推挽型DC变换器
电力电子技术课程设计
班级：电气 1102
学号：
姓名：
扬州大学水利与能源动力工程学院
电气工程及其自动化
二零一五年一月
目录
第一章：任务书 (3)
一、课程设计的内容 (3)
二、课程设计的目的和要求 (3)
三、仿真软件的使用 (3)
四、时间安排 (4)
五、设计总结报告主要内容 (5)
第二章：课程设计报告 (6)
一设计任务及要求 (6)
二主电路方案确定 (7)
三推挽型DC/DC变换器额定参数 (9)
四建立仿真模型并进行仿真实验 (10)
五心得体会 (13)
六参考文献 (14)
第一章：任务书
一、课程设计的内容
推挽型DC/DC变换器的设计及研究(PSPICE)
二、课程设计的目的和要求
1、进一步熟悉和掌握电力电子原器件的器件；
2、进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理；
3、掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数设计的方法；
4、培养对电力电子电路的性能分析的能力；
5、培养撰写研究设计报告的能力。
三、仿真软件的使用
在电力电子系统中，需要应用大功率开关器件，因此对工程人员来说对所设计的电路最好能通过计算机分析和仿真，不断修改和完善电路。
PSPICE是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，是较早出现的EDA 软件之一，1985年就由MICROSIM公司推出。现在使用较多的是PSPICE 6.2，工作于Windows环境，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。新推出的版本为PSPICE 9.2，是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA 软件。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模／数转换、数／模转换等，都可以得到精确的仿真结果。对于库中没有的元器件模块，还可以自已编辑。PSPICE可以对电路进行以下一些工作：
1.制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点（Bias Point），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep），显示检测点的电压电流波形等。
2.估计元器件变化（Parametric）对电路造成的影响。
3.分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度（Temperature）分析等。
4.优化设计。PSPICE主要包括Schematics、Pspice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts等5个软件包。其中：
○1.Schematics是一个电路模拟器。它可以直接绘制电路图，自动生成电路描述文件；并可对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、环境温度分析、蒙特卡罗分析和灵敏度分析等多种分析；而且还可以对元件进行修改和编辑。
○2.Pspice是一个数据处理器。它可以对在Schematics中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。
○3.Probe是后处理器，相当于一个示波器。它可以将在Pspice运算的结果在屏幕或打印设备上显示出来。模拟结果还可以接受由基本参量组成的任意表达式。
○4.Stmed是产生信号源的工具。它在设定各种激励信号时非常方便直观，而且容易查对。
○5.Parts是对器件建模的工具。它可以半自动地将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为Pspice中所用的模拟数据，并提供它们之间的关系曲线及相互作用，确定元件的精确度。
四、时间安排
1、方案设计：
根据课程设计给定的内容和条件，进行调查研究、查阅参考文献，进行反复
比较和可行性论证，确定出方案电路，画出主要单元电路、输入、输出及重要控制信号概貌的框图。
2、电路设计：
根据方案设计框图，仿真软件上画出详细的逻辑图。
3、结合具体电路，设定合适的参数
4、进行电路的仿真
5、总结鉴定：考核所设计电路是否全面达到预定的技术指标，能否长期可靠地
工作，并写出设计总结报告。
五、设计总结报告主要内容
1、课程设计报告的题目
2、课程设计的内容
3、所设计电路的工作原理（包括电路原理图、理论波形）
4、电路的设计过程
5、各参数的计算
6、仿真模型的建立、仿真参数的设置
7、进行仿真实验，列举仿真结果
8、对仿真结果的分析
9，结论与收获
第二章：课程设计报告
一设计任务及要求
一、课程设计的题目
推挽型DC/DC变换器的设计及研究(PSPICE)
二、课程设计的任务
设计一个推挽型DC/DC变换器，并以它为例，对多层次建模方法加以介绍，以此加深对电子电路的理解。
三、课程设计的目的和要求
1、进一步熟悉和掌握电力电子原器件的器件；
2、进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理；
3、掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数设计的方法；
4、培养对电力电子电路的性能分析的能力；
5、培养撰写研究设计报告的能力。
二主电路方案确定
1、推挽型DC/DC变换器的原理图
图1：推挽型Boost DC/DC变换器的原理图
推挽型Boost DC/DC变换器的工作原理：
推挽式Boost DC/DC变换器的拓扑结构，如图1所示，前面一级升压电路可以看作是一个Boost升压电路，通过调整开关管S1的占空比来调节变压器原边输入电压；后面一级升压电路是一个推挽式变换电路，也可以看作是由两个正激式变换器组合来实现的，该变换器是由一个具有中心抽头的变压器和两只开关管S2、S3构成的。这两个正激式变换器在工作过程中相位相反，在一个完整的周期中交替把能量传递给负载，所以称为推挽式变换。
功率开关管S1、S2、S3的发射极直接连接在电源负极，因此该变换器的驱动电路继承了一般推挽式变换电路的优点：基极驱动十分方便、简单，不需要进行电气隔离就可以直接驱动。该拓扑结构具有结构紧凑、驱动电路简单以及升压效果明显等优点。升压变换时其具体的工作过程如图2所示，高压侧开关管的驱动信号被封锁。功率开关管S1和升压电感L1构成的Boost电路将电源电压初次升高到一定的电压值；S2和S3驱动信号的占空比均为50%，构成的推挽变换电路将升高后的直流电压变换成交流电压，通过高频变压器传送到副边，并将电压进
一步升高，利用反向电路中的开关管的反并二极管进行整流。在任一时刻，电流仅仅流过一个开关器件，这大大降低了变换器的通态损耗，同时提高了变换器的效率、缩小了变换器的体积。开关管S1、S2、S3的驱动信号，以及开关管所承受的电压波形、电感L1中的电流波形，如图2所示。
理论波形图分析
图2：推挽型Boost DC/DC变换器发脉冲波形
各开关状态如下：
（1）t0～t1阶段 t0时刻，S1导通，低压侧直流电压加在L1的两端，电感中的电流线性增长。此期间电源对电感充电，储存能量，为了能够保证电流的连续性，要求电感L1要足够大。这期间虽然开关管S2有触发信号，但是开关管S1的导通对L2回路形成短路，加在变压器原边的电压为零，变压器副边输出电压也为零。
（2）t1～t2阶段 t1时刻，S1关断，S2承受正向电压导通，L1中的电流将通过开关管S2流经变压器，此时变换器对负载供电，L1中的电流线性下降。
（3）t2～t3阶段 t2时刻，S1再次导通，工作过程同t0～t1阶段。 （4）t3～t4阶段 t3时刻，S1关断，S3承受正向电压导通，L1中的电流将通过开关管S3流经变压器，此时变压器对负载供电，L1中的电流线性下降。 通过分析得到如下结论：该电路采用Boost 升压电路和推挽式升压电路两种升压电路相结合的方式对输入电压进行升压，大大地提升了升压的整体效率。但是其主要缺点是：电路主体部分仍然采用硬开关电路，造成的开关损耗也比较大，变换器的工作效率受到一定的限制。因此有必要对变换电路进行改进，可以将串联谐振软开关技术引入到推挽式Boost 变换器中。
三 推挽型DC/DC 变换器额定参数
额定参数的选择：
输入直流电压：Uin=28VDC ； 输出直流电压：Uo=270VDC ； 变压器原、副边匝比：1:3； 电感：L4=200μH ； 输出滤波电容：C1=200μF ； 开关管： IRF460； 功率二极管：MUR460
输出电压计算公式：V o=
Vd Ts
ton
N N ??212
四建立仿真模型并进行仿真实验开关管的驱动电压
开关管的驱动电路波形
图3：开关管S2驱动波形
推挽型Boost DC/DC变换器电路
图5：推挽型Boost DC/DC变换器电路原理图
2、推挽型DC/DC变换器电路
图7：推挽型DC/DC变换器原理图
图8：输出波形图
由图5、图6可以看出DC/DC变换器去掉Boost升压电路后，输出电压幅值减小。Vd=28*3=84V符合计算公式。
五心得体会
通过这一次的课程设计，我对电力电子的相关知识有了深刻的认识、对制作电力电子器件有了大致的了解，同时加深了对整流、触发电路等知识的了解和掌握，同时通过实践，对以上内容有了更深刻的认识，有效地将书本知识和实际情况联系起来。
课程设计是大学里必不可少的一项内容，一直以来，我们作为学生，只是一味地获取知识，真正实践的机会少之又少。所以我觉得课程设计具有重大的意义，它提供我们实践的机会，从中去发觉自己所学的与真正应用的是不相符的，是不是在大学里学的知识出了校园就用不上。通过实践，可以了解自己与理想的差距，在以后的学习中，可以有侧重地弥补某些方面的不足。在学习的闲暇之间，一定
要实际运用理论知识，在实践中验证知识，发现知识。
六参考文献
[1]朱桂萍,陈建业.电力电子电路的计算机仿真[M].清华大学出版社,2008
[2] 陈建业.开关电源计算机仿真技术[M].电子工业出版社,2011
[3] SimPowerSystems手册.https://www.360docs.net/doc/b59176763.html,/products/simpower/
[4] 魏艳君.电力电子电路仿真-MATLAB和PSpice[M].机械工业出版社,2012
[5] 电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].机械工业出版社,2011
[6] 陈坚.电力电子学,第二版[M].高等教育出版社,2003
[7] 王兆安.电力电子技术,第五版[M].机械工业出版社,2010
[7]（美）安格.开关功率变换器-开关电源的原理、仿真和设计[M].机械工业出版社,2011
[8] 周洁敏.开关电源理论及设计[M].北京航天航空大学出版社,2012
第三章01-降压型直流变换器.
第二节降压型开关电源 第三章直流变换器 * VT "Ln lk? 第二节降压型开关电源 (&5祥Sfi开关电8电》图 4 0 t ----- t onr- J ???0 ;aa) VT—高频晶体开关管， 工作在：导通饱和状态 ?止状态 起开关作用，可用M OS管和IGBT管代 替; 开关管与负载RL侧电路相率联，VT的反复 周期性导通和《止，控制了U1是否加到负 ?R L的时间比例，起到斩波作用? VD—续流二极管?当开关管VT截止时? VD 提 供一个称为“续流辭电流的通路?使电感电流 不致迅变中断，避免电感感应出高压而将晶体 管击穿损坏-此续流通路也是电感能 量放出到负载的通路? L—储能电感.有两个作用，能a转换和滤波 C—滤波电容，減小负《电压的脉动成分和?小 输出阻抗? R L—等效负我电阻，用电设备.
lk? + vr __________ 95 ttS生开关电源电路图 + Eo U—输入直流电压?该电压大小不穂定或者有纹波卩0?输出直流电压，纹波小，稳定? 将?个直流电压Ui转换成另 4 0 t ■----- t onr- I ?13 直流变换器的设计（降压） 一、设计要求： (1) 二、题目分析： (1) 三、总体方案： (2) 四、原理图设计： (2) 五、各部分定性说明以及定量计算： (5) 六、在设计过程中遇到的问题及排除措施： (6) 七、设计心得体会： (6) 直流变换器的设计（降压） BUCK降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。 BUCK降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT 降压斩波电路的发展。 一、设计要求： 技术参数：输入直流电压Vin=36V 输出电压Vo=12V 输出电流Io=3A 最大输出纹波电压50mV 工作频率f=100kHz 二、题目分析： 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。 课程设计步骤分析（顺序）： 1.设计主电路，主电路为：采用BUCK变换器，主功率管用MOSFET； 2.选择主电路所有图列元件，并给出清单； 3.设计MOSFET驱动电路及控制电路； 4.绘制装置总体电路原理图，绘制： MOSFET驱动电压、BUCK电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形； 5.编制设计说明书、设计小结。 DC/DC变换器的发展与应用 周志敏 （莱芜钢铁集团公司动力部，山东莱芜271104） 摘要：介绍电压调整模块（VRM）技术、软开关技术和高频磁技术在DC/DC变换器中的应用，分析DC/DC变换器发展的关键技术，并探讨其发展的趋势。 关键词：电压调整模块；软开关；高频磁技术 1引言 直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被 广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密 目录第一章．设计概要 1.1 技术参数 1.2 设计要求 第二章．电路基本概述 第三章.电力总体设计方案 第三章.电力总体设计方案 3.1 电路的总设计思路 3.2电路的设计总框图 第四章BUCK 主电路设计 4.1 Buck变换器主电路原理图 4.2 Buck变换器电路工作原理图 4.3 主电路保护（过电压保护） 4.4 Buck变换器工作模态分析 4.5 主电路参数分析 第五章控制电路 5.1 控制带你撸设计方案选择 5.2 SG3525控制芯片介绍 5.3 SG3525各引脚具体功能 5.4 SG3525部结构及工作特性 5.5 SG3525构成的控制电路单元电路图 第六章驱动电路原理与设计 6.1 驱动电路方案设计与选择 6.2 驱动电路工作分析 第七章附录 第八章设计心得 第一章．设计概要 1.1 技术参数： 输入直流电压Vin=25V，输出电压Vo=10V，输出电流Io=0.5A，最大输出纹波电压50mV，工作频率f=30kHz。 1.2 设计要求： （1）设计主电路，建议主电路为：采用BUCK 变换器，大电容滤波，主功率管用MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，并给出清单； （3）设计MOSFET 驱动电路及控制电路； （4）绘制装置总体电路原理图，绘制：MOSFET 驱动电压、BUCK 电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（波形汇总绘制，注意对应关系）； （5）编制设计说明书、设计小结。 第二章．电路基本概述 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，输入与输出不之间不隔离。直流斩波电路的种类较多，包括6 种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路。Buck 电路作为一种最基本的DC/ DC 拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品中。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可以分为脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方式，Buck 电路的研究对电子产品的发展有着重要的意义。MOSFET 特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置。功率MOSFET 的种类：按导电沟道可分为P沟道和N 沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET 主要是N 沟道增强型。 第三章.电力总体设计方案 3.1 电路的总设计思路 Buck 变换器电路可分为三个部分电路块。分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。主电路模块，由MOSFET 的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。控制电路模块，可用SG3525 来控制MOSFET 的开通与关断。驱动电路模块，用来驱动MOSFET。 3.2 电路设计总框图 电力电子器件在实际应用中，一般是有控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。有信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应该包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致环节。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如下图所示。 DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】 将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。 二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】 1 主电路拓扑 Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图所示： 图 Buck 电路主电路拓扑 为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。 (1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。 根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截至，对于NPN 晶体管，当基极加入正向信号时，将产生积极电流b i ，基极正向电压电压升高，b i 也随之升高，b i 达到一定数值后，集电极电流c i 达到最大值，其后继续增加b i ，b i 基本上保持不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截至，集电极电流 c i 接近于零，而晶体管的集射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开 状态，通常称为截至状态，或称为关断状态。 一种模块化高效DC-DC变换器的开发与研制 设计方案 一、设计任务：设计一个将220VDC升高到600VDC的DC-DC变换器。在电阻负载下，要求如下： 1、输入电压=220VDC，输出电压=600VDC。 2、输出额定电流=2.5A，最大输出电流=3A。 3、当输入在小范围内变化时，电压调整率SV≤2%（在=2.5A时）。 4、当在小范围你变化时，负载调整率SI≤5%（在=220VDC时）。 5、要求该变换器的在满载时的效率η≥90%。 6、输出噪声纹波电压峰-峰值≤1V（在=220VDC，=600VDC，=2.5A条件下）。 7、要求该变换器具有过流保护功能，动作电流设定在3A。 8、设计相关均流电路，实现多个模块之间的并联输出。 二、设计方案分析 1、DC-DC升压变换器的整体设计方案 图1 DC-DC变换器整体电路图 如图1升压式DC-DC变换器整体电路所示，该DC/DC电压变换器由主电路、采样电路、控制电路、驱动电路组成；开关电源的主电路单元、样电路单元采、控制电路单元、驱动电路单元组成闭环控制系统，是相对输出电压的自动调整。控制电路单元以SG3525为核心，精确控制驱动电路，改变驱动电路的驱动信号，达到稳压的目的。 2、DC-DC升压变换器主电路的工作原理 DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。 图2（a）DC-DC变换器主电路 图2（b）DC-DC变换器主电路 图2（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由开关变换电路、高频变压电路、整流电路、输出滤波电路四大部分组成；图1（b）是用matlab模拟出的升压式DC-DC变换器的主电路图。其中开关变换电路主要由绝缘栅双极型晶体管IGBT、储能电容C和RC 放电电路组成；高频变压器电路由一个工作频率为20KHz的升压变压器和一个隔直电容组成；整流电路部分采用桥式整流的设计方案，由四个快速恢复二极管构成，实现将逆变产生 绪论 一.开关电源概述 开关电源（Switch Mode Paver Supply,即SMPS）被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个阶段。 早期的开关电源全部有分立元件构成，不仅开关频率低，效率高，而且电路复杂，不宜调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化；80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍DC/DC电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的问世，AC/DC电源变换器的集成化才变为现实。 稳压电源是各种电子的动力源，被人称为电路的心脏，所有用电设备，包括电子仪器仪表，家用电器。等对供电电压都有一定的要求。至于精密的电子仪器，对供电电压的要求更为严格。所谓的DC——DC直流稳压是指电压或电流的变化小到可允许的程度，并不是绝对的不变。 目前，随着单片开关电源集成电源的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出来强大的生命力，它作为一项颇具发展和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍重视。 尤其是最近两年来，国外一些著名的芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广及奠定了良好的基础。单片开关电源具有集成度高、高性价化、最简外围电路，最佳性能等指标，现已成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。 二. 开关电源的技术追求 1.小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感和变压器的尺寸，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此高频化是开关电源的主要发展方向。 2.高可能性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光电偶合器及排风扇等器件的寿命决定着电 n LCD Monitor and LCD TV n Portable instrument power supply n Telecom / Networking Equipment component count. Figure1. Package Type of XL4015 Pin Configurations Figure2. Pin Configuration of XL4015 (Top View) Table 1 Pin Description Pin Number Pin Name Description 1 GND Ground Pin. Care must be taken in layout. This pin should be placed outside of the Schottky Diode to output capacitor ground path to prevent switching current spikes from inducing voltage noise into XL4015. 2 FB Feedback Pin (FB). Through an external resistor divider network, FB senses the output voltage and regulates it. The feedback threshold voltage is 1.25V . 3 SW Power Switch Output Pin (SW). SW is the switch node that supplies power to the output. 4 VC Internal V oltage Regulator Bypass Capacity. In typical system application, The VC pin connect a 1uf capacity to VIN. 5 VIN Supply V oltage Input Pin. XL4015 operates from a 8V to 36V DC voltage. Bypass Vin to GND with a suitably large capacitor to eliminate noise on the input. 双向直流-直流变换器的设计与仿真 姓名：张羽 学号：109081183 指导教师：李磊 院系：动力工程学院 摘要：本文选取了一种以Buck-Boost变换器为基础的双向DC-DC变换器进行了研究，设计了一种隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器。并根据设计指标，对变压器、输出滤波器、功率开关等进行参数设计，并使用saber仿真软件完成了这种带高频电气隔离的拓扑的仿真。 关键字：双向DC-DC变换器Buck-Boost变换器saber仿真软件uc3842 0 引言 所谓双向DC-DC变换器就是实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC-DC。它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。是典型的“一机两用”设备。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本。 近年来,双向DC/DC变换器在电动汽车、航天电源系统、燃料电池系统以及分布式发电系统等方面得到了广泛应用。 1 基本电路的选取 DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。 本文选取Buck-Boost双向DC-DC变换器进行了仿真实验。 2 Buck-Boost双向DC-DC变换器 2.1 Buck-Boost变换器 将Buck变换器与Boost变换器二者的拓扑组合在一起，除去Buck中的无源开关，除去Boost中的有源开关，如图所示，称为升降压变换器。它是由电压源、电流转换器、电压负载组成的一种拓扑，中间部分含有一级电感储能电流转换器。它是一种输出电压既可以高于也可以低于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck-Boost变换器和Buck变换器与Boost变换器最大的不同就是输出电压的极性和输入电压的极性相反，输入电流和输出电流都是脉动的，但是由于滤波电容的作用，负载电流应该是连续的。 LM2717型双降压直流/直流变换器的原理及应用 摘要：LM2717是美国国家半导体公司推出的一款全新的高性能变换器，内含两个脉宽调制(PWM)直流/直流转换器，功能强大。介绍了该器件的主要参数、工作原理和引脚功能，讨论利用LM2717进行应用设计时选择外部器件的原则及设计中应注意的问题。 关键词：LM2717；PWM；DC/DC变换器；设计 1 引言 LM2717是美国国家半导体公司推出的一款全新的高性能DC/DC变换器，内含2个降压脉宽调制(PWM)直流/直流变换器，其中一个专门用来提供固定输出3.3 V电压，另一个专门用来提供可调输出电压。2个变换器都设有导通电阻(RDSON)只有0.16 Ω的内部开关，确保转换效率最高，工作频率可以在300 kHz~600 kHz调节，系统可以采用较小巧的外部元件。每个变换器也可以用其关闭引脚单独关闭。该电路可广泛应用于薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)、测控装置、便携式产品和膝上电脑。 LM2717的主要特性如下： 3.3 V固定输出降压变换器，内有一个电流为2.2 A、电阻为0.16 Ω的内部开关； 可调降压变换器有一个电流为3.2 A、电阻为0.16 Ω的内部开关； 工作输入电压范围是4 V～20 V； 低电压输入保护； 可调工作频率范围为300 kHz-600 kHz； 24引脚TSSOP封装。 2 引脚功能 如图1所示为LM2717的引脚排列，各个引脚的基本功能如下： PGND(1，2，11，12)：电源地，AGND和PGND必须直接连在一起。 AGND(3,9，10)：模拟地，AGND和PGND必须直接连在一起。 FBl(4)：固定降压输出电压的反馈输入端。 VC1(5)：固定降压补偿网络连接引脚，接至电压误差放大器的输出端。 VVG(6)：带隙连接端。 VC2(7)：可调降压补偿网络连接引脚，接至电压误差放大器的输出端。 FB2(8)：可调降压输出电压的反馈输入端。 SW2(13)：可调降压电源开关输入端。开关连接在VIN引脚和SW2引脚之间。 VIN(14，15,23)：模拟电源输入端。VIN引脚应该直接连在一起。 CB2(16)：可调降压变换器自举电容器连接引脚。 SHDN2(17)：可调降压变换器的关闭引脚。低电压时激活。 SS2(18)：可调降压软启动引脚。 FSLCT(19)：转换频率选择输入端。利用一只电阻器可在300 kHz~600 kHz范围内设置频率。 一、元器件的选择 1.DC-DC电源变换器的三个元器件 1)开关：无论哪一种DC/DC变换器主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小，目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。 2)电感：电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因 此理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有“很大的惯性”.换句话说，由于“磁通连续性”,电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题，多数情况下，电感工作在线性区，此时电感值为一常数，不随端电压与流过的电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起的两个分布参数(或称寄生参数)的 现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的;其二是分布式杂散电容，随绕线工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随频率提高而渐显出来，到一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容集成为一个，则从电感的等效电路可看出在一角频率后的电容性。 3)电容：电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递 电能的元件。但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具平滑电 压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引线，形成一个等效串联内电阻ESR.这种等效串联内电阻在开关电源中小信号控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电路器滤波效果时非常重要。有时加大电容值并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻与接点和引出线 有关，也与电解液有关。常见铝电解电容的成分为AL2O3,导电率比空气的大七倍，为了能提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大，加入的电解液可在凸凹面上流动。普通的铝电解电容在高频脉动电流大幅度增加下，高频阻抗温度上升较大，成了开关电源长寿命的瓶颈。所谓好电容耐反波电流， 耐温升，ESR值小。电容电解液受温度影响，温度升高，电阻减小，即电容串联电阻减小，则是理想的。温度升高，等效串联电阻加大，导致电容寿命减短，这是 普通铝电解电容的缺点。为改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干 燥形成固体式电解质电容，即“钽电容”. 2.器件选择要点 只如果外接开关管，最好选择开关三极管或功率MOS 管，注意耐压和功耗。如果开关频率很高，电感可选用多线并绕的，以降低趋肤效应的影响。续流二极管一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管，但要注意耐压。如果输出电压很小(零点几伏)，就必须使用MOS管续流。输出滤波电容一般使用高频电容， 可减小输出纹波同时降低电容的温升。在取样电路的上臂电阻并一个0.1~1μf电容，可以改善瞬态响应。电源设计的器件选择需要注意以下几点： 六种基本DC/DC变换器拓扑，依次为buck,boost,buck-boost,cuk,zeta,sepic变换器 半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑。 半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决。半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制。 正激变换器 绕组复位正激变换器 LCD复位正激变换器 RCD复位正激变换器 有源钳位正激变换器 双管正激 吸收双正激 有源钳位双正激 原边钳位双正激 软开关双正激 推挽变换器 无损吸收推挽变换器 推挽变换器:推挽变换器是双端变换器.其实是两个正激变换器通过变压器耦合而来,基本推挽变换器好处是驱动不需隔离,变压器双端磁化,只要两个开关管.但是,变压器绕组利用率低,开关管电压应力为输入两倍,所以一般只适合低压输入的场合.而且有个问题就是会出现偏磁,所以要采用电流型控制等方法来避免. 如果将两个双管正激同样耦合,可以构成四开关管的推挽变换器,也就是所谓的双双管正激.其管子电压应力下降为输入电压.其他等同. 推挽正激是最近出现的一种新拓扑,通过一个电容来解决变换器漏感尖峰,偏磁等问题.在VRM中有应用. 半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑. 半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决. 半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制. 全桥变换器 2 Buck 直流变换器的工作原理及动态建模 2.1 DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】 将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。 基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。 2.2 二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】 1 主电路拓扑 Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。如图2.1所示： 图2.1 Buck 电路主电路拓扑 为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。 (1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。 (2) 电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。 (3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上 Maxim > Design Support > Technical Documents > Tutorials > Power-Supply Circuits > APP 2031 Keywords: DC to DC, buck, boost, flyback, inverter, PWM, quick-PWM, voltage mode, current mode skip, synchronous rectifier, switching regulator, linear regulator TUTORIAL 2031 DC-DC Converter Tutorial Nov 29, 2001 Abstract:Switching power supplies offer higher efficiency than traditional linear power supplies. They can step-up, step-down, and invert. Some designs can isolate output voltage from the input. This article outlines the different types of switching regulators used in DC-DC conversion. It also reviews and compares the various control techniques for these converters. Introduction The power switch was the key to practical switching regulators. Prior to the invention of the Vertical Metal Oxide Semiconductor (VMOS) power switch, switching supplies were generally not practical. The inductor's main function is to limit the current slew rate through the power switch. This action limits the otherwise high-peak current that would be limited by the switch resistance alone. The key advantage for using an inductor in switching regulators is that an inductor stores energy. This energy can be expressed in Joules as a function of the current by: E = ? × L × I2 A linear regulator uses a resistive voltage drop to regulate the voltage, losing power (voltage drop times the current) in the form of heat. A switching regulator's inductor does have a voltage drop and an associated current but the current is 90 degrees out of phase with the voltage. Because of this, the energy is stored and can be recovered in the discharge phase of the switching cycle. This results in a much higher efficiency and much less heat. What is a Switching Regulator? A switching regulator is a circuit that uses a power switch, an inductor, and a diode to transfer energy from input to output. The basic components of the switching circuit can be rearranged to form a step-down (buck)converter, a step-up (boost) converter, or an inverter (flyback). These designs are shown in Figures 1,2,3, and 4 respectively, where Figures 3 and 4 are the same except for the transformer and the diode polarity. Feedback and control circuitry can be carefully nested around these circuits to regulate the energy transfer and maintain a constant output within normal operating conditions. DC/DC变换器的发展与应用 1引言 直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率 的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC 变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC 变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为 0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。 电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT实现高频工作,开关频率一般控制在50kHz～100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。 因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。 2电力电子器件 功率变换技术高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第4代即智能化时代，具有如下显著的特征。 2.1高性能化 高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、高速度和高可靠性等4个方面。如IGBT 的电流可达2kA～3kA、电压达到4kV～6kV，降低损耗是所有复合器件的发展目标。预计在21世纪IGBT、 开题报告 一背景 直流变换器是一种将模拟量转变为数字量的半导体元件。按功能可分为:升压变换器、降压变换器和升降压变换器。在燃料电池汽车中主要采用升压变换器。变换器首先通过电力电子器件将直流电源转变成交流电(AC),一般称作逆变,然后通过变压器(升压比为1∶n)升压,最后通过整流、滤波电路产生变压后的直流电,以供负载使用. 直流转换器与一般的变换器相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、输出功率大、品种齐全等特点，用途广泛，输入输出完全隔离，输出多路不限，极性任选。宽范围输入变换器是专为满足输入电压变化范围较大场合需要而开发的一种直流稳压电源,其输入直流电压可以在DC100V-375V宽范围内变动而保证输出电压的稳定性.此外,这种电源体积小,重量轻、保护功能完善,具有良好的电磁兼容性。本身具有过流、过热、短路保护。多档输出的变换器,它不仅提供电源而且有振铃和报警功能。该变换器分为军用、工业及商业三个品级，在诸如通信机房、舰船等蓄电池供电的场合极为适用。直流—直流变换器(DC/DC Converter)早在10年前就做成了元器件式样,在系统中损坏 时可以卸下更换。目前,它正从低技术、元器件型转向高技术、插件(Building black)型发展。系统设计师在开始方案设计阶段就要考虑系统究竟需要什么样的电源输入、输出?DC/DC变换器作为子系统的一个部件,应该更仔细地规定它的指标以及要付出多少费用。有趣的是,全球声称可供给军用DC/DC变换器的厂家超过300家,但却没有两 种产品是相同的,这给系统设计师选用该产品时造成困难。设计师们考虑的最重要的事是:对产品的性能价格比进行综合平衡,决定取舍。需求和市场决定制造厂的发展战略目前,对制造厂家而言,面临着要求降低噪声、减小尺寸以及提高功率和效率的挑战和市场竞争。现扼要介绍几家公司的做法。当今,在任何一个计算机系统中,各种电源都是以插件形式出现的。供应厂商均按用户的要求作相应改动以适应需求。DC/DC直流变换器的军品市场占很大比重,但增长缓慢。分析家们预测:到1996年,DC/DC变换器最大市场将是计算机和通信领域。 美国InterPoint公司的研究开发战略是:针对军用及宇航系统应用,提供一种更便宜、功率更大、性能更好的产品,它们比现有DC/DC 变换器有全面改进。预计今后几年的实际问题仍是产品价格。采用模块化方法可以降低成本,同时提高DC/DC变换器输出功率。一些应用系统要求功率高达2KW,如果采用200W的产品去构建系统,至少要10～12个产品,既麻烦也影响系统可靠性。该公司认为必须研制出功率比200W大2～3倍的大功率电源,而且单件成本控制在1.3～1.7倍才合适。 模块化方法,可以通过消除非重复工程成本(NRE)使系统成本降低。这种模块化的器件也是分布式供电系统的基本构件。鉴于分布式供电比集中供电系统有更多优点,而绝大多数应用系统要求在母线级上直流电压要分别供给不同逻辑电路各种电压,例如+5V、+12V、+3.3V 等等。一些厂家利用板级(on-Card)DC/DC变换器来实现,另一些供应商则把几种输出合在一起,把电源放在靠近需要供电的电路板上。直流变换器的设计(降压)
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