DCDC变换器设计（最新定稿）.docx

《DCDC变换器设计（最新定稿）.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DCDC变换器设计（最新定稿）.docx（39页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、DC-DC变换器设计【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。本文通过对BUCk变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种DC-De变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用MatIab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。De-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率

2、管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。【关键词】Buck半桥DC-DCMAT1ABABSTRACTInrecentyears,withthedeve1opmentofpowere1ectronicdevices,contro1theoryandtheincreasingdemandofhigh-qua1itypowersupp1y,powere1ectronicstechno1ogyhasarousedwide1yattentionfromscho1ars.Powere1ectronicstechno1ogyisusedgradua1

3、1yincivi1ianindustria1areasinsomedeve1opedcountries.Withthenationa1economicdeve1opment,thevariousconvertersfordifferentrequirementsaredeve1opedandthere1atedtechno1ogyisstudiedbyscientistandscho1ar.Inthispaper,theBuckcircuitstructureandworkingprincip1eareana1yzedandaha1f-bridgeDC-DCconverterisdesigne

4、d.Thedesignedconverterusesc1osed1oopcontro1schemeandrea1izedthefunctionthatthepowerformisconvertedfrom400VDCvo1tageto5VDCvo1tage.Theoutputvo1tageisstab1eandtheperformanceofthedesignedconverterisensured.Simu1ationstudywascarriedoutandeffectivenessofthedesignedconverterisverifiedbysimu1ationresu1ts.Ke

5、ywordsBuckha1f-bridgeDC-DCMAT1AB1绪论11.1 研究背景11.2 变换器简介21.3 本文研究的内容32DC-DC变换器的工作原理32.1 DC-DC变换器的基本电路图及工作原理32.2 Buck变换器52.2.1 线路组成52.2.2 工作原理62.3 带变压隔离器的DC-DC变换器拓扑83DC-DC变换器的系统设计133.1 电路参数的计算与选取133.2 闭环的控制方法与实现223.2.1 PWM的调制方法223.2.2 PID控制器223.2.3 PID控制器的参数整定243.2.4 闭环控制方法与实现254Mat1abzsimu1ink仿真264.1

6、MAT1AB/SIMU1INK264.2 半桥DCDC变换器系统仿真模型的建立274.3.1 开关管控制脉冲仿真模块的建立284.3.2 实际系统仿真模块的搭建34结束语38参考文献39致谢错误!未定义书签。1.1 研究背景随着科技的发展，在人们的日常生活中，电力已成为与生产生活息息相关的一部分，在各个场合，人们都需要各式各样的电力来为其服务，然而并不是所有的电力都能在一开始就能满足需要，于是就要求有电力变换的过程。直流-直流变换器（DC-DC）作为一种应用广泛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

7、分，DC-DC可分为750W以上、750W-1W和IW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6W25WDe-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251W750W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

8、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50OkHZ左右,功率密度为0.31Wcm31.22Wcm3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

9、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50kHzIOOkHz范围内，实现高效率和小型化。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

10、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。1.2 变换器简介无论时那一种DC/DC变换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只是迅速地开通，快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有力求快捷，使开关快速的渡过线性放大区，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，逐渐普及的有IGBT管，还有各种特性较好的大功率开关元件，例如SrrH（静电感应晶闸管）和MCT（场控制晶体闸流管）。

11、变换器有以下几类分类方式：（1）正激变换器在Buck电路的开关管与续流二极管之间加入变压隔离器便得到一个单端正激变换器。由于在开关管关断时，电压有尖刺，输出电压有纹波，故多在小功率场合得到应用。（2）反激变换器是由BUCk-BOOSt推演并加变压隔离器后得到的。它的电路简单，能够高效提供直流输出，因此在要求有多组直流输出电压时特别常用，它的缺点是关断时电压有尖刺，输出纹波电压过大，通常输出功率在250W以下,电压和负载调整率要求在5%-8%左右。（3）推挽变换器带中心抽头变压器原边两组线圈轮流工作的线路一般称为推挽线路。由于功率开关管电压应力两倍与电源电压K,而且主变压器原边利用率也不如全桥、

12、半桥那样高，输出电压随输入电压和负载变化而变化。但是在低输入电压（如48V）时，推挽电路比半桥或全桥优越。因为任何时候最多只有一个开关元件工作，对于输出相同功率，开关损耗比较小。所以推挽在低压输入的大功率变换器（I（MM）W）得到广泛应用。(4)半桥式变换器由两个电容器和两个开关管组成两个桥，桥的对角线接变压器的原边绕组，故称半桥变换器。半桥式变换器减小了原边开关管的电压应力，结构简单，功率器件少，所以在中小功率场合得到广泛应用。(5)全桥式变压器主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。因此变压器铁心和绕组的最佳利用，使效率、功率

13、密度得到提高。功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压K,四个能量回复(再生)二极管能消除一波分由漏感产生的瞬间电压。这样无需设置能量恢复绕组，反激能量便得到回复利用。但是，它需要较多的功率原件，成本提高，电路略显复杂，在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率消耗变大，适用于高压离线开关电源系统。本文设计电路将400V恒定直流输入变为5V稳定直流输出，输出功率较低,所以我们采用半桥式变压器。1.3 本文研究的内容本文研究的内容主要包括：(1)研究DC-DC电力变换电路的工作原理。(2)研究PWM调制方法的机理和DC-DC变换电路的控制方法。(3)设计从40

14、0V到5V的DC-DC变换器。(4)采用MAT1AB工具对所设计系统进行仿真研究。2DC-DC变换器的工作原理2.1 DC-DC变换器的基本电路图及工作原理DC-DC变换器是由Buck基本变换器串入半桥式变压隔离器派生而来的。因为减小了原边开关管的电压应力，且电路结构简单,在中小功率上得到广泛应用，所以半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。下边就对半桥DC-DC变换器的工作原理进行分析。为了分析稳态特性，简化推导过程，首先假定：(1)开关晶体管、二极管均为理想元件。也就是可以瞬间的导通和截止，而且导通时的压降为零，截止时的漏电流为零。(2)电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄

15、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。基本电路图如下：图2-1DC-DC变换器基本电路图电容器G、C2与开关晶体管4、七组成桥，桥的对角线接变压器T原边绕组,故称半桥式变换器。如果G=G，某一开关晶体管导通时，绕组上电压只有电源电压的一半。稳态条件下，G=G，当。导通时，G上的g加在原边线圈上，北流过负载电流电路通过开关管、原边绕组、电容G形成回路，此时原边绕组上下两端极性为上正下负，经过占空比所定的时间后,5关断。由于原边绕组存在，方向不变，值逐渐变小，此时B点为负电位，A导通，反激能量再生，对G充电。B点连接点的电压在阻尼电阻的作用下以

16、振荡形式最后恢复到原来的中心值。北关闭一段时间后，给加一个触发脉冲，的导通，原边绕组黑点端变负。电路通过电容G、原边绕组、开关管好形成回路，重复以前过程。不同的是，/p方向变反，加关断时接点B摆动到正，2导通，反激能量对G充电。副边电路的工作如下:当导通时,副边绕组电压使D1导通,电流通过二极管、电感1、负载R构成回路，当关断,两个绕组电压变为零。导通时，d2导通，负载上的电流与电压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过1和G构成的滤波环节产生稳定的输出电压匕。如图2.2图22原边开关管电压及输出电压波形2.2 Buck变换器DC-DC变换器是由Buck变换器派生而来，所以他就具有Buck基本变换器的本质特征，所