電力電子課程設(shè)計(jì)--- buck變換器設(shè)計(jì)

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目 Buck變換器設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　年 級 </p><p>　　學(xué)

2、號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　同 組 人 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　成 績 </p><p><b>　　年 月 日</b

3、></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p><b>　　2 PWM控制1</b></p><p>　　2.1 PWM控制芯片SG3525功能簡介1</p><p>　　2.2 SG3525工作原理2</p><p>　　3 開環(huán)控制回路

4、5</p><p>　　3.1 線路連接5</p><p>　　3.2開環(huán)控制回路調(diào)試6</p><p>　　3.3 所遇問題即解決方法6</p><p><b>　　4 主電路6</b></p><p>　　4.1 主電路的基本原理7</p><p>　　4.2

5、主電路的參數(shù)設(shè)置7</p><p>　　4.3 遇到的問題及解決方法8</p><p>　　5 閉環(huán)控制回路8</p><p>　　5.1 閉環(huán)控制原理及設(shè)計(jì)8</p><p>　　5.2 參數(shù)設(shè)置9</p><p><b>　　6 總結(jié)12</b></p><p&

6、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　Buck變換器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　目前，各種資料都顯示，同步整流技術(shù)是近幾年研究的熱點(diǎn)，主要應(yīng)用于低壓大電流領(lǐng)域，其目的是為了解決續(xù)流管的導(dǎo)通損耗問題。采用一般的二極管續(xù)流

7、，其導(dǎo)通電阻較大，應(yīng)用在大電流場合時(shí)，損耗很大。用導(dǎo)通電阻非常小的MOS管代替二極管，可以解決損耗問題，但同時(shí)對驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求[1]。</p><p>　　此外，對Buck電路應(yīng)用同步整流技術(shù)，用MOS管代替二極管后，電路從拓?fù)渖险狭薆uck和Boost兩種變換器，為實(shí)現(xiàn)雙向DC／DC變換提供了可能。</p><p>　　直流電機(jī)是人們最先發(fā)明、認(rèn)識(shí)和利用的電機(jī)，它具有調(diào)速范圍

8、廣，且易于平滑調(diào)節(jié)，過載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于控制，且控制裝置的可靠性高，調(diào)速時(shí)的能量損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在高精度的位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，直流電機(jī)占據(jù)著主導(dǎo)地位[2]。</p><p>　　但是，要將一直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電就要用到直流-直流變流電路。</p><p>　　改變電樞電源電壓調(diào)速，當(dāng)電樞電源電壓改變?yōu)闀r(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的變化，由于只有變化而未變，故電動(dòng)機(jī)的

9、機(jī)械特性硬度不變，因此，即使電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變動(dòng)而變化的幅度小，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，具有調(diào)速平滑性好，即可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，且附加能量消耗較小，調(diào)速效率高。但由于最高電樞電壓受額定電壓限制，一般只能實(shí)現(xiàn)從基速往下進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，這種調(diào)速方法在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[3]。</p><p><b>　　2 PWM控制</b></p><p>　　要實(shí)現(xiàn)buc

10、k變換器的功能，必須要用到PWM控制，它在閉環(huán)回路中起著不可或缺的作用。本次設(shè)計(jì)中，用到的PWM控制芯片是SG3525.</p><p>　　2.1 PWM控制芯片SG3525功能簡介</p><p>　　SG3525系列脈寬調(diào)制器控制是電流控制型PWM控制器。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而

11、變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。</p><p>　　2.2 SG3525工作原理</p><p>　　SG3525的工作原理圖如下圖所示</p><p>　　圖1 SG3525工作原理圖</p><p>　　根據(jù)上圖對個(gè)引腳的功能及

12、其特點(diǎn)進(jìn)行簡單的介紹：</p><p>　　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(bǔ)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(bǔ)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)

13、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(shí)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(shí)電容接入端。 6.RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)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(dòng)電容接入端

14、。該端通常接一只5 的軟啟動(dòng)電容。 9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)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</p><p>　　SG3525內(nèi)置有5.1V的基準(zhǔn)電壓，可微調(diào)到-1.0%到+1.0%，SG3525不僅有與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號同步的功能，而且還有調(diào)節(jié)死去時(shí)間的功能。SG3525外接一個(gè)定時(shí)電容，那么其內(nèi)部集成的軟啟動(dòng)電路即可

15、工作。軟啟動(dòng)電容接在SG3525的引腳8即為軟啟動(dòng)接入端。輸出晶體管只有在加入低電平時(shí)才會(huì)導(dǎo)通。然而在通電過程中，電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，那么PWM比較器就會(huì)輸出高電平[4]。這時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，當(dāng)該高電平通過兩個(gè)或非門加到晶體管上時(shí)，無法導(dǎo)通。所以，只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)， SG3525才開始工作。在實(shí)際工作中，基準(zhǔn)電壓通常是接在

16、誤差放大器的同相輸入端上，輸出電壓的采樣電壓是加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，使得PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間變短，從而使輸出電壓變回額定值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。同理，輸出電壓因輸入電壓的降低或負(fù)載的變化而降低時(shí)，誤差放大器的輸出</p><p>　　外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動(dòng)電路都起作用

17、。當(dāng)引腳10上的信號為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。</p><p>　　欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，

18、軟啟動(dòng)電容將開始放電。</p><p>　　此外，SG3525還具有以下功能，即無論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。</p><p>　　2.3 PWM控制電路</p><p>　　在PWM控制的閉環(huán)回路中通過產(chǎn)生方波輸入到主電路的三極管的G極實(shí)現(xiàn)反饋控制。PWM控制電路與主電路之間的連接關(guān)系如下圖所示&

19、lt;/p><p>　　圖2 控制電路與主電路 </p><p>　　實(shí)現(xiàn)PWM控制的SG3525芯片，5號腳輸出鋸齒波，并將該鋸齒波與誤差放大器輸出信號共同出入比較器。最后由11號腳和14號輸出方波。通過調(diào)節(jié)2號腳的電壓即同向出入電壓即可改變占空比。下面即為PWM的工作原理圖和工作波形。</p><p>　　圖3 PWM工作原理及波形</p><

20、;p><b>　　3 開環(huán)控制回路</b></p><p>　　開環(huán)控制回路是整個(gè)控制中最基本的環(huán)節(jié)，是在反饋回路中對反饋信號進(jìn)行處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，它的正確連接至關(guān)重要。</p><p><b>　　3.1 線路連接</b></p><p>　　開環(huán)回路的線路連接，就是芯片SG3525的各個(gè)腳之間的連接，各腳的連

21、接在引腳的功能介紹中有過說明，具體連接方式如下圖所示</p><p><b>　　圖4 開環(huán)回路</b></p><p>　　由上圖可簡單地看到接線方式：</p><p>　　1號腳與9號腳短接；</p><p>　　2號腳通過電位器與16號腳相接；</p><p>　　5號腳接一104電容再接

22、地；</p><p>　　6號腳接電位器再接地；</p><p>　　7號腳與5號腳短接；</p><p>　　11號腳引出一根線接主電路；</p><p><b>　　12號腳接地；</b></p><p>　　13號腳接一103電容再接地；</p><p>　　13和1

23、5號腳都引出一根線接輸入信號[6]。</p><p>　　由于分頻作用，故11號腳、14號腳輸出頻率為f/2的方波,每路輸出占空比調(diào)節(jié)范圍為0%-49%。 11號腳、14號腳波形相差180度。為了是占空比達(dá)到50%以上，11號腳與14號腳短接。</p><p>　　3.2開環(huán)控制回路調(diào)試</p><p>　　電路連接好后，將15號腳和13號腳引出的線同時(shí)接到輸入的正

24、端，另一端接地。用示波器觀察5號腳輸出的鋸齒波形，并且記錄鋸齒波形的峰值。然后，在用示波器觀察11號腳（也即14號腳）輸出的方波，通過調(diào)節(jié)與2號腳相連的電位器來調(diào)節(jié)占空比。由于該設(shè)計(jì)要求輸入電壓為25V到30V而輸出為20V，故占空比應(yīng)調(diào)到67%到80%之間。</p><p>　　3.3 所遇問題即解決方法</p><p>　　按照上面的接線方式，進(jìn)行焊接電路，但是經(jīng)過多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)占空比總

25、是不能超過50%,無論如何都無法將占空比調(diào)到我所需要的值67%.最后才了解，11號腳、14號腳輸出頻率為f/2的方波,每路輸出占空比調(diào)節(jié)范圍為0%-49%。 11號腳、14號腳波形相差180度。因此，將11號腳與14號腳短接后就可以解決這個(gè)問題。</p><p><b>　　4 主電路</b></p><p>　　主電路是一個(gè)降壓斬波電路，將直流電變?yōu)榱硪浑妷狠^小的直

26、流電，通過負(fù)載電阻輸出。</p><p>　　4.1 主電路的基本原理</p><p><b>　　主電路圖如圖5所示</b></p><p><b>　　圖5 主電路</b></p><p>　　降壓電路的基本原理是：</p><p>　　利用SG3523芯片控制柵極電壓

27、，在t=0時(shí)刻導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)S導(dǎo)通，電源V向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。</p><p>　　當(dāng)t=時(shí)刻，控制S關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，負(fù)載電壓近似為0，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)較小，通常使串聯(lián)的電感L值較大。</p><p>　　至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)S導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓得平

28、均值為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中，為導(dǎo)通時(shí)間，為關(guān)斷時(shí)間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。從而有輸出電壓得最大值為E，減小占空比，隨之減小，因此稱該電路為降壓斬波電路[7]。</p><p>　　4.2主電路的參數(shù)設(shè)置</p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求的輸入電壓為25V到30V，

29、輸出電壓=20V，不妨取輸入為30V。</p><p>　　根據(jù)課題要求紋波電壓小于5%，故有：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　要求電流連續(xù)，因此：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　要求電流不超過0.5A近似（

30、不考慮紋波電流）則有：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由（1）、（2）、（3）式聯(lián)立求解有：</p><p>　?。?0.5=46.6;</p><p><b>　　L＜4.32mH;</b></p><p><b>　　C＞0.1

31、3uF</b></p><p>　　由于受到實(shí)驗(yàn)室器的限制，我們選取了=47，L=2X0.68mH，C=1uF；根據(jù)該數(shù)據(jù)選好的器材，焊接主電路，最后將主電路與開環(huán)回路通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻連接。</p><p>　　4.3 遇到的問題及解決方法 </p><p>　　在主電路的焊接過程中，由于MOS管遇熱很容易損壞，讓焊接變得很棘手。為了避免MOS管的損

32、壞，最后想到一個(gè)解決方法。那就是用廢掉的SG3525芯片的底座作為MOS的底座，先焊接這個(gè)底座，如此就很容易的解決了MOS管的遇熱易受損的問題。</p><p><b>　　5 閉環(huán)控制回路</b></p><p>　　由于沒有構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果系統(tǒng)受到外部擾動(dòng)，輸出電壓將會(huì)不穩(wěn)定，無法滿足紋波電壓小于5%的要求，因此系統(tǒng)必須設(shè)置成閉環(huán)。為了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，通過對

33、系統(tǒng)的分析我們在其中加入了超前滯后校正器，系統(tǒng)分析及校正器設(shè)計(jì)過程會(huì)在下面的內(nèi)容中詳細(xì)闡述。</p><p>　　5.1 閉環(huán)控制原理及設(shè)計(jì)</p><p>　　控制器由電容電阻的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，具體接線如圖6所示：</p><p>　　圖6 閉環(huán)控制接線圖</p><p>　　閉環(huán)控制的關(guān)鍵是確定電容C1,C2,C3和電阻Rx,Ry,R1,R2

34、,R3.因此參數(shù)的設(shè)置很重要。</p><p><b>　　5.2 參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　BUCK變換器占空比至輸出的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　原始回路增益函數(shù)：</b></p><p

35、>　?。?） </p><p>　　其幅頻特性轉(zhuǎn)折頻率：</p><p><b>　　（7）</b></p><p>　　通過matlab編程可以得到在加入閉環(huán)回路前后的波特圖：

36、</p><p>　　圖7 原始回路波特圖</p><p>　　由圖7知其相位裕量僅為10.6deg,在51230Hz處穿越0dB。</p><p>　　設(shè)加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，回路函數(shù)的增益交界頻率等于1/5的開關(guān)頻率，于是增益交界頻率：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　

37、　如果加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后回路增益函數(shù)以-20dB/dec斜率通（8）過0dB線，則變換器</p><p>　　系統(tǒng)將具有較好的相位裕量，為了得到-20dB/dec的斜率，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在穿越頻率點(diǎn)必須提供+20dB/dec的斜率。</p><p>　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)零點(diǎn)頻率設(shè)計(jì)為原始回路函數(shù)兩個(gè)相近的極點(diǎn)頻率的1/2，即</p><p>　　由于沒有零點(diǎn)，則可以將的兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)定

38、為，以減小輸出高頻開關(guān)紋波。</p><p>　　原始回路函數(shù)在的增益為： </p><p>　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在增益交界頻率的增益為：</p><p>　　這樣補(bǔ)償后回路函數(shù)在為0db。</p><p><b>　　求零點(diǎn)和之增益為：</b></p><p><b>　　（9）</b&

39、gt;</p><p><b>　?。?0） </b></p><p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以畫出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的波特圖如圖8所示：</p><p>　　圖8 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)波特圖</p><p>　　最后求出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻值與電容值。首先，令， 可以求得其他元件的參數(shù)：</p><p><b>　

40、?。?1）</b></p><p><b>　?。?2）</b></p><p><b>　?。?3）</b></p><p><b>　?。?4）</b></p><p><b>　　(15 )</b></p><p>

41、;<b>　　(16)</b></p><p><b>　　(17)</b></p><p><b>　　(18)</b></p><p><b>　　(19)</b></p><p><b>　　(20)</b></p>

42、<p><b>　　(21)</b></p><p>　　根據(jù)確定的參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材綜合考慮，我們選取，， ，</p><p>　　。通過對現(xiàn)有器件的串并聯(lián)，然后焊接完成控制器。</p><p>　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與原始回路函數(shù)幅頻特性相加，得到補(bǔ)償后波特圖如圖9所示：</p><p>　　圖9

43、 補(bǔ)償后系統(tǒng)波特圖</p><p>　　根據(jù)計(jì)算出的結(jié)果，選取恰當(dāng)?shù)碾娮与娏ζ骷凑赵韴D焊接電路，最后將焊接好的電路與控制回路的1號引腳與9號引腳相連，得到閉環(huán)控制回路。</p><p>　　將焊接好的電路板與電源相連。注意，控制回路電源不能太高，一般不要超過23</p><p>　　否則MOSFET極易燒壞，所以我們可以選擇15V。電源電壓按照修改過后的值暫定

44、為25V。按預(yù)先設(shè)定的各個(gè)參數(shù)，測得輸出電壓為15V且穩(wěn)定，輸出波形占空比63%左右，不變的前提下，調(diào)節(jié)輸入電壓V輸出電壓不變，證明反饋回路起到了反饋控制的作用。從而控制器的作用得以實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p><b>　　PWM波形生成作用</b></p><p>　　利用SG35

45、25芯片產(chǎn)生矩形波，其占空比可調(diào)，通過改變矩形波的占空比可以控制MOS管的開通與關(guān)斷，從而控制主電路的輸出電壓。</p><p><b>　　主回路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　通過對電容電感的參數(shù)調(diào)節(jié)，可以控制主電路的紋波電壓，使得輸出電壓較為</p><p>　　穩(wěn)定，且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮主電路的限流作用。</p><p

46、><b>　　校正器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，必須將系統(tǒng)做成閉環(huán)系統(tǒng)，以抵抗外界的干擾，</p><p>　　在系統(tǒng)中串聯(lián)一個(gè)校正器，是我們這個(gè)系統(tǒng)的做法</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　在這次的的電力電子課程設(shè)計(jì)中，對直流-直

47、流變流電路有了更深入的了解。它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。尤其是對降壓斬波電路的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用有了更清晰的認(rèn)識(shí)。縱觀整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過程發(fā)現(xiàn)“磨刀不誤砍材功” 這個(gè)道理，也印證了‘萬事開頭難’的古話，在開始焊接控制回路時(shí)，開始由于魯莽行事，焊接的電路板不盡人意，也不能得到令人滿意的波形，因而導(dǎo)致我們重新焊接了多 次， 不過經(jīng)過我們多次努力終于成功了。再后來，有了前幾次的焊接經(jīng)驗(yàn)，主電路及閉環(huán)回路的焊接變得容易多了

48、。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中，也體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)合作的力量，每一件作品都不可能是一個(gè)人單打獨(dú)斗可以輕易做好的，它需要隊(duì)友的精心合作。因此團(tuán)隊(duì)合作精神，也是至關(guān)重要的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]李嘉，劉連堂等.自動(dòng)控制元件及應(yīng)用 .北京：科學(xué)出版社，2007.8.</p>&l

49、t;p>　　[2]邱阿瑞.電機(jī)與電力拖動(dòng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.65-70．</p><p>　　[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001.201-203</p><p>　　[4]爾桂花，竇曰軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.30-200．</p><p>　　[5]Robert.W.Lind

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