【开题报告】5千瓦降压型DCDC转换器硬件设计

【开题报告】5千瓦降压型DCDC转换器硬件 武汉理工大学本科学生毕业设计()开题报告 1、目的及意义(含国内外的研究现状分析) 开关电源的发展已有30多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。70年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 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变换器不同于DC/AC/DC变换器，它不必经过中间交流环节。DC/DC变换器按输入电压与输出电压之比可分为Buck电路，Boost电路，Buck-Boost电路，Cuk电路等。按照输入输出关系可分为隔离型和非隔离型。其中，斩波器属于非隔离型，而正激电路，反激电路，半桥电路，全桥电路和推挽电路则属于隔离型。 80年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率AC/DC开关电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用，90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相 3cm应的功率密度为(6.2、10、17)W/ ，效率为(80,90),。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频 3cm率为(200,300)KHz，功率密度已达到27W/，采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管)，使整个电路效率提高到90,。 2、基本内容和技术 1.设计的基本内容是:掌握开关电源的设计，设计一个可实用的DC/DC开关电源，并在MATLAB软件下建立完整的系统模型进行仿真分析，同时运用Protel软件绘制开关电源的PCB板图。 要求完成的任务: (1) 研究DC/DC开关电源装置的拓扑结构及工作原理; (2) 设计符合参数要求的DC/DC变换器; (3) 在MATLAB软件中建立仿真模型进行仿真分析; (4) 运用Protel软件绘制开关电源的PCB板图。 2.设计技术方案是: 降压型DC/DC变换器可采用两种技术方案，一种为隔离型，一种为非隔离型。非隔离型变换器即斩波器，隔离型变换器中包括变压器组件。相比较而言，隔离型变换器的输出更加稳定，安全型较好，但成本较高且体积不易缩小;非隔离型变换器结构简单实用，成本低。考虑到设计任务要求变换器器功率为5KW，不是很大，可采用斩波器来实现，同时采用PWM控制方案，以提高精度，稳定输出。 直流-直流变换器(DC-DC converter)内部一般具有PWM(脉宽调制)模块，E/A(差错放大器模块)，比较器模块等几大功能模块。 其工作原理为:输出经过FB(反馈电路)接到FB pin，反馈电压V与设FB定好的比较电压Vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到PWM模块，PWM根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制IGBT的导通时间从而控制输出电压的。 UBuck变换器当开关管导通时，输出电压等于输入电压;开关管断开时，d U输出电压等于0。，输出电压的平均值Uo=D，式中D为开关占空比，由此d 可见改变负载端输出电压有3种调制方法: (1)开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。? (2)开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。? (3) 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。 其中，方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。 PWM控制方法是利用比较器与开关电源来实现的。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号，该信号与锯齿波信号比较得到开关控Uco 制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。 直流-直流变换器有两种不同的工作模式: (1)电感电流连续模式 (2)电感电流断续模式? 在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。 根据变换器所带负载形式的不同可适当改变变换器的形式，如所带负载为电动机，考虑到点机的正反向运转以及制动，可将多个Buck变换器相连组成桥式可逆斩波电路。 由于变换器采用PWM方式控制，因此开关频率很大，从而导致严重的开关损耗和噪声干扰。这不仅降低了电路的效率，还给周围电子设备带来电磁干扰。所以，必须采用软开关方式。软开关电路种类较多，有准谐振型，零开关PWM电路和零转换PWM电路。对于各类软开关的优缺电，需要在实际设计过程中通过电路仿真来确定具体方案。 图1 采用ZCS软开关技术的Buck变换器原理图 3、进度安排 第 1~2 周 认真阅读毕业设计(论文)任务书，查阅相关文献资料，翻译外文 资料; 第 3~4 周 了解研究所需知识，明确基本内容，确立总体技术方案，完成开题 报告; 第 5~6 周 研究Buck电路拓扑的基本工作原理，并导出电路中各元件参数的 方法; 第 7~8 周 研究软开关技术并结合Buck电路导出软开关的各项技术参数; 第 9~10 周 研究开关电源的常用控制方式，并结合设计参数的要求确立控制方 案，设计控制回路; 第11~12周 研究Matlab运行仿真的方法，对开关电源进行系统建模仿真; 第13~14周 运用Protel软件绘制开关电源的PCB板; 第 15 周 编写毕业设计说明书，整理有关资料，做好毕业答辩准备。 第 16 周 参加毕业设计答辩。 4、指导教师意见 指导教师签名: 年 月 日