直流变换器的设计(降压)

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。

三、总体方案：
根据降压斩波电路设计任务要求设计稳压电源、BUCK电路及控制电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。

在图1结构框图中，BUCK电路是用来产生降压斩波电路的，控制电路产生的控制信号传到BUCK电路，使信号为加在开关控制端，可以使其开通或关断。

通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。

四、原理图设计：
Buck变换器主电路
Buck变换器基本工作原理：
Buck电路即降压斩波电路，属直流斩波电路的一种，和升压斩波电路构成直流斩波电路最基本的两种电路。

直流斩波电路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。

降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。

如下图所示，电路中使用一个全控型开关器件Q，开关管Q由开关脉冲信号驱动，脉冲信号来自脉冲信号控制电路，脉冲信号的周期T保持不变，而脉冲宽度t on可改变，这样便可以调节导通的占空比，进而改变输出电压。

为了在开关管关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管D。

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。

设计的BUCK变换器电路图如下图所示：
整流电路设计
本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路。

对整出来的电压进行傅里叶变换得由整流电路出来的电压含有较大的波纹，
电压质量不太好，故需要进行滤波。

本电路采用RC滤波器。

因为电容滤波的直流输出电压U0与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。

因此本电路选用的电容滤波。

因为本电路要求有稳定得输出，因此还需要用到稳压二极管进行稳压。

输入端接220v的电压，通过变压器得到稳定的斩波电路输入电压36v。

驱动电路设计
如下图为有脉冲变压器组成的栅极驱动电路。

其工作原理为正向驱动信号使VT1导通，电源电压作用于脉冲变压器一次侧，二次电压经二极管VD2、VD3和门集电阻后作用于IGBT，使IGBT导通。

晶体管VT2犹豫基极反向偏置而截至。

当驱动信号为零的时候，VT1截止，一次励磁电流经VD1和VS迅速衰减，使在脉冲间隙期间脉冲变压器的磁通回零。

变压器二次侧的反向电压经R2加到二极管VD2上。

IGBT门极结电容上的电荷经Rg和VT2放掉，R2为T2的偏流电阻。

此电路的优点：这种电路不用独立的驱动电路，驱动电路结构简单，脉冲变化时，驱动电压幅值不变，可用于各种容量的IGBT的驱动。

此电路的缺点：截止时没有门极的反向电压，抗干扰能力不强。

这种电路适用于驱动占空比小于50%的高频场合。

五、各部分定性说明以及定量计算：
主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电容、电阻值的确定，其参数确定过程如下。

本设计过程中设定工作频率为100kHz。

(1）电源
因为题目要求输入电压为36V左右，所以通过整流电路得到该输入电压值。

（2）电阻
因为当输出电压为12V时，输出电流为3A，可得到负载电阻为RL=Uo/Io=4Ω。

（3）IGBT
当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为36V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为3A。

故需设置IGBT的集电极最大连续电流Ic>3A，反向击穿电压Bvceo>36V。

(4)二极管
当=1 时，其承受最大反压36V；而当趋近于1时，其受最大电流趋近于3A，故需设置二极管额定电压大于36V，额定电流大于3A。

(5)占空比
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关系求出占空比：
D=Uo/Uin=12V/36V=0.33;
(6)滤波电感Lf
按照W*L>>R,W=2πf，得到电感Lf选用1mH
(7）频率：设计方案要求给定的f=100kHz。

(8）滤波电容Cf：
按照1/（W*C）>>R，得到Cf为0.01uf
六、在设计过程中遇到的问题及排除措施：
（1）对直流斩波电路概念的不熟悉，感觉无从下手，经过对相关书籍的温习才明白原理。

（2）不清楚BUCK变换器的一些相关的参数怎么计算和选择（例如选用Lf和Cf），经过上网查询相关知识和同学进行讨论分析，经过计算最终确定相关原件选用的参数。

（3）一开始设计的时候没有涉及驱动控制电路，后来发现自己忽略掉了这一块。

（4）通过查资料知道了各种驱动电路类型，最终根据课程设计要求以及实际情况，考虑到频率要求为1khz为高频电路，同时斩波电路的占空比较小，故选择用由分立元件组成的驱动电路。

七、设计心得体会：
通过紧张的一周积极准备和不断地实验，翻阅大量的相关资料，以及在网上不断的收索学校，终于完成了本次电力电子课程设计关于BUCK变换器的设计任务。

在设计中，遇到了不少困难与问题，但最终在自己的不断尝试下都得到了解决。

可以说本次的课程设计，对自己来说，不仅是一次知识上的扩展，更是意志与信心上的一种锻炼，学习如何完成一个项目。

本次设计实现了BUCK变换器简单的运用，在本次课程设计中，我发现了自己很多不足，很多系统知识还不是很熟悉，专业性很强，需要很多经验和理论才能顺利完成，现在，我对有关电力电子的知识有进一步的认识与了解，本次课程设计对自己的综合能力的提高起到很大的助力，相信这次经历对自己在今后的课程设计中也会有很大的帮
参考文献：（采用下面示例的格式）
[1]张卫平. 开关变换器的建模与控制. 北京：中国电力出版社，2005
[2]王兆安刘进军. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2009
[3]童诗白华成英. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006
本科课程设计专用封面
设计题目： 直流变换器的设计（降压） 所修课程名称： 电力电子技术课程设计 修课程时间： 2015 年 12 月 日至 12 月 日 完成设计日期： 2015 年 12 月 日 评阅成绩： 评阅意见：
评阅教师签名： 年 月 日
____工____学院__2013__级__电气工程及其自动化__专业 姓名__陈星筑_____ 学号_____2013180203_______
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