1、電力電子技術課程設計題目Buck變換器設計學院專業自動化年級2008級學號姓名同組人指導教師成績2010年7月1、引言32、設計要求33、設計原理33.1 、SG35251作原理33.2 、降壓斬波電路工作原理53.3 、超前-滯后校正器原理64、Buck變換器的設計74.1 、控制回路的設計74.1.1 控制回路接線、焊接電路74.1.2 檢測控制回路的輸出波形74.1.3 遇到問題及解決方法.74.2 、主回路的設計84.2.1 主回路參數的計算84.2.2 控制回路的接線、焊接84.2.3 控制回路的觀測、調試、記錄數據94.2.4 遇到的問題以及解決方法94.3 、超前-滯后校正系統9

2、4.3.1 校正器的參數計算124.3.2 校正器的接線、焊接134.3.3 閉環回路的檢測及調試134.3.4 遇到的問題及解決方法135、總結135.1 實踐經驗135.2 心得體會13參考文獻14附錄Buck變換器設計1引言通常我們所用的電力有交流和直流兩種。從公共電網中得到的電力是交流，從蓄電池中得到的是電力是直流。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足要求，需要進行電力變換。降壓斬波電路（BuckChopper）是直流斬波電路（DCChopper）的一種，根據它設計可得到的Buck變換器顯而易見就是一種DC-DC的電壓變換器。很據課題要求，要求設計一個閉環的Buck變換器系統。該系統主

3、要由三部分構成：一是控制回路，由SG3525芯片組成的PWM脈沖發生器構成；二是主回路，包括電阻、電感、電容等器件；三是一個超前滯后校正器，使得輸出的電壓保持穩定。計算所設計的主電路和超前滯后校正器的參數電阻、電感、電容等的值是多少，選擇適當的器件，按照原理圖進行布線焊接，并分別在控制回路，主電路，和超前滯后校正器焊接好之后對其進行檢測，檢測是否達到達到閉環控制的要求。在設計過程中要聯系實際，主要給有些電路添加保護回路。2設計要求1 .設計一個BuckDC-DC變換器。2 .電源電壓VS=2025V3 .瞬時電流（最大電流）不能超過0.5A（由于電源限制）4 .開關頻率30KHz5 .要求輸出

4、電壓Vo=10V6 .電感電流不斷續7 .電容給定為330F8 .必須完成閉環設計（實現補償網絡）3設計原理3.1SG3525工作原理1SG3525是電流控制型PWM控制器，通過SG3525實現對MOSFET的開通與關斷的控制，其原理和所得到的波形分別入如圖1和圖2所示。其中，腳16是基準電源輸出端，精度可以達到5.1V。15腳是芯片偏置電源接入端，在本次設計中選取的是16V作為輸入。我們設計中需要的矩形波形是從11腳和14腳這兩個腳輸出的，且11腳和14腳是互不輸出端。SG3525芯片的內部含有一個兩級差分放大器，在設計校正器的時候，腳1和腳2分別是差分放大器的反相輸入端和同相輸入端。除此之

5、外，根據閉環系統的動態、靜態特性要求，在放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當的反饋網絡。VrefVccGroundDSC.Output$吟RICTDisch&rCompensationIHV.inputNonin*inputSofLSt缸t(bJPWM工作波形Shutdown圖2PWM控制原理圖和工作波形3.2降壓斬波電路工作原理2降壓斬波電路的原理圖如圖 3所示:1 mHL+VS-20 VC _ 1 ijF圖3降壓斬波電路原理圖在t=0的時刻驅動S導通，輸入電壓VS開始向負載供電，負載電流呈指數曲線上升。當t=b時刻，控制S關斷，負載電流鏡二極管D續流，負載電壓V0近似為零，負載

6、電流呈指數曲線下降。為使負載電流連續且脈動較小，通常使傳亮的電感L的值較大。至個周期T結束，再驅動S導通，重復上一周期過程。當電路工作于穩態時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為：V0 =Vstontt%noff式中，ton為處于S通態的時間，tof為S處于斷態的時間，T為開關周期，a為導通占空比，簡稱占空比或導通比。可見，輸出到負載的電壓平均值V0最大為Vs,減小占空比a,V0隨之減小。3.3超前一滯后校正器原理3圖4所示為超前-滯后校正器的框圖圖4超前滯后校正系統超前滯后校正兼有滯后校正和超前校正的優點，即已校正系統響應速度較快，超調量較小，抑制高頻噪聲的性能也較好。當

7、待校正系統不穩定，且要求校正后系統的響應速度、相角裕度和穩態精度較高時，以采用超前-滯后校正為宜。其基本原理是利用超前-滯后網絡的超前部分來增大系統的相角裕度，同時利用滯后部分來改善系統的穩態性能。在原Buck降壓斬波的控制回路中再加入一個超前滯后校正器，使得系統性能穩定，能夠得到穩定的輸出電壓，達到控制要求。1LCs 2 - s 1R根據圖4,電流連續時Buck變換器占空比至輸出的傳遞函數為:Gvd(s)VgL一LCs2s1R其中R是負載電阻。PWM的傳遞函數為：Gm(s)Vm其中Vm是鋸齒波的峰值。未校正前的開環傳函：1VgGo(s)=Gm(s)Gvd(s)H(s)=LH(s)VmLCs2

8、-s1R4Buck變換器的設計4.1 控制回路的設計控制回路的原理圖如下圖5所示:5.1v電位器Inv Input Nonin? Jdm! 2Sync 3OSC Output 4CT:0.001/F -0.1FCt 51615 Vcc14 Output B13 VC12 GroundRt :2k'.1 -150k1 1Rt 6電位器Discharge 710 ShutdownVCC=11V-18V芯片電源VC=15V-20 V0驅動電壓1rg30(歐姆)J 0.1F 11'GDSoft-Start 8)-50S 煤-9 Compensation圖5控制回路接線圖4.1.1 控制

9、回路接線、焊接電路按照控制回路原理圖進行接線。其具體接線方法是：將芯片SG3525的腳1和腳9短接；將電位器103的中間腳和旁邊一個腳分別接在16腳和12腳，電位器的另外一個腳接地；腳5與0.01RF的電容103相連，電容的另一個腳接地；腳6接電位器503的其中一個腳，電位器的中間腳接地；腳7個腳5之間連接一個大小為0500建的電阻，本次設計中選取47。的電阻；12腳接地；在13腳處并聯一個大小為0.1NF的電容和一個大小為100c的電阻，并將電容的另外一端接地，電阻的另外一段接高電平；15腳接電源，本次設計使用的輸入電壓為16V。根據所接線路進行焊接。4.1.2 檢測控制回路的輸出波形用示波

10、器觀察11腳和14腳的輸出電壓波形，可觀測到期望輸出的方波波形，調節電位器503到課題要求的頻率，調節電位器103可調節其占空比，從而得到期望輸出的電壓值。這樣控制回路就是成功了。4.1.3 遇到問題及解決方法在觀測波形的時候我們可能會遇到一些問題，比如得到的波形不是方波而是不穩定的其他波形，那么可以通過503適當的調節頻率，就可以得到期望的方波。另外，也可以將SG3525芯片的10腳接地再進行觀測，或是將15腳和12腳之間接一個0.01NF的電容。為避免SG3525被燒壞，在1腳和5腳之間接一個保護電容。4.2 主回路的設計主回路電路圖如下圖6所示:圖6主回路電路圖4.2.1 主回路參數的計

11、算根據課題要求，輸入電壓為2025V,這里我們選定為20V。因為輸入Vs=20V,輸出V0=10V,所以D=1/2。要求的開關頻率是30KHz。由于要求瞬時電流（最大電流）不能超過0.5A,所以根據VsIL=D（1-D）<0.5Lfs可以得到L±3.3*10A3H,所以選取電感681又由于R之V0得R240,所以選取電阻為47G。0.5.：IL要求電流連續，所以見wV-D（1D）,帶入所求的電感電阻，能滿足電流連Rl2Lfs4.2.2 控制回路的接線、焊接按照原理圖進行接線，將11腳或14腳的輸出接到MOSFE管的柵極（G極），本次設計接在14腳，然后進行焊接。4.2.3 控制

12、回路的觀測、調試、記錄數據再次使用示波器觀察輸出波形是否還是矩形波，調節電位器103來調節占空比一達到期望的輸出電壓10V。這樣主電路就是完成了。記錄下矩形波的實際頻率是6.32KHZ;觀測5號腳的鋸齒波，記錄下鋸齒波的峰峰值為3.2V。4.2.4遇到的問題以及解決方法焊接電路的時候應當注意MOSFETT有字的一面一次應的是柵極（G極）、漏極（D極）、源極（S極）。其中G極與控制回路中芯片SG3525的11腳或是14腳，D極接電源20V,S極接負載端。在這個環節中遇到的最大問題就是，由于SG3525芯片本身的性質，其輸出的占空比最大不能超過50%所以在輸入電壓為20V的情況下我們根本就無法得到

13、期望的輸出電壓10V。為解決這個問題，我們將11腳和14腳并聯并通過兩個二極管最后都接入到MOSFET管的G極，這樣就增大占空比以達到期望電壓10V。在實際觀測中，由于電容的質量存在問題和二極管也有一定的管壓降，導致設計結果存在一些誤差，這是難免的。4.3超前-滯后校正系統的設計閉環回路的電路圖如下圖7所示:圖7閉環回路電路圖4.3.1校正器的參數計算開環下，傳遞函數Gvd為：V01VgGvd二二Jc2ccLc2c1sS2LC1sS2LCRR帶入數據得：Gvd原始回路增益函數2018.25*10A-51.089*10A-7Go為：G。H (s)Gm(s)Gvd(s)=Ry 1VgRxRy Vm

14、1 S S2LCR帶入數據得:G°1000120二2100040003.218.25*10A-51.089*10a-718.25*10、-51.089*10A-7用MATLAB#開環下系統的伯德圖為:lmi- hl £ W r血f 3 iPh » 211HA f 316&>OJ3 ffidte'i圖8校正前的Bode圖相角裕度只有2.1度,過低，不滿足設計要求。需加入補償器。由前面已知，補償器的傳遞函數為:G c(s)(1sR2Ci)1s(RiR3)C3八 八R2cle2-sRi(Ci C2)(1 S2- )(1sR3c3)C1 C2有源超前

15、-滯后補償網絡有兩個零點、三個極點。零點為："2靛;，fz2 =2二 R R3 c3 n 2- R1C3極點為：fp1為原點，fp2 =fp32 二 R3c31c R2C1C22 二C1 C2頻率fz1與fz2之間的增益可近似為：AV =R2R1在頻率fp2與fp3之間的增益則可近似為：AV2考慮達到抑制輸出開關紋波的目的，增益交接頻率取R2R1R3R2R1R3R3,fsfg=一(fs為開關頻率)51開環傳函Go(s叩極點頻率為fp1,p2天-=,將Gc(s)兩個零點的頻率設計為開環傳2-LC1-1函Go(S聲個相近極點頻率的一，則：fz1=fz2=fp1,p2。22將補償網絡Gc(

16、s2個極點設為fp2=fp3=fs以減小輸出的高頻開關紋波。AViR2Rifp2,.R2AV2Gci.j2fgifg1R3根據已知條件使用MATLA叁序(源代碼見附錄)算得校正器Gc(s)各元件的值如下:取R2=10000H(S)=1/5算得：Ci=9.48ii*10A-8F;C2=i.5915*i0A-9F;C3=9.8728*i0A-9F;R1=96033'.1;R2=10000I.1;R3=1612'.1;補償器伯德圖為:1.1.1 后系統Bode圖可見此時相角裕度為46.1,滿足設計要求。1.1.2 校正器的接線、焊接根據上述計算結果，于是選取器件為：C1為104;C2

17、為224;C3為103;Rx為1KQ;Ry為4KQ;R1為100KQ;R2為10KQR3為1KC和5.6KC和1KC的電阻串聯。按照原理圖進行接線，焊接。將原來開環回路中的腳1和腳9斷開，在它們之間接入反饋網絡，得到閉環回路。1.1.3 閉環回路的檢測及調試接通電源，調節輸入電壓，這時可以觀測到輸出電壓保持不變，用示波器觀測14腳的輸出波形，可以看到隨著輸入的變化，占空比發生變化，即是輸入電壓變大則占空比變小，輸入電壓變小則占空比變大，即輸出電壓不隨輸入電壓的改變而改變。這就是閉環成功了。但是本組在本次設計中出現了一點小問題，最后閉環回路沒有起作用，即閉環失敗了。1.1.4 遇到的問題及解決方

18、法在這個環節中遇到的問題就是由于實驗室的器材限制，不能完全滿足根據理論值來找到相應得器件，于是需要我們對某些器件進行串并聯或是取其近似值來達到課題要求。5總結5.1 實踐經驗通過本次對Buck變換器的設計，我們知道了在做課程設計的時候，必須要先理解設計的目的和要求，通過計算來確定所需要使用的元器件。在實際的電路焊接中，應該先對整個電路板進行布局，合理的安排元件的位置。然后進行接線、焊接，在焊接時要注意有些器件容易被燒壞。當實際所得到的結果與期望的結果不一樣時，可以適當的添加一些器件來輔助。有些電路要加入一些保護電容來避免元件被燒壞。在焊接完成后，運行電路對每個功能進行檢驗。如果存在問題就首先檢

19、查電路是否存在短路的地方，或是虛焊的情況，再看線路是否接正確，或者檢查器件是否有問題或被燒壞，從而完善電路板。5.2 心得體會做了一周的課程設計，使我有很多的心得體會，可以說這次Buck變換器的設計是在大家的共同努力和在老師的精心指導下共同完成的。通過這次課程設計，使我加深了對電力電子技術這門課的理解，這次的課程設計還結合了電力電子技術和自動控制原理這兩門課，以前我總是覺得理論結合不了實際，但通過這次設計使我認識到理論結合實際的重要性。在做課程設計時我們也遇到了很多問題，比如在做控制回路的時候我們前一天晚上得到了矩形波，但是在第二天早上的時候就發現波形出問題了，于是我們不得不檢查調試。在做主回

20、路的時候，由于最開始我們沒有考慮到由于SG3525芯片本身性質的限制，其輸出的占空比不能超過50%，費了不少時間，后來在老師的指導下我們并聯11腳和14腳才解決了問題。雖然最后我們的閉環沒有成功，但是我們收獲了實踐的過程，并從中學到了很多書本上沒有的知識，也認識到了團隊合作的重要性，相互的協作才有我們做出的成績。很感謝學校給我們這次實踐的機會，讓我們有了一個共同學習，增長知識的機會，也感謝老師對我們實驗的精心指導，我會以這次課程設計作為一個新的開端，繼續學習。參考文獻：1 PWM控制芯片SG3525功能簡介（圖），http:/www.power-2 王兆安，劉進軍.電力電子技術M.北京：機械工

21、業出版社，2010.119-120.3 胡壽松.自動控制原理M.北京：機械工業出版社，2007.264-265.附錄：1.SG3525芯片的引腳功能1.1 nv.input（引腳1）：誤差放大器反向輸入端。在閉環系統中，該引腳接反饋信號。在開環系統中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。2.Noninv.input（引腳2）：誤差放大器同向輸入端。在閉環系統和開環系統中，該端接給定信號。根據需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節器。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現與外

22、電路同步。4.OSC.Output（引腳4）：振蕩器輸出端。5 .CT（引腳5）：振蕩器定時電容接入端。6 .RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。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，構成放電回路。8 .Soft-Start（引腳8）：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5的軟啟動電容。9.Compensation（引腳9）：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節器。10.Shutdown（引腳10）：外部關斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現故障保護。ll.OutputA（引腳11）:輸出端Ao引腳1