电力电子课程设计BUCK变换器设计.docx
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电力电子课程设计BUCK变换器设计
引言2
第一章设计要求与方案.......................................................................................2
1.1课程设计要求.............................................................................................2
1.2方案确定.....................................................................................................3
第二章直流稳压电源设计..................................................................................3
2.1设计要求......................................................................................................3
2.2直流稳压电源原理描述.............................................................................4
2.3设计步骤及电路元件选择.........................................................................5
第三章Buck变换器设计..................................................................................6
3.1Buck变换器基本工作原理.......................................................................6
3.2Buck变换器工作模态分析.......................................................................7
3.3Buck变换器参数设计..........................................................................10
3.3.1Buck变换器性能指标..................................................................10
3.3.2Buck变换器主电路设计..............................................................10
第四章控制电路设计.........................................................................................12
4.1直流—直流变换器控制系统原理..........................................................12
4.2控制电路设计...........................................................................................14第五章课程设计总结.........................................................................................17参考文献..................................................................................................................18附设计全图..............................................................................................................18
08电气一班潘维200830151402
引言
随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。
电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。
开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。
伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。
开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
BUCK降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用BUCK作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
BUCK降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。
第一章设计要求与方案
1.1课程设计要求
1、采用降压斩波主电路
2、输入直流电压：
10~14V
3、输出电压：
5V
4、最大输出负载电流：
2A
5、输出功率：
10W
1.2方案确定
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。
根据降压斩波电路设计任务要求设计稳压电源、BUCK电路及控制电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。
图1.1降压斩波电路结构框图
在图1结构框图中，BUCK电路是用来产生降压斩波电路的，控制电路产生的控制信号传到BUCK电路，使信号为加在开关控制端，可以使其开通或关断。
通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。
第二章直流稳压电源设计
2.1设计要求
设计一个输出电压在10~14V可调的串联型直流稳压电源，将市电
（220V/50HZ）的交流电）经电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路后转变为
10~14V的直流稳定电压。
2.2直流稳压电源原理描述
电子设备一般都需要直流电源供电。
这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。
图2.1直流稳压电源框图
图2.2单向桥式整流电路
图2.3电容滤波电路
图2.4具有放大环节的串联型稳压电路
直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框
图如图2.1所示。
电网供给的交流电压U1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压UI。
但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。
在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
图2.2,2.3,2.4串联起来就组成了具有放大环节的串联型稳压电源电路图，其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。
稳压部分为具有放大环节的串联型稳压电路，它由调整元件（晶体管Q1，Q2组成的复合管）；比较放大器（集成运放A）；取样电路R2、R4、R3，基准电压DZ、R1等组成。
整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：
当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，
并与基准电压进行比较，产生的误差信号经比较放大器放大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。
2.3设计步骤及电路元件选择
设计过程采用模块化进行，先依次设计好各模块电路及仿真无误后，再将它们串联起来组成总的电路图如下图2.5所示：
图2.5直流稳压电源电路
电路元件选择：
1：
Ui的确定
Ui=Uo+Uce,因为Uomax=14V,Uce>Uces=1~2V,取Uces=2V,所以
Ui=Uomax+Uces=16V;
2:
调整管的选择
Ucemax=Ui-Uomin=16-10=6V，承受反向电压应大于6V;;
3：
稳压二极管Dz的选择
Uz小于等于Uomin=10V,取Uz=2V，Iz=1~10mA；
4：
电阻R1的选择
UR1=Ui-Uz=16-2=14V,IR1取10mA,R1=UR1/IR1=1.4kΩ,R1取1.5kΩ;
5:
集成运放的选择因为本电路对集成运放要求不高，所以选用通用型集成运放；
6：
滤波电容C1的选择
为提高滤波效果，C1取1000uf的电解电容；
7：
取样环节的电阻R2，R3，R4的确定
Uomax=（R2+R3+R4）*Uz/R3
Uomin=（R2+R3+R4）*Uz/（R3+R4）
其中R4为最大阻值为100Ω的滑动变阻器，Uz=2V,Uomax=14V,Uomin=10V,联立方程，可求得R2=1400Ω,R3=250Ω;
8：
U2及变压器的确定
对于全波整流电路，Ui=1.2U2,所以U2=Ui/1.2=13.33V，220V/13.33V=16.5，故选用变比为15：
1的变压器；
9：
整流二极管的选择选择理想整流器。
第三章Buck变换器设计
3.1Buck变换器基本工作原理
Buck电路（BuckChopper），即降压斩波电路，属直流斩波电路的一种，和
升压斩波电路构成直流斩波电路最基本的两种电路。
直流斩波电路的功能是将直
流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器。
降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
如下图3.1所示，电路中使用一个全控型开关器件Q，开关管Q由开关脉冲信号驱动，脉冲信号来自脉冲信号控制电路，脉冲信号的周期T保持不变，而脉冲宽度ton可改变，这样便可以调节导通的占空比，进而改变输出电压。
为了在开关管关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管D。
当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压UO等于输入电压；当晶体管截止时，若
忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。
电路的主要工作波形如图3.2。
+
Vin
-
QA
Lf
UbD
f
+
RUo
-
图3.1Buck变换器电路
Ub
QONQOff
0
UA
0
iL
0
Vin
t
t
iL
t
图3.2Buck变换器的主要工作波形
3.2Buck变换器工作模态分析
在分析Buck变换器之前，做出以下假设：
①开关管Q、二极管D均为理想器件；
②电感、电容均为理想元件；
③电感电流连续；
④当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。
当输入脉冲为高电平，即在ton时段内，Q导通，此时二极管D反偏截止，
同时对电容C充电。
在电感L上将产生极性为左正右负的感应电动势，储存磁
场能量。
假设储能电感L足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流IL可近似认为是线性的，并设开关MOS管Q1及续流二极管都具有理想的开关特性，它们正向降压都可以忽略。
图3.3Q导通时的电路状态
il
LdiL
dt
V1V2
L
V2V1
dtV1V2
L
tILv
式中起始值ILv是Q导通前流过L的电流。
当t=ton时，Q截止，L中
的电流达到最大值ILP：
ILp
V1V2
L
tonILv
当输入脉冲为低电平，即在toff时段内，Q1截止，电路相当于Q1断开，如下图3.4所示。
此时，由电感L中的电流将减小，为了阻止电流I0的减小，在其上将产生极性为左负右正的感应电动势，这时二极管D正偏导通，为电感电流提供通路。
电感将释放磁能，一方面继续给负载RL供电，另一方面对电容C充电，把一部分磁能转化为电容中的电场能。
当电感电流下降到某一较小的数值时，电容C开始对负载放电，以维持负载所需的电流。
当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期内的初值与终值为相等的。
图3.4Q关断时电路状态
LdiL
dt
V2
V2
V2
il
dt
L
tILp
L
式中起始值ILP为Q截止前流过L的电流。
t=toff时，Q截止，L中的电
流下降到最小值ILV：
V2
ILv
L
toff
ILp
当电路工作在稳态时，联系上式解得：
V1V2V2
ILp
ton
L
toff
L
ILp
由以上分析可得，负载电压的平均值为：
V2
ton
tontoff
V1tonV1DV1
T
上式中，ton为Q处于导通状态的时间，toff为Q处于断开状态的时间；T
为开关周期，即T=ton+toff；D为导通占空比，即D=ton/T；V1为电源电压。
由该公式可知，负载电压的平均值V2的大小由导通占空比和电源电压决定。
在电源电压不变的情况下，其大小可由调节占空比来改变，且随着占空比的增大而增大，随着占空比的减小而减小。
由于占空比0负载电流平均值为：
V2
I0
RL
上式中，RL为负载电阻。
若负载中的L的值较小，则在Q关断后，可能会
出现负载电流断续的情况。
为了保证电流连续，要求串接的电感L值足够大。
3.3Buck变换器参数设计
3.3.1Buck变换器性能指标
输入电压：
Vin=10~14V；输出性能：
Vout=5V；
Iout=2A；
Pout=10W；
3.3.2Buck变换器主电路设计
设计的BUCK变换器电路图如下图3.5所示：
图3.5BUCK变换器电路图主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电容、
电阻值的确定，其参数确定过程如下。
本设计过程中设定工作频率为50kHz，电压波纹小于50mV。
（1）电源
因为题目要求输入电压为10-14V，且连续可调。
其直流稳压电源模块的设计已在前面完成。
所以该直流稳压电源作为系统电源。
（2）电阻
因为当输出电压为5V时，输出电流为2A，可得到负载电阻为RL=Uo/Io=2.5Ω。
（3）IGBT
当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为14V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为2A。
故需设置IGBT的集电极最大连
续电流Ic>2A，反向击穿电压Bvceo>14V。
（4）二极管
当=1时，其承受最大反压14V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于2A，故需设置二极管额定电压大于14V，额定电流大于2A。
（5）占空比
根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：
Dmax=Uo/Uimin=5V/10V=0.5;Dmin=Uo/Uimax=5V/14V=0.3571;（6）滤波电感Lf
变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。
如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状态。
所以，以设定最小输出电流Iomin=0.1A作为电感临界连续电流来设计电感，即
∆iLmin=2Iomin=0.2A。
LUo（1Dmin）5（10.3571）321.45H
fmax
iLmin
fs
0.250103
经过调试发现这数值滤波效果还不是很明显，且由Lf>Lfmax，取
Lf=1000uH。
（6）滤波电容Cf
在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。
设定该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout（p-p）<=50mV。
Cfmax
Uo（1Dmin）
fsC
8Lf2U
5（10.3571）
8321.45106（50103）250103
10F
由Cf>Cfmax，取Cf=25uF。
滤波电容存在串联等效电阻Re，其与电容乘积是一常数，取为75uΩF.则
Re=75uΩF/Cf=5Ω。
第四章控制电路设计
4.1直流—直流变换器控制系统原理
典型的直流-直流变换器控制系统的结构原理图如图4.1所示。
系统的核心部分为DC-DC变换器，同时包含了控制用的负反馈回路。
在负反馈回路中，输出电压v（t）经采样后与给定的参考电压Vref相比较，所得偏差送补偿放大环节，再经过脉冲宽度调制，得到一系列控制用的脉冲序列δ（t），通过驱动器将脉冲放大，控制DC-DC变换器中功率开关器件的导通与关断。
控制输入d（t）代表开关器件在一个周期内的导通占空比，是脉冲序列δ（t）的参数，改变d（t）即可调节变换器的输出电压v（t），d（t）也称为控制量。
当输入电压或负载发生变化，或系统受到其他因素干扰使输出电压发生波动时，通过负反馈回路可以调节DC-DC变换器中开关器件在一个开关周期内的导通时间，达到稳定输出电压的目的。
图4.1直流-直流变换器控制系统的结构原理图
以图4.2所示的Buck型开关调压系统为例，该系统是对图4.1所示直流-直流变换器控制系统的具体实现。
图4.2中采用Buck型变换器作为DC-DC变换器，Vg代表整流滤波后得到的直流输入电压。
输出电压采样环节由分压电路实现。
运放A1及阻抗Z1、Z2共同组成比较和补偿放大环节，产生的控制信号vc（t）输入给脉冲调制环节PWM，PWM产生的脉冲序列δ（t）经驱动器驱动后作为Buck型变换器中功率开关器件MOSFET的栅极驱动信号。
图4.2Buck型开关调压系统原理图
PWM环节的一种实现方式如图4.3（a）所示，利用比较器A2将控制信号vc（t）与振荡器产生的锯齿波时钟信号相比较，其输出为周期不变，脉冲宽度即占空比d（t）受vc（t）调制的一系列脉冲信号δ（t）。
具体工作过程如图4.3（b）所示，在每个开关周期内，当vc（t）大于锯齿波时钟信号时，输出脉冲为高电平，开关元件导通；当时钟信号上升，大于vc（t）时，输出脉冲为低电平，开关元件截止，直到下一周期开始，再次输出高电平。
可见，输出脉冲的周期与锯齿波的周期相同，占空比d（t）由vc（t）决定，进而决定了开关器件的导通时间。
图4.3脉冲调制（PWM）环节
（a）PWM环节工作波形（b）脉冲调制工作原理
当输入电压或负载发生变化，或系统受到其他因素的干扰，使输出电压发生波动时，图4.2所示Buck型开关调压系统可以通过负反馈回路调节开关器件的导通占空比d（t），使输出电压稳定。
比如，当输入电压Vg上升时，输出电压vc（t）也随之上升，采样电压上升，vc（t）下降，则PWM输出脉冲的占空比d（t）减小，MOSFET在一周期内的导通时间缩短，使v（t）减小，达到了稳压的目的。
4.2控制电路设计
根据电路设计要求，此设计需要利用负反馈达到稳定电压的要求。
为此，采用了串联电压分压负反馈的方法，设计出如下图4.4所示的BUCK变换器控制电路。
其中包含了分压采样环节、补偿放大环节、脉冲调制环节和驱动环节。
图4.4BUCK变换器控制电路
3
在上图控制补偿网络中，极点角频率公式：
1;
直流增益：
KR3;
R1
pRC
Vg
又直流增益：
ADC
VM
，VM
为PWM锯齿波的幅值，Vg
为输入直流电压平
均值；
1
BUCK变换主电路滤波电容的串联等效电阻零点角频率：
z0；
ReCf
极点角频率：
p01/
LfCf；
此设计中设定VM=4V，参考电压Vref=1.5V，穿越频率
1
150kHz10kHz
c5s5
，则有
Vg
ADC
VM
12V
4V
3;
z0
1
ReCf
1
75u
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