當10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變為10輸出。
4.2控制電路工作原理
由於sg3525的振盪頻率可表示為 ：
4.1式中:,分別是與腳5、腳6相連的振盪器的電容和電阻；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=1μf, =,=。可得f=49.02khz，基本滿足要求。
圖4.2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衝波的輸出。因此可以將驅動電路輸出的過流保護電流訊號經一電阻作用，轉換成電壓訊號來進行過流保護，如圖4.2所示。
當驅動電路檢測到過流時發出電流訊號，由於電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當其沒有過流時，10腳一直處於低電平，從而正常的輸出pwm波。
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