1、 本科毕业设计（论文）三电平降压斩波电路设计与实现王成林燕 山 大 学2014 年 6 月 本科毕业设计（论文）三电平降压斩波电路设计与实现学院（系）： 电气工程学院 专 业： 10 级应用电子 学生姓名： 王成林 学 号： 100103030078 指导教师： 王晓寰 答辩日期：2014 年 6 月 26 日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程系学号 100103030078学生姓名 王成林专 业班 级 10 级应电 2 班题目名称 三电平降压斩波电路设计与实现题目性质1.理工类：工程设计 （ ） ；工程技术实验研究型（ ） ；理论研究型（ ） ；计算机
2、软件型（ ） ；综合型（ ） 。2.管理类（ ） ；3.外语类（ ） ；4.艺术类（ ） 。题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1 查询三电平工作的技术资料，阅读消化理解工作原理。2 掌握直流变换器技术指标，分析系统构成的一般原理。3 根据技术性能，设计输入直流电压 220V，输出直流电压 100V，开关频率 20Kh，输出电压纹波小于 24 给出全部设计参数和图纸，并绘制 PCB 电路板。基本要求1. 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于 2.4 万字） ，A0 图纸。2. 说明书及插
3、图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。3按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。4 查阅文献 15 篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于 5 千汉字；参考资料1. 三电平 Buck-Boost 双向变换器的仿真研究，电源世界，20052、改进型三电平 Buck 直流变换器的建模研究，电力电子技术，20083. 电力电子技术 期刊、电工技术杂志 期刊；4 三电平直流变换器及其软开关技术 阮新波 TN624/13周 次 12 周 37 周 810 周 1115 周 1617 周应完成的内容查阅并消化理解资料，找出主要问题，确定主电路拓扑了解工作原
4、理，设计、计算电路有关参数。利用仿真软件进行局部电路的仿真。给出全部工程图纸和元器件表。撰写论文 画图、准备答辩指导教师：王晓寰职称：讲师 2013 年 12 月 26 日系级教学单位审批：年 月 日摘要I摘要直流三电平 Buck 变换器，可以有效的降低开关管的电压应力，可适用于高输入电压和中大功率的应用场合，近年来一直备受关注。本次设计首先通过基本三电平单元在直流变换器中的应用，得到直流三电平 Buck 变换器的拓扑电路。详细地分析了其工作原理、参数设计和外特性，重点讨论了控制电路的交错控制和电容分压不均压的问题，得到了直流三电平 Buck 变换器拓扑结构，使直流三电平 Buck 变换器输出
5、更加的合理和稳定。直流三电平 Buck 变换器除了可以降低变换器开关管电压应力外，还可以改善滤波器的工作条件，大大减小滤波器的大小。本文通过计算相关参数，设计控制电路，对主电路进行了开环和闭环的 MATLAB 仿真，并给出了相关的波形，验证了直流三电平 Buck 变换器的工作特性和输出特性。关键词 Buck；直流三电平；MATLAB；交错控制燕山大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractThree-level DC Buck Converter, can reduce effectively reduce the voltage stress of the switch, suitable
6、 for high input voltage and high-power applications in recent years has been a concern.The design of the first through the application of the basic three-level unit in the DC-DC converter to get the three-level DC Buck converter circuit topology. Detailed analysis of its working principle, parameter
7、 design and external characteristics, focusing on the control circuit controls and capacitor staggered equalizing uneven pressure problems. For three-level converter input and output to the disadvantage of not introducing blocking capacitor, the input and output common ground to solve problems, and
8、get three-level DC Buck converter topology, so that the three-level DC Buck Converter more reasonable and stability. DC Buck Converter in addition to the three-level converter can reduce the switch voltage stress, but also can improve the working conditions of the filter, greatly reducing the size o
9、f the filter.In this paper, by calculating the relevant parameters, design the control circuit, the main circuit of the open loop and closed loop MATLAB simulation, and gives the relevant waveform.Keywords Buck; DC three levels; MATLAB; staggered control III目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 研究背景 .11.
10、2 研究目的和意义 .11.3 本文研究的相关内容 .2第 2 章 直流三电平 Buck 电路分析 32.1 三电平电路的提出和应用 .32.2 直流三电平 BUCK 电路工作原理 .32.2.1 D0.5 的工作模式 .42.2.2 D0.5 的工作模式当开关管的占空比 D 大于 0.5 时，其主要波形如图 2-4 所示。在每一个开关周期内，变换器有四个开关模态。第 2 章 直流三电平 Buck 电路分析 5IL f m i n _ HIL f m a x _ HVi nVi n/ 2vA BQ1Q1Q2Q2To nTo f ft0t2t1t3t4tVoIo图 2-4 D0.5 时的主要波形
11、（1）开关模态 1 t0，t 1 （如图 2-3 (a)）Q1 和 Q2 同时导通，AB 两点间电压为输入电压 Vin，D 1 和 D2 上的电压为 Vin/2。滤波电感 Lf 的电流线性增加。(2-1)()()inoffofVitItt（2） 开关模态 2 t1，t 2 （如图 2-3(b)t1 时刻关断 Q1， Q2 继续导通，D 1 导通。v AB=Vin/2，Q 1 和 D2 上电压为Vin/2。 Lf 电流线性下降。(2-2)11/2()()inoLfffVitIttLt2 时刻开通 Q1，Q 2 继续导通，电路进入开关模态 3。开关模态 3 与开关模态 1 相同，如图 2-3 (a
12、)所示。t 3 时刻关断 Q2，Q1 继续导通，电路进入开关模态 4，如图 2-3(c)所示。电路工作情况同开关模态 2 类似，此处不再赘述。由图 2-4 可知：燕山大学本科生毕业设计（论文）6(2-3)401322143()toABs ininsofininofsiVvdTVttttTTDV (2-4)_max_in_10()2()1LfHfLfHLinofnofinofi sfIIttVTLD(2-5)max_in_()2oLfHLfII其中，f s 是开关频率，T s 1/fs 是开关周期；T on 为开关管的导通时间，Toff 为开关管的截止时间。定义 DT on/Ts 为占空比；I
13、Lf_H、 ILfmin_H 和 ILfmax_H 分别为 D0.5 的电感电流脉动值、电感电流最小值和最大值。2.2.2 D0.5 和 D0.5 由式(2-4)、(2-11)和(2-12) 可以得到 D0.5 时的临界连续电流 IG_H：(2-13)_(1)24insGHfVTIDL 上式表明 IG_H 与占空比 D 的关系为二次函数，当 D0.75 时，I G_H 达到最大值：第 2 章 直流三电平 Buck 电路分析 9(2-14)_max32insGHfVTIL将式(2-14)代入式(2-13)，可得：(2-15)_ax8(1)ID 在 D0.5 时，如果电感电流大于 IG_H，变换器
14、工作在电感电流连续状态，输入输出电压比与负载电流无关，满足式(2-11)；一旦电感电流小于 IG_H，电路将工作在电感电流断续状态，波形如图 2-6 所示。此时：(2-16)s1=ii/2oONFOIT（ +）式中TON电感电流上升时间；TOF电感电流下降时间。iON= ( Vin-Vo) TON (2-17) f1LiOF= (Vo-Vin/2) TOF (2-18)f iO N i O FT O FTO F F/2sTO NT O NIoIL ft图 2-6 D0.5 电感电流断续稳态时有 iON=iOF，由式(2-17) 和(2-18)可知：(2-19) 2()inoOFONiVT(2-
15、20) s1=ND将式(2-14)、(2-16)、(2-17)和(2-20) 联立，得到：燕山大学本科生毕业设计（论文）10(2-21)2_max/8(1)inooGLiVID由式(2-21)可得：(2-22)2_maxa1()41oGLoinIVID上式就为变换器在 D0.5 时电感电流断续时的外特性。（2）D0.5，在 D0.5 和 D0.5 时的外特性在同一图中画出，得到图 2-8。曲线 A即为电感电流临界连续曲线，由(2-15)和(2-25) 决定。曲线 A 左为电流断续区，变换器外特性由(2-22) 和(2-31) 决定，用虚线表示；曲线 A 右为电流连续区，变换器外特性由式(2-1
16、1)决定，用实线表示。燕山大学本科生毕业设计（论文）121 . 00 . 80 . 60 . 40 . 20Vo/ Vi nD = 1 . 0D = 0 . 9D = 0 . 8D = 0 . 7D = 0 . 6D = 0 . 5D = 0 . 4D = 0 . 3D = 0 . 2D = 0 . 1D = 0 . 01 . 0 2 . 0AAIo/ Io G m a x图 2-8 直流三电平 Buck 电路的外特性2.4 直流三电平 Buck 电路的优点2.4.1 电压应力直流三电平 Buck 电路中的开关管和续流二极管电压应力仅是输入电压的一半，是直流三电平 Buck 电路的开关管的电压
17、应力开关应力的一半，大大改善了开关管的工作条件，有利于选择合适的开关管。2.4.2 滤波电感直流三电平 Buck 电路在占空比大于 0.5 和小于 0.5 时，滤波电感电流脉动有着不同的特性。将直流三电平 Buck 变换器与传统 Buck 变换器的电感情况进行比较。定义 为直流三电平 Buck 变换器的标幺值， 为直流三电平_*LfBuckTI _*LfBuckIBuck 变换器的电感电流脉动标幺值。= / ，_*LfBuckT_fuckL_maxfBuckTLI= / ，其中 为直流三电平 Buck 变换fILfBIaf _maxfBuckTLI器的电感电流最大脉动值， 为传统 Buck 变
18、换器的值。其表达_axLfuckI式如下式（2-32）和（2-33）：第 2 章 直流三电平 Buck 电路分析 13= （2-32）_LfBuckTI(1)D0.5D=2(1-D)D （2-33）_LfBuckI图 2-9 给出了在相同滤波电感和相同开关频率的条件下，直流三电平Buck 变换器与传统 Buck 变换器滤波电感电流脉动的比较。该图表明直流三电平 Buck 变换器的电感电流最大脉动量仅为 Buck 变换器的 1/4。如果要求两者的电感电流脉动的最大值相同，那么直流三电平 Buck 变换器的滤波电感会减小为 Buck 变换器的滤波电感的 1/4。如果滤波电感电流脉动相同，由图 2-
19、4 和图 2-5 可知，直流三电平 Buck 变换器的输出滤波电容充放电频率较 Buck 变换器提高了一倍，因此其滤波电容可以减小为 Buck变换器滤波电容的一半。 _*LfBuckI_LfuckTL00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 2电感电流最大脉动0 . 2 50 0 . 5 0 0 . 7 51 . 0D0 . 2 5图 2-9 直流三电平 Buck 变换器与传统 Buck 变换器电感电流脉动值2.5 分压电容均压问题当只有 Q1 导通时，分压电容 Cd1 给负载供电；当只有 Q2 导通时，分压电容 Cd2 给负载供电。如果开关管的占空比小于 0.5，则一段时间
20、内只有一只开关管导通，两只分压电容轮流为负载供电；一段时间内两只开关管均关断，二极管 D1 和 D2 导通，两只分压电容不提供能量。在实际的控制电路中，两个锯齿波不可能做到完全匹配，同时开关管燕山大学本科生毕业设计（论文）14的驱动电路以及开关管的开关特性也不可能完全相同，因此两只开关管的占空比必然存在一定的差异，这样两只分压电容在一个周期内所提供的能量不可能相等，其电压将一个高于 Vin/2，另一个低于 Vin/2。为了使直流三电平 Buck 变换器正常工作，必须确保分压电容均压，因此需要对开关管的占空比进行修正。修正方案将在本文第 3 章控制电路部分进行详细描述。2.6 本章小结本章分析了
21、直流三电平 Buck 变换器的工作原理，推导出变换器的输入输出外特性，并进行了输出滤波器的设计。该变换器具主要具有以下三个优点：（1）开关管的电压应力为输入电压的一半；（2）续流二极管的电压应力为输入电压的一半；（3）输出滤波器上得到三电平电压波形，大大改善了输出滤波器的工作条件。在输入输出条件相同的情况下，与 传统 Buck 变换器相比，直流三电平 Buck 变换器的滤波电感减小到 1/4，滤波电容减小到 1/2；第 3 章 控制电路设计 15第 3 章 控制电路设计3.1 PWM 控制电路PWM 控制电路的作用是将在一定范围内连续变化的控制量模拟信号转换为 PWM 信号，该信号的开关频率固
22、定，占空比跟随输入信号连续变化。常用的集成 PWM 控制器有 SG3525、TL494 和UC3825、UC3842/3/4/5/6、UC3875/6/7/8/9 等。在本课题中，采用 SG3525 控制芯片。3.1.1 SG3525 引脚说明SG3525 控制芯片的引脚如图 3-1。图 3-1 SG3525 引脚图123456789102134516Sync.IvputNoi.OCutpTRargDischeSoftt VrefCOutpBCVGrondutpAShwComensatio燕山大学本科生毕业设计（论文）16（1）Inv.Input（引脚 1）：误差放大器反向输入端。在闭环系统中
23、，该引脚接反馈信号；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。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成电压跟随器。（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。（3） （引脚 3）：振荡器外接同步信号输入端。Sync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）C T（引脚 5）：振荡器定时电容接入端。（6）R T (引脚 6)：振荡器定时电阻接入端。（7）Discharge （引脚 7）：
24、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 Start（引脚 8）：软启动电容接入端。（9）Compensation（引脚 9）：PWM 比较器补偿信号输入端。（10） （引脚 10）：外部关断信号输入端。Shutdown（11）OutputA（引脚 11）：输出端 A。（12）Ground（引脚 12)：信号地。（13）V C（引脚 13）：输出级偏置电压接入端。（14）OutputB（引脚 14）：输出端 B。引脚 14 和引脚 11 是两路互补输出端。（15）V CC（引脚 15）：偏置电源接入端。（16）V ref (引脚 16)：基准电源输出端。
25、该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。第 3 章 控制电路设计 173.1.2 SG3525 工作原理SG3525 内部原理框图如图 3-2，其主要工作波形示于图 3-3。图 3-2 SG3525 内部原理框图1、电路的启动接通电源后，只要输入电压高于 2V，内部欠电压锁定电路（ Under- Voltage Lockout）即开始工作，低于 8V 时，该电路即输出“1”。内部欠压锁定电路输出的“1”使 U1、U2 两个或非门一端输出 “1”，使 T2 和 T4 导通，T2 和 T4 输出 “0”。U1 、U2 两个或非门另一端输出的 “0”则使 T1、T3 截止。故 SG3525 的 11、
26、14 端无输出。RefrncgulatoOscilatorUnder-VoltagLckuLatchEroAmpPWMF/Q+5K5K50AREFVSRTo InteralCicuy165 1412 110987654321U 1U 2T 1T 2T 3T 4T 0AT 0 燕山大学本科生毕业设计（论文）18图 3-3 SG3525 主要工作波形内部欠压锁定电路输出的“1” 同时还加于内部三极管 T0 的基极，使其饱和导通，从而使 PWM 比较器反相端变为低电平， PWM 比较器的输出为“1”，使 RS 触发器置“1”，同样使得 SG3525 的 11、14 端无输出。当输入电压大于 8V 时
27、，欠压锁定电路输出低电平，与上述情况相反，使电路可以有输出，同时基准稳压电路（Reference Regulator）开始工作，为内部所有电路提供 5.1V 工作电压，同时该电压还经过恒流源对 8 端外接软启动电容充电，充电到一定幅度时，完成软启动(在此之前 PWM 比较器输出“1”，使 RS 触发器置“1” ，11、14 端无输出)，电路开始工作。14端F/(Q)/()OscilatorPWM输 出VVVV ttttttt()a()b()c()d()e()f()gA端第 3 章 控制电路设计 192、自激振荡电路电路输出后，SG3525 的 5、6、7 端外接元件与内部电路构成的振荡器即开始
28、工作，5 端外接定时电容 CT，6 端外接定时电阻 RT，5 端与 7 端之间跨接定时电阻 RD。其中 RT 决定 CT 的充电时间，而 RD 则决定 CT 的放电时间，即 RT 决定振荡器产生的锯齿波的上升时间，而 RD 则决定锯齿波的下降时间。振荡器输出的方波脉冲对应于锯齿波的下降时间，故 RD 同时决定该方波的宽度。振荡器的振荡频率 f 为：（3-1）1(0.67.3)TDfCR振荡器输出的锯齿波送至 PWM 比较器，而输出的方波则一方面送至PWM 锁存器，同时由 4 端输出，作为其他芯片的同步信号，另外振荡器可由 3 端送来的脉冲信号控制，便于多个芯片同步使用。3、PWM 锁存与输出振
29、荡器输出的方波脉冲如图 3-3 中（c）所示，当高电平到来时，一方面经 T 触发器转变成两个相位相反的方波脉冲，如图 3-3 中（d）、（e ）。同时此高电平还分别送至 U1、U2 两个或非门使之无输出，另外还使 RS触发器置“0”，使之对或非门无影响。当振荡器输出低电平时，RS 触发器进入保持状态，即输出“0” ，此时 T 触发器 Q 输出的 “0”送至或非门 U1，此时 U1 的四个输入端均为 0，故输出的“1”使 T1 饱和导通，而 T2 则截止，11 端输出高电平。而 U2 则因 T 触发器输出的“1”而维持 T3 截止，T4 饱和，14 端无输出。此时振荡器输出的锯齿波送至 PWM
30、比较器同相端与 A 点电压比较，当高于此电压时，PWM 比较器输出“1” ，如图 3-3（a ）所示，使RS 触发器置“1”，该输出信号又使 U1 输出信号反相，T1 截止而 T2 则饱和，11 端恢复无输出。当振荡器输出的下一个脉冲到来时，一方面使 T 触发器翻转，即 U2 可以输出，而 U1 则禁止输出，同时又使 RS 触发器置“0” ，使之对 U1、U2 输出无影响，当低电平到来时，经 U2 控制，T3 饱和、T4 截止，14 端输出高电平。同样当锯齿波的高度高于 A 点电压时，PWM 比较器又输出高电平，使 RS 触发器置“1” ，又使 14 端输出低电平，输出波形如图 3-3 中（
31、f）、（g）所示。由此可知，在一个信号周期内，U1 、U2燕山大学本科生毕业设计（论文）20只允许一个有输出，另一个则被锁定，即 11、14 端在一个周期内只有一个可以输出高电平，完成锁定功能，同时可知 11、14 端输出高电平时间取决于振荡器输出方波脉冲的下降沿到来时间，而输出低电平时间则取决于PWM 比较器输出高电平时间，即取决于 A 点电压。SG3525 输出采用图腾柱式输出结构，一方面可以向负载提供较大的驱动电流，同时可为负载提供放电回路，可直接驱动 MOS 管而免去外接放电回路，使电路更加可靠。4、脉冲宽度调节由于 11、14 端输出低电平时间取决于 A 点电压，而 A 点电压又取决
32、于误差放大器输出电压，故人为改变 SG3525 的 1 端或 2 端电位，即可改变 A 点电压，A 点电压变低时，PWM 比较器提前输出“1” ，使 11 端或 14端输出脉冲宽度变窄，而 A 点电压上升时则与上相反，完成对输出脉宽的控制。由图可知，1 端电位与输出脉冲宽度成反比，而 2 端电位则与输出脉冲宽度成正比。在开关稳压电源设计中，反馈电压可加于 1 端或 2 端。3.2 驱动电路芯片在本课题中，驱动电路芯片采用两片 IR2110 分别去驱动两个开关管。IR2110 是美国 IR 公司生产的高压、高速电力 MOSFET 或 IGBT 的理想驱动器，它采用 HVIC 和闩锁抗干扰制造工艺，并集成 DIP、SOIC 封装，可用于工作母线电压高达 500V 的系统中。功率器件的栅极驱动电压范围为 10V 到 20V；输出电流的峰值为 2A，逻辑电源的范围为 5V 到 20V，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5V 的偏移量；开关的通断延时小，分别为 120ns 和 90ns，工作频率高达 500KHz，其内部结构主要包括逻辑输入，电平转换及输出保护。1、引脚排列及功能IR2110 采用双列直插式 14 引脚封装，其引脚说明下。
