电力电子课程设计Buck变换器设计.doc

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1、电力电子技术课程设计题 目 Buck变换器设计学 院 专 业 年 级 学 号 姓 名 同 组 人 指 导 教 师 成 绩 年 月 日1 引言12 PWM控制12.1 PWM控制芯片SG3525功能简介12.2 SG3525工作原理23 开环控制回路53.1 线路连接53.2开环控制回路调试63.3 所遇问题即解决方法64 主电路64.1 主电路的基本原理74.2主电路的参数设置74.3 遇到的问题及解决方法85 闭环控制回路85.1 闭环控制原理及设计85.2 参数设置96 总结12参考文献14Buck变换器设计1 引言目前，各种资料都显示，同步整流技术是近几年研究的热点，主要应用于低压大电流

2、领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求1。此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DCDC变换提供了可能。直流电机是人们最先发明、认识和利用的电机，它具有调速范围广，且易于平滑调节，过载、起动、制动转矩大，易于控制，且控制装置的可靠性高，调速时的能量损耗小等优点，在高精度的位置随动系统中，直流电机占据着主导地位2。 但是，要将一直流电变为另一固定电压或可

3、调电压的直流电就要用到直流-直流变流电路。改变电枢电源电压调速，当电枢电源电压改变为时，理想空载转速，从而导致转速的变化，由于只有变化而未变，故电动机的机械特性硬度不变，因此，即使电动机在低速运行时，转速随负载变动而变化的幅度小，即转速稳定性好，具有调速平滑性好，即可实现无级调速，且附加能量消耗较小，调速效率高。但由于最高电枢电压受额定电压限制，一般只能实现从基速往下进行调节。因此，这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用3。2 PWM控制要实现buck变换器的功能，必须要用到PWM控制，它在闭环回路中起着不可或缺的作用。本次设计中，用到的PWM控制芯片是SG3525.2.1 PWM控制芯片

4、SG3525功能简介SG3525系列脉宽调制器控制是电流控制型PWM控制器。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。2.2 SG3525工作原理SG3525的工作原理图如下图所示 图1 SG3525工作原理图根据上图对个引脚的功能及其特点进行简单的介绍：1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入

5、端（引脚9）相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-S

6、tart(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12)：信号地。 13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。 14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互

7、补输出端。 15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下：（1）工作电压范围宽：835V。（2）5.1（1 1.0%）V微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz.（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。 SG3525功能简介SG3525内置有5.1V的基准电压，可微调到-1.0%到+1.0%，SG3525不仅有

8、与外部系统时钟信号同步的功能，而且还有调节死去时间的功能。SG3525外接一个定时电容，那么其内部集成的软启动电路即可工作。软启动电容接在SG3525的引脚8即为软启动接入端。输出晶体管只有在加入低电平时才会导通。然而在通电过程中，电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，那么PWM比较器就会输出高电平4。这时，PWM琐存器的输出也为高电平，当该高电平通过两个或非门加到晶体管上时，无法导通。所以，只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时， SG3525才开始工作。在实际工作中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，输出电压的采样电压是

9、加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，使得PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间变短，从而使输出电压变回额定值，实现稳态。同理，输出电压因输入电压的降低或负载的变化而降低时，误差放大器的输出将增大，使得PWM比较器输出为正的时间变短，PWM琐存器输出高电平的时间也变短，因此输出晶体管的导通时间变长，从而使输出电压再次变回额定值，同样实现稳态5。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当引脚10上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容

10、将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。2.3 PWM控制电路 在PWM控制的闭环回路中通过产生方波输入到主电路的三极管的G极实现反馈控制。PWM控制电路与主电路之间的连接关系如下图所示

11、 图2 控制电路与主电路 实现PWM控制的SG3525芯片，5号脚输出锯齿波，并将该锯齿波与误差放大器输出信号共同出入比较器。最后由11号脚和14号输出方波。通过调节2号脚的电压即同向出入电压即可改变占空比。下面即为PWM的工作原理图和工作波形。 图3 PWM工作原理及波形3 开环控制回路开环控制回路是整个控制中最基本的环节，是在反馈回路中对反馈信号进行处理的关键环节，因此，它的正确连接至关重要。3.1 线路连接开环回路的线路连接，就是芯片SG3525的各个脚之间的连接，各脚的连接在引脚的功能介绍中有过说明，具体连接方式如下图所示 图4 开环回路 由上图可简单地看到接线方式：1号脚与9号脚短接

12、；2号脚通过电位器与16号脚相接；5号脚接一104电容再接地；6号脚接电位器再接地；7号脚与5号脚短接；11号脚引出一根线接主电路；12号脚接地；13号脚接一103电容再接地；13和15号脚都引出一根线接输入信号6。由于分频作用，故11号脚、14号脚输出频率为f/2的方波,每路输出占空比调节范围为0%-49%。 11号脚、14号脚波形相差180度。为了是占空比达到50%以上，11号脚与14号脚短接。3.2开环控制回路调试电路连接好后，将15号脚和13号脚引出的线同时接到输入的正端，另一端接地。用示波器观察5号脚输出的锯齿波形，并且记录锯齿波形的峰值。然后，在用示波器观察11号脚（也即14号脚）

13、输出的方波，通过调节与2号脚相连的电位器来调节占空比。由于该设计要求输入电压为25V到30V而输出为20V，故占空比应调到67%到80%之间。3.3 所遇问题即解决方法 按照上面的接线方式，进行焊接电路，但是经过多次调试发现占空比总是不能超过50%,无论如何都无法将占空比调到我所需要的值67%.最后才了解，11号脚、14号脚输出频率为f/2的方波,每路输出占空比调节范围为0%-49%。 11号脚、14号脚波形相差180度。因此，将11号脚与14号脚短接后就可以解决这个问题。4 主电路主电路是一个降压斩波电路，将直流电变为另一电压较小的直流电，通过负载电阻输出。4.1 主电路的基本原理主电路图如

14、图5所示 图5 主电路降压电路的基本原理是：利用SG3523芯片控制栅极电压，在t=0时刻导通驱动S导通，电源V向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。当t=时刻，控制S关断，负载电流经二极管D续流，负载电压近似为0，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动较小，通常使串联的电感L值较大。至一个周期T结束，再驱动S导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压得平均值为： （1）式中，为导通时间，为关断时间；T为开关周期；为导通占空比。从而有输出电压得最大值为E，减小占空比，随之减小，因此称该电路为降压斩波电路7。4.2主电路的参数设置

15、由于设计要求的输入电压为25V到30V，输出电压=20V，不妨取输入为30V。根据课题要求纹波电压小于5%，故有： （2）要求电流连续，因此： （3）要求电流不超过0.5A近似（不考虑纹波电流）则有： （4）由（1）、（2）、（3）式联立求解有：/0.5=46.6;L4.32mH;C0.13uF由于受到实验室器的限制，我们选取了=47，L=2X0.68mH，C=1uF；根据该数据选好的器材，焊接主电路，最后将主电路与开环回路通过一个驱动电阻连接。4.3 遇到的问题及解决方法 在主电路的焊接过程中，由于MOS管遇热很容易损坏，让焊接变得很棘手。为了避免MOS管的损坏，最后想到一个解决方法。那就是

16、用废掉的SG3525芯片的底座作为MOS的底座，先焊接这个底座，如此就很容易的解决了MOS管的遇热易受损的问题。5 闭环控制回路由于没有构成闭环控制系统，如果系统受到外部扰动，输出电压将会不稳定，无法满足纹波电压小于5%的要求，因此系统必须设置成闭环。为了使闭环系统稳定，通过对系统的分析我们在其中加入了超前滞后校正器，系统分析及校正器设计过程会在下面的内容中详细阐述。5.1 闭环控制原理及设计控制器由电容电阻的串并联实现，具体接线如图6所示： 图6 闭环控制接线图闭环控制的关键是确定电容C1,C2,C3和电阻Rx,Ry,R1,R2,R3.因此参数的设置很重要。5.2 参数设置BUCK变换器占空

17、比至输出的传递函数： （5）原始回路增益函数： （6） 其幅频特性转折频率： （7）通过matlab编程可以得到在加入闭环回路前后的波特图： 图7 原始回路波特图由图7知其相位裕量仅为10.6deg,在51230Hz处穿越0dB。设加入补偿网络后，回路函数的增益交界频率等于1/5的开关频率，于是增益交界频率： （8） 如果加入补偿网络后回路增益函数以-20dB/dec斜率通（8）过0dB线，则变换器系统将具有较好的相位裕量，为了得到-20dB/dec的斜率，补偿网络在穿越频率点必须提供+20dB/dec的斜率。补偿网络两个零点频率设计为原始回路函数两个相近的极点频率的1/2，即由于没有零点，则

18、可以将的两个极点设定为，以减小输出高频开关纹波。原始回路函数在的增益为： 补偿网络在增益交界频率的增益为：这样补偿后回路函数在为0db。求零点和之增益为： （9） （10） 根据以上数据可以画出补偿网络的波特图如图8所示：图8 补偿网络波特图最后求出补偿网络的电阻值与电容值。首先，令， 可以求得其他元件的参数：（11）（12）（13）（14）(15 )(16)(17)(18)(19)(20)(21)根据确定的参数以及实验室现有器材综合考虑，我们选取， ，。通过对现有器件的串并联，然后焊接完成控制器。补偿网络的幅频特性与原始回路函数幅频特性相加，得到补偿后波特图如图9所示： 图9 补偿后系统波特

19、图根据计算出的结果，选取恰当的电子电力器件，按照原理图焊接电路，最后将焊接好的电路与控制回路的1号引脚与9号引脚相连，得到闭环控制回路。将焊接好的电路板与电源相连。注意，控制回路电源不能太高，一般不要超过23否则MOSFET极易烧坏，所以我们可以选择15V。电源电压按照修改过后的值暂定为25V。按预先设定的各个参数，测得输出电压为15V且稳定，输出波形占空比63%左右，不变的前提下，调节输入电压V输出电压不变，证明反馈回路起到了反馈控制的作用。从而控制器的作用得以实现。6 总结PWM波形生成作用利用SG3525芯片产生矩形波，其占空比可调，通过改变矩形波的占空比可以控制MOS管的开通与关断，从

20、而控制主电路的输出电压。主回路设计通过对电容电感的参数调节，可以控制主电路的纹波电压，使得输出电压较为稳定，且设计时还应考虑主电路的限流作用。校正器设计为了得到稳定的电压输出，必须将系统做成闭环系统，以抵抗外界的干扰，在系统中串联一个校正器，是我们这个系统的做法心得体会在这次的的电力电子课程设计中，对直流-直流变流电路有了更深入的了解。它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。尤其是对降压斩波电路的认识与应用有了更清晰的认识。纵观整个课程设计的过程发现“磨刀不误砍材功” 这个道理，也印证了万事开头难的古话，在开始焊接控制回路时，开始由于鲁莽行事，焊接的电路板不尽人意，也不能得到令人

21、满意的波形，因而导致我们重新焊接了多 次， 不过经过我们多次努力终于成功了。再后来，有了前几次的焊接经验，主电路及闭环回路的焊接变得容易多了。 在这次课程设计中，也体现了团队合作的力量，每一件作品都不可能是一个人单打独斗可以轻易做好的，它需要队友的精心合作。因此团队合作精神，也是至关重要的。参考文献1李嘉，刘连堂等.自动控制元件及应用 .北京：科学出版社，2007.8.2邱阿瑞.电机与电力拖动M.北京：电子工业出版社，2004.65-703胡寿松.自动控制原理M.北京：科学出版社，2001.201-2034尔桂花，窦曰轩.运动控制系统M.北京：清华大学出版社，2002.30-2005Robert.W.Lindeman,Justin R.Cutler.Controller Design for a Wearable,Near-Field Haptic DisplayJ. IEEE Computer Society,2003,25(7):3-7.6王兆安，黄 俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2005.150-165.7王兆安，刘进军.电力电子技术。北京：机械工业出版社，2009.5