BUCK变换器设计毕业设计

课程名称：电力电子技术题目：BUCK变换器设计9目录第一章概述 (5)1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势 (5)第二章Buck变换器设计总思路 (6)2.1 电路的总设计思路 (6)2.2 电路设计总框图 (6)2.3 总电路图 (7)第三章BUCK主电路设计 (8)3.1 Buck变换器主电路基本工作原理 (8)3.2 主电路保护（过电压保护） (9)3.3 Buck变换器工作模态分析 (10)3.4 Buck变换器元件参数 (12)3.4.1 占空比D (12)3.4.2 滤波电容C f (13)3.5 Buck变换器仿真电路及结果 (14)第四章控制和驱动电路模块 (15)4.1 SG3525A脉宽调制器控制电路 (15)4.1.1．SG3525简介 (15)4.1.2．SG3525内部结构和工作特性 (15)4.2 SG3525构成的控制电路单元电路图 (18)4.3 驱动电路设计 (18)第五章课程设计总结 (19)第六章附录 (20)第七章参考文献 (21)第一章概述1.1 本课题在国内外的发展现状与趋势从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。

发热增多，体积缩小，难过高温关。

因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。

工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。

虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。

一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。

有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。

第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。

VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。

特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。

因此，其转换效率始终没有突破90%大关。

为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。

它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位。

这使产品成本减低很多。

但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想。

为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。

其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。

所以实现了更高的转换效率。

它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET。

因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

第二章Buck变换器设计总思路2.1 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。

2.2 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谢环节。

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。

2.3 总电路图第三章BUCK主电路设计3.1 Buck变换器主电路基本工作原理Buck电路是由一个MOSFET开关Q与负载串联构成的，其电路如图3.1。

驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。

电路的主要工作波形如图3.2。

图3.1 Buck 变换器电路UbA U 00t tt VinLi Li QON QOff图3.2 Buck 变换器的主要工作波形3.2 主电路保护（过电压保护）本次设计的电路要求输出电压为15V ，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和期间，应立刻将电路断开，及关断IGBT 的脉冲，使电路停止工作。

以为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过电压保护。

当引脚10端输入的电压等于或超过8V 时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。

所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端实现电压保护。

，从而过电压保护电路图如下所示：3.3 Buck 变换器工作模态分析在分析Buck 变换器之前，做出以下假设：① 开关管Q 、二极管D 均为理想器件；② 电感、电容均为理想元件；③电感电流连续；④ 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。

在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关模态的工作情况描述如下：（1）开关模态0[t0~t1][t0~t1]对应图1.3（a)。

在t0时刻，开关管Q 恰好开通，二极管D 截止。

此时：dtdi L U U o i =- （式1-1） 电感中的电流线性上升，式1-1可写成：onon on omin omax o i T i L T i i L U U ∆=-=- （式1-2）（2）开关模态1[t1~t2][t1~t2]对应图1.3（b)。

在t1时刻，开关管Q 恰好关断，二极管D 导通。

此时： dtdi L U 0o =- （式1-3）电感中的电流线性下降，式1-3可写成：offoff off omin omax off omax omin o T i L T i i L T i i L U ∆=-=--= （式1-4） 式中Toff 为开关管Q 的关断时间。

在稳态时，i i i on off ∆=∆=∆，联解式1-2与式1-4可得：i o DU U = （式1-5） 输出电流平均值：)i i 21I omin omax o +=（ （式1-6）3.4 Buck 变换器元件参数3.4.1 占空比D根据Buck 变换器的性能指标要求及Buck 变换器输入输出电压之间的系求出关占空比的变化范围：0.505 ~ 0.617.5560V27V 15U U D .5050V 7.29V 15U U D .6170V3.24V 15U U D iN o nom max i o min min i o max ========= 滤波电感Lf 于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。

所以，以最小输出电流Io min 作为电感临界连续电流来设计电感。

在Q 关断时，由式1-4得： sLmin min o Lmin off(max)o f(max)f i )D 1U i T U L ∆-=∆=（ 由Lf ≥Lf(min)，取Lf=27.7uH 。

3.4.2 滤波电容C f（1） 滤波电容量C f 计算在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。

该Buck 变换器的输出电压纹波要求V out(p-p)<25mv 。

若设0i o =∆，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在2/T 2/)T (T off on =+时间间隔内充放电，电容充电的平均电流：)D 1(L 4T U 4i 4i I fo L c c -=∆=∆=∆ （式2-8）电容峰峰值纹波电压为：)D 1(f C 8L U dt I C 1U 2s f f o 2/T 0c f c -=∆=∆⎰ （式2-9） 因此，得：c2s f o f U f L 8)D 1(U C ∆-= 计算得 C f （max ）=67uF由C f ≥C f(max)得，取C f=150uF 。

输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。

由于最大输出电压为15V ，则电容的耐压值为15V 。

3.5 Buck变换器仿真电路及结果仿真电路图：采用MATLAB软件对BUCK变换器主电路做仿真分析结果如下：第四章 控制和驱动电路模块4.1 SG3525A 脉宽调制器控制电路4.1.1．SG3525简介SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的5.1V 基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在CT 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM （脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。

当VCC 低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。

输出级是推挽式的可以提供超过200mA 的源和漏电流。

SG3525A 系列的NOR （或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为8.0V 到35V·5.1V ±1.0％调定的基准电压·100Hz 到400KHz 振荡器频率·分立的振荡器同步脚4.1.2．SG3525内部结构和工作特性（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V ，50mA ，有短路电流保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

若输入电压低于6V 时，可把15、16脚短接，这时5V 电压调整器不起作用。

（2）振荡器3525A 的振荡器，除CT 、RT 端外，增加了放电7、同步端3。

RT 阻值决定了内部恒流值对CT 充电，CT 的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD 决定。

把充电和放电回路分开，有利于通过RD 来调节死区的时间，因此是重大改进。