BUCK變換器的研究與設(shè)計(DOC)

1、&許昌學命XUCHANG UNIVERSITY本科生課程論文（設(shè)計）BUC峻換器的研究與設(shè)計專業(yè)電氣信息及其自動化班級電信四班學生姓名 王建 許程 張賢范 王波 唐浩聯(lián) 系方式 156172333212013年 6 月課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級：指導教師： 工作單位： 題目：BUCK變換器的研究與設(shè)計初始條件：輸入電壓：2030V,輸出電壓：0-15V,輸出負載電流：0.11A,工作頻率：30KHz , 采用降壓斬波主電路。要求完成的主要任務(wù)：1 .直流供電電源設(shè)計。2 .降壓斬波主電路設(shè)計（包括電路結(jié)構(gòu)形式，全控型器件的選擇）并討論主電 路的工作原理。3 .脈寬調(diào)制電路（如SG352

2、5集成PWM6制器）及驅(qū)動電路設(shè)計。4 .分析PW雌制原理及波形。5 .提供電路圖紙至少一張。課程設(shè)計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印， 資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。應畫出單元電路圖和整體電路原理圖，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。2013 年6 月弓I言4第一章設(shè)計要求51.1 課程設(shè)計要求51.2 方案確定5第二章 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 62.1 設(shè)計要求62.2 直流穩(wěn)壓電源原理描述 62.3 設(shè)計步驟及電路元件選擇 7第三章 Buck變換器設(shè)計93.1 Buck變換器基本工作原理 93.2 Buck變換器工作模態(tài)分析 93.3 Buck變換器參數(shù)設(shè)計113.

3、3.1 Buck變換器性能指標 113.3.2 Buck變換器主電路設(shè)計 11第四章控制電路設(shè)計124.1 控制電路原理124.2 電路設(shè)計134.3 PWM控制原理與波形 14課程設(shè)計總結(jié)15參考文獻16附圖17引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類 也越來越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率方向發(fā)展。 開關(guān)電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應 用。伴隨著人們對開關(guān)電源的進一步升級，低電壓，大電流和高效率的開關(guān)電源成為 研究趨勢。開關(guān)電源分為AC/DC和DC/DC,其中DC/DC變換已實現(xiàn)模塊化，具

4、設(shè)計技術(shù) 和生產(chǎn)工藝已相對成熟和標準化。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流 電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動 機或帶蓄電池負載等。BUCK降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用BUCK作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET雙極晶體管的復 合器件。它既有MOSFET驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。 其頻率特性介于MOSFET功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故 在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了主導地位。所以用 BUCK作為全控型器件的降 壓斬波電路就有了

5、 IGBT易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。BUCK降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應用領(lǐng)域中 有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了 IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。第一章設(shè)計要求1.1課程設(shè)計要求1、采用降壓斬波主電路2、輸入直流電壓：2030V3、輸出電壓：0-15V4、輸出負載電流：0.11A5、工作頻率：30KHz1.2方案確定電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路和以電力電子器件為 核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形 成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者

6、關(guān)斷來完成整個 系統(tǒng)的功能，當控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動 電路。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計穩(wěn)壓電源、BUCK電路及控制電路，設(shè)計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1.1降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，BUCK電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的，控制電路產(chǎn)生的控 制信號傳到BUCK電路，使信號為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷。通過控制 開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路工作第二章 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計2.1 設(shè)計要求設(shè)計一個輸出電壓在2030V可調(diào)的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源， 將市電（220V/50HZ的 交流電）經(jīng)電源變壓器，整流電路，濾波電路，

7、穩(wěn)壓電路后轉(zhuǎn)變?yōu)?2030V的直流穩(wěn)定 電壓。2.2 直流穩(wěn)壓電源原理描述電子設(shè)備一般都需要直流電源供電。這些直流電除了少數(shù)直接利用干電池和直流 發(fā)電機外，大多數(shù)是采用把交流電（市電）轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。圖2.1直流穩(wěn)壓電源框圖圖2.2單向橋式整流電路圖2.3電容濾波電路Q調(diào)整環(huán)節(jié)TJ1門-I 卜 REF & ! 2:K；一魚準環(huán)節(jié)取好節(jié) 鬲口R 輸出直流電壓（穩(wěn)定）圖2.4具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如 圖2.1所示。電網(wǎng)供給的交流電壓 U1（220V,50Hz）經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電 路需要的交流電壓U2,

8、然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓 U3,再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓U。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場 合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。圖2.2,2.3 , 2.4串聯(lián)起來就組成了具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路圖，其整流部分為單相橋式整流、電容濾波電路。穩(wěn)壓部分為具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路， 它由調(diào)整元件（晶體管 Q1, Q2組成的復合管）；比較放大器（集成運放 A）;取樣電路 R、R、R3,基準電壓DZ、R等組成。整個穩(wěn)壓電路是一個具有電壓串聯(lián)負反饋的閉環(huán) 系統(tǒng)，

9、其穩(wěn)壓過程為：當電網(wǎng)電壓波動或負載變動引起輸出直流電壓發(fā)生變化時，取 樣電路取出輸出電壓的一部分送入比較放大器，并與基準電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差 信號經(jīng)比較放大器放大后送至調(diào)整管的基極，使調(diào)整管改變其管壓降，以補償輸出電 壓的變化，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。2.3 設(shè)計步驟及電路元件選擇設(shè)計過程采用模塊化進行，先依次設(shè)計好各模塊電路及仿真無誤后，再將它們 串聯(lián)起來組成總的電路圖；電路元件選擇:1: Ui的確定Ui=Uo+Uce, 因為 Uomax=30V,UceUces=12V,取 Uces=2V,所以 Ui=Uomax+Uces=32V;2:調(diào)整管的選擇Ucemax=Ui-Uomin=32

10、-20=12V,查表選擇 D42C3為擴大輸出電流范圍，采用 D42C部口 D42C3勾成的復合管;3:穩(wěn)壓二極管Dz的選擇Uz小于等于Uomin=20V所在選用ZPD5.1穩(wěn)壓管，參數(shù)為Uz=5.18V,Iz=110mA;4:電阻R1的選擇UR1=Ui-Uz=32-5=27V,IR1 取 10mA, R1= UR1 / IR1=2.7k,R1 取 2k;5:集成運放的選擇因為本電路對集成運放要求不高，所以選用通用型集成運放；6:濾波電容C1的選擇為提高濾波效果，C1選用470uf的電解電容；7:取樣環(huán)節(jié)的電阻R2, R3, R4的確定Uomax=(R2+R3+R4)*Uz/R3Uomin=(

11、R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)其中R4為最大阻值為1Ko的滑動變阻器，Uz=5.18V, Uomax=30V,Uomin=20邨立 方程，可求得 R2=264ohm,R3=666ohm;8: U2及變壓器的確定對于全波整流電路，Ui=1.2U2,所以U2=Ui/1.2=25V,所發(fā)選用變比為10: 1的 變壓器，再通過電阻分壓后得到14V電壓；9:整流二極管的選擇URm1.1*1.414*U2=1.1*1.414*14=38V, 查表選用 1B4B42第三章uck變換器設(shè)計3.1 Buck變換器基本工作原理Buck電路是由一個功率晶體管開關(guān) Q與負載串聯(lián)構(gòu)成的，具電路如圖3.1。驅(qū)動

12、 信號ub周期地控制功率晶體管 Q的導通與截止，當晶體管導通時，若忽略其飽和壓 降，輸出電壓uo等于輸入電壓；當晶體管截止時，若忽略晶體管的漏電流，輸出電壓 為0。電路的主要工作波形如圖3.2。+R Uo圖3.2 Buck變換器的主要工作波形3.2 Buck變換器工作模態(tài)分析在分析Buck變換器之前，做出以下假設(shè)：開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；電感、電容均為理想元件；電感電流連續(xù)； 當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，可以認為輸出電壓為常數(shù)在一個開關(guān)周期中，變換器有 2種開關(guān)模態(tài)，具等效電路如圖1.3所示，各開關(guān) 模態(tài)的工作情況描述如下：(1)開關(guān)模態(tài)0t0t1t0t1對應圖1.3 (a)。在t0時刻，開

13、關(guān)管Q恰好開通，二極管D截止。此時:di（式 1-1）電感中的電流線性上升，式1-1可寫成:-Uo不 ion 二 LToni omax - i ominU i - Uo = LTon(2)開關(guān)模態(tài)1t1t2t1t2對應圖1.3 (b)。在t1時刻，開關(guān)管Q恰好關(guān)斷，二極管D導通。止匕時:（式 1-3）0 - Uo=Ldt電感中的電流線性下降，式1-3可寫成:Uoi L 1 omin一 T-i i if.omaxomax omin二 L offToffioff二 LToff式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時間。在穩(wěn)態(tài)時，式1-4可得：嘲=告,聯(lián)解式1-2與Uo =DUi（式 1-5）輸出電流平均值:

14、1 ,Io =-（iomax . iomin）（式 1-6）QAVin圖 3.3(a) t0t1QAOUANQ圖 3.3(b) t1t2圖33(a) t1t2的主要工作波形圖3.3(b) t1t2的主要工作波形3.3 Buck變換器參數(shù)設(shè)計3.3.1uck變換器性能指標輸入電壓：Vin=2030V;輸出性能：Vout=0-15V;Iout=0.11A開關(guān)頻率：fs=30KHz。3.3.2uck變換器主電路設(shè)計主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定過程如下。(1)電源因為題目要求輸入電壓為20-30V,且連續(xù)可調(diào)。其直流穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計已在前面

15、完成。所以該直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源。(2)電阻因為當輸出電壓為12V時，輸出電流為0.1-1A。所以由歐姆定律可得負載U 0 - EmR 二Id電阻值為，可得到電路電阻應該在12120C。(3) IGBT由圖6易知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最 大正壓為30V;而當=1時，IGBT有最大電流，具值為1A。故需選擇集電極最 大連續(xù)電流Ic1A,反向擊穿電壓Bvceo30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都 可以滿足這個要求。(4)二極管當口 =1時，其承受最大反壓30V;而當a趨近于1時，其承受最大電流趨 近于1A,故需選擇額定電壓大于30V,額定電流大于1A的

16、二極管。(5)主電路的設(shè)計除了要選擇IGBT和二極管，還需要確定電感的參數(shù)，但 電感參數(shù)的計算是非常復雜的，在此對電感不予計算，認定電感值 L很大。第四章控制電路設(shè)計4.1控制電路原理為了使變換器的輸出電壓穩(wěn)定達到所要求的性能指標，需要對變化器進行閉環(huán)控 制。其工作原理為：輸出電壓采樣與電壓基準送到誤差放大器，具輸出經(jīng)過一定的補 償后與鋸齒波，即調(diào)制波進行交截來控制占空比，從而控制開關(guān)管Q的通斷，控制輸出電壓的穩(wěn)定，同時還有具有一定的抑制輸入和負載擾動的能力。圖4.1為閉環(huán)控制電路的基本原理圖。圖4.1 Buck電路閉環(huán)控制基本原理圖V ref (s)i load(S)環(huán)路增益：T(s尸H(s

17、)Gc(s)Gvd(s)/Vm為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，為了進一步研究參數(shù)對閉環(huán)控制的影響， 建立PWM型DC/DC 變換器的小信號模型，如圖4.2所示。Gc(s)為補償器的傳遞函數(shù)，Gvd(s)為低通濾波器 的傳遞函數(shù)，Vm為載波信號的峰峰值。從小信號模型分析，其環(huán)路增益 T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm。要到到閉環(huán)控制的目的，具環(huán)路增益T(s)要滿足一定的條件： 環(huán)路增益在低頻段要有高增益，呈現(xiàn)積分特性，使系統(tǒng)成為誤差系統(tǒng); 環(huán)路增益在中頻段要提供足夠的相角裕度，使系統(tǒng)穩(wěn)定;環(huán)路增益在高頻段要具有-40dB/Dec的斜率，以抑制高頻干擾4.2 電路設(shè)計(1)確定環(huán)路增益的截止頻率fc

18、為了使系統(tǒng)響應速度較快，那么fc越大越好；為了抑制開關(guān)頻率出的干擾，fc取 的越小越好。因此，fc要這種考慮。通常取 fc=(1/41/6)fs。這里取fc=1/5fs=40KHz。由 |Gvd(40KHz)|=0.212 得：|Gc(fc)H(fJ|/Vm =1/|Gvd(fJ =1/0.212 = 4.717若參考電壓 Vref=5V,則H(s)=5/24;又取Vm=2.4V,那么：|Gc(fc)|=4.717Vm/H(fc) =4.717 2.4/(5/24)=54.34(2)環(huán)路增益低頻段要有高增益由Gvd(s)的幅頻特性曲線可知，在低頻段增益較低，因此要通過補償電路提供積分 環(huán)節(jié)，這

19、樣提高了系統(tǒng)的型別，使系統(tǒng)成為誤差系統(tǒng)。(3)環(huán)路增益高頻迅速衰減通過補償電路增加2個極點，一個用來消除ESR所引起的零點的影響，另一個用 來使高頻段以-40dB/Dec的斜率衰減。(4)環(huán)路增益要有足夠的相角裕度通過補償電路增加2個零點，對二階震蕩環(huán)節(jié)的相位進行補償， 從而獲得足夠的相 角裕度。綜上所述，補償電路采用雙零雙極和積分環(huán)節(jié)的電路，補償電路如圖4.5所示圖4.5補償電路圖從圖4.4的補償電路圖可得:(式 4-2)1 (1 s/ -zi)(1 s/ Z2)GC(S)一s (1 s/ p1)(1 s/5)Ri(Ci C3)z1R2cl z2C2(Ri R3)1p1 p1 R3C2_1p

20、2 =c1c3R2C1 C34.3 PWM控制原理與波形本次課程設(shè)計采用的是PWMf式控制全控型器件IGBT的通斷，主要使用的是脈寬調(diào)制器SG3525r生PW瞰形，在電路設(shè)計時，由于輸出電壓 Ui是20-30V的直流可調(diào)電壓，而輸出是12V的恒定電壓，電路需采用電壓閉環(huán)的方式設(shè)計；于是我考慮到使 用負反饋的思想，通過電路輸出電壓的大小，反饋給脈寬調(diào)制器SG3525脈寬調(diào)制器SG3525通過反饋來的電壓值來產(chǎn)生 PWMfe形，而反饋電壓值的大小決定了 PWMfe形的 脈寬，從而實現(xiàn)IGBT的通斷。PWM1（理波形如圖4.6所示。在電路設(shè)計中，脈寬調(diào)制器 SG3525的正向/&入端1接入載波信號，

21、為三角波； 在其反向輸入端2接入主電路輸出電壓，即為信號波。SG3525!過這2個端口的電壓 值比較產(chǎn)生PWM空制信號，可以設(shè)定好三角波的幅值以及斜率，例如當主電路輸入電 壓為30V時，此時的占空比應該為 0.5;當輸入電壓為20V時，此時的占空比應該為 0.75。而輸出電壓恒定為12V,當輸出電壓高于這個值時，產(chǎn)生的PWMt號脈寬會減小， 從而占空比減小，輸出電壓降低；當輸出電壓低于這個值時，產(chǎn)生的PWMW號脈寬會增加，從而占空比加大，輸出電壓增加，最終維持在15V恒定的水平，達到了設(shè)計的要求。課程設(shè)計總結(jié)通過幾周積極準備和不斷地實驗，翻閱大量的相關(guān)資料，以及在網(wǎng)上不斷的收索 學校，終于完成了本次電力電子課程設(shè)計“ BUCKE換器的研究與設(shè)計”的設(shè)計任務(wù) 在設(shè)計中，遇到了不少困難與問題，但最終在自己的努力和同學的幫助下都一一化解