電力電子課程設計BUCK變換器設計

目錄引言2第一章 設計要求與方案..211課程設計要求..212方案確定..3第二章 直流穩(wěn)壓電源設計..321設計要求..322直流穩(wěn)壓電源原理描述..423設計步驟及電路元件選擇..5第三章 Buk變換器設計..631Buk變換器基本工作原理.632Buk變換器工作模態(tài)分析.733 Buk變換器參數(shù)設計..10331Buk變換器性能指標..10332Buk變換器主電路設計.10第四章 控制電路設計..1241直流—直流變換器控制系統(tǒng)原理..1242控制電路設計..14第五章課程設計總結(jié)..17參考文獻..18附設計全圖..1808電氣一班潘維200830151402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備的種類也越來越多電子設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ACDC和DCDC，其中DCDC變換已實現(xiàn)模塊化其設計技術(shù)和生產(chǎn)工藝已相對成熟和標準化。DCDC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BCK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MOT與雙極晶體管的復合器件。它既有OFT易驅(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OST與功率晶體管之間，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BCK作為全控型器件的降壓斬波電路就有了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。第一章設計要求與方案1.1課程設計要求1、采用降壓斬波主電路2、輸入直流電壓：10~14V3、輸出電壓：5V4、最大輸出負載電流：2A5、輸出功率：10W1.2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)降壓斬波電路設計任務要求設計穩(wěn)壓電源BCK電路及控制電路設計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖11降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中BCK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BCK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)壓電源設計2.1設計要求設計一個輸出電壓在10~14V可調(diào)的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，將市電(22050H)的交流電)經(jīng)電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路后轉(zhuǎn)變?yōu)?0~14V的直流穩(wěn)定電壓。2.2直流穩(wěn)壓電源原理描述電子設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21直流穩(wěn)壓電源框圖圖22單向橋式整流電路圖23電容濾波電路圖24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21所示電網(wǎng)供給的交流電壓1(22050H)經(jīng)電源變壓器降壓后得到符合電路需要的交流電壓2，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222324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；取樣電路R2、R4、R3，基準電壓D、R1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)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設計步驟及電路元件選擇設計過程采用模塊化進行先依次設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如下圖25所示：圖25直流穩(wěn)壓電源電路電路元件選擇：1：i的確定=U+U,因為 Uoa=14,c>Uce=1~2,取 Uce=2,所以=Uoa+Uce=162調(diào)整管的選擇cea=i-oi=1610=6，承受反向電壓應大于6V;3：穩(wěn)壓二極管Dz的選擇z小于等于oi=10,取U=2V，I=1~10A；4：電阻R1的選擇U1=i-U=162=14I1取10m,R1=U1/I1=14kΩR1取15kΩ;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取1000uf的電解電容；7：取樣環(huán)節(jié)的電阻R2，R3，R4的確定oa=(R2+R3+R4)UzR3oi=(R2+R3+R4)U(R3+R4)其中R4為最大阻值為100Ω的滑動變阻器，=2,oa=14,Uoi=10聯(lián)立方程，可求得R2=1400ΩR3250Ω;8：2及變壓器的確定對于全波整流電路U=122,所以2=12=1333V2201333=165，故選用變比為15：1的變壓器；9：整流二極管的選擇選擇理想整流器。第三章Buck變換器設計3.1Bck變換器基本工作原理Buk電路（BukCoppr，即降壓斬波電路，屬直流斬波電路的一種，和升壓斬波電路構(gòu)成直流斬波電路最基本的兩種電路直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變換器。降壓斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。如下圖31所示電路中使用一個全控型開關(guān)器件Q開關(guān)管Q由開關(guān)脈沖信號驅(qū)動，脈沖信號來自脈沖信號控制電路，脈沖信號的周期T保持不變，而脈沖寬度ton可改變，這樣便可以調(diào)節(jié)導通的占空比，進而改變輸出電壓。為了在開關(guān)管關(guān)斷時給負載中的電感電流提供通道設置了續(xù)流二極管D當晶體管導通時，若忽略其飽和壓降，輸出電壓O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32。+Vin-

Q ALfCUb DCf

+RUo-圖31Buk變換器電路UbQONQOff0U0L0

Vin

ttiLt圖32Buk變換器的主要工作波形3.2Bck變換器工作模態(tài)分析在分析Buk變換器之前，做出以下假設：①開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；②電感、電容均為理想元件；③電感電流連續(xù)；④當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，可以認為輸出電壓為常數(shù)。當輸入脈沖為高電平，即在ton時段內(nèi)，Q導通，此時二極管D反偏截，如下圖如下圖33所示通過電感L的電流隨時間不斷增大電源1負載RL提供功率，同時對電容C充電。在電感L上將產(chǎn)生極性為左正右負的感應電動勢，儲存磁場能量。假設儲能電感L足夠大，其時間常數(shù)遠大于開關(guān)的周期，流過儲能電感的電流IL可近似認為是線性的，并設開關(guān)OS管Q1及續(xù)流二極管都具有理想的開關(guān)特性，它們正向降壓都可以忽略。圖33Q導通時的電路狀態(tài)il

LdiLdtV1V2L

V2V1dtV1V2L

tILv式中起始值Iv是Q導通前流過L的電流。當=ton時，Q截止，L中的電流達到最大值IP：ILp

V1V2L

tnILv當輸入脈沖為低電平，即在of時段內(nèi)，Q1截止，電路相當于Q1斷開，如下圖34所示。此時，由電感L中的電流將減小，為了阻止電流I0的減小，在其上將產(chǎn)生極性為左負右正的感應電動勢，這時二極管D正偏導通，為電感電流提供通路。電感將釋放磁能，一方面繼續(xù)給負載RL供電，另一方面對電容C充電把一部分磁能轉(zhuǎn)化為電容中的電場能當電感電流下降到某一較小的數(shù)值時，電容C開始對負載放電，以維持負載所需的電流。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期內(nèi)的初值與終值為相等的。圖34Q關(guān)斷時電路狀態(tài)LdiLdtV2

V2V2il

dtL

tILpL式中起始值IP為Q截止前流過L的電流。=tof時，Q截止，L中的電流下降到最小值IV：V2ILvL

tff

ILp當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，聯(lián)系上式解得：V1V2 V2ILp

tnL

tffL

ILp由以上分析可得，負載電壓的平均值為：V2

ttntff

V1tnV1V1T上式中，ton為Q處于導通狀態(tài)的時間，tof為Q處于斷開狀態(tài)的時間；T為開關(guān)周期，即T=ton+tof；D為導通占空比，即D=toT；1為電源電壓。由該公式可知負載電壓的平均值2的大小由導通占空比和電源電壓決定在電源電壓不變的情況下其大小可由調(diào)節(jié)占空比來改變且隨著占空比的增大而增大，隨著占空比的減小而減小。由于占空比0<D<1，即2<1，輸出電壓小于輸入電壓，因此將該電路稱為降壓斬波電路。負載電流平均值為：V2I0RL上式中，RL為負載電阻。若負載中的L的值較小，則在Q關(guān)斷后，可會出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。為了保證電流連續(xù)，要求串接的電感L值足夠大。3.3 Bck變換器參數(shù)設計3.3.1Bck變換器性能指標輸入電壓：i=10~14；輸出性能：u=5；Iou=2；u=10W；3.3.2Bck變換器主電路設計設計的BCK變換器電路圖如下圖35所示：圖35BCK變換器電路圖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容、電阻值的確定其參數(shù)確定過程如下本設計過程中設定工作頻率為50kH壓波紋小于50mV。(1）電源因為題目要求輸入電壓為014V，且連續(xù)可調(diào)。其直流穩(wěn)壓電源模塊的設計已在前面完成。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5V時輸出電流為2A可得到負載電阻為R=oIo=25Ω。（3)IGBT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14；而當=1時，IGBT有最大電流，其值為2A。故需設置IGBT的集電極最大連續(xù)電流Ic>2，反向擊穿電壓Bvce>14。(4)二極管當=1時，其承受最大反壓14；而當趨近于1時，其承受最大電流趨近于2，故需設置二極管額定電壓大于14，額定電流大于2A。(5)占空比根據(jù)uk變換器的性能指標要求及uk變換器輸入輸出電壓之的系出空的化圍：mx/mn5/10.5;mno/mx514.351;(6)波感f變器載工在流續(xù)為保一輸出電壓，占空比大減小，也就說開關(guān)管導時間很短果這個時間于關(guān)的儲間最控時之換的將現(xiàn)失控或輸出紋波加，因此希望換器工作電感電流連狀。所以，以定小出流omn0.1A作電臨連電來電感即imn=2Iomn=.2A。L Uo1n)51)5Hx

Ln

fs

203經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)這數(shù)值濾波效果還不是很明顯，且由mx，取1000u。(6)波容f在關(guān)換中波容常根輸壓紋要選取。設定該uk換的出壓波求utpp50。Cx

Uo1in)fs C8Lf2fs C

510.357)8321.4510650103)250103

10F由mx，取25uF。濾波電容存在串聯(lián)等效電阻Re，其與電容乘積是一常數(shù)，取為75uΩ.則Re=75uΩ/5。第四章控制電路設計4.1直流—直流變換器控制系統(tǒng)原理典型的直流直流變換器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖41所示系統(tǒng)的核心部分為DCDC變換器，同時包含了控制用的負反饋回路。在負反饋回路中，輸出電壓()經(jīng)采樣后與給定的參考電壓ef相比較，所得偏差送補償放大環(huán)節(jié)，再經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制得到一系列控制用的脈沖序列δ()通過驅(qū)動器將脈沖放大，控制DCDC變換器中功率開關(guān)器件的導通與關(guān)斷?？刂戚斎雂()代表開關(guān)器件在一個周期內(nèi)的導通占空比，是脈沖序列δ()的參數(shù)，改變d()即可調(diào)節(jié)變換器的輸出電壓(t)，d(t)也稱為控制量。當輸入電壓或負載發(fā)生變化，或系統(tǒng)受到其他因素干擾使輸出電壓發(fā)生波動時，通過負反饋回路可以調(diào)節(jié)DCDC變換器中開關(guān)器件在一個開關(guān)周期內(nèi)的導通時間，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖41直流直流變換器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖以圖42所示的Buk型開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)是對圖41所示直流-直流變換器控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)圖42中采用Buk型變換器作為DCDC變換器，Vg代表整流濾波后得到的直流輸入電壓。輸出電壓采樣環(huán)節(jié)由分壓電路實現(xiàn)。運放1及阻抗1、2共同組成比較和補償放大環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的控制信號()輸入給脈沖調(diào)制環(huán)節(jié)W，M產(chǎn)生的脈沖序列δ(t)經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后作為Buk型變換器中功率開關(guān)器件OST的柵極驅(qū)動信號。圖42Buk型開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)原理圖WM環(huán)節(jié)的一種實現(xiàn)方式如圖43(a)所示利用比較器2將控制信號c()與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波時鐘信號相比較其輸出為周期不變脈沖寬度即占空比d()受c()調(diào)制的一系列脈沖信號δ()具體工作過程如圖43()所示在每個開關(guān)周期內(nèi)，當c()大于鋸齒波時鐘信號時，輸出脈沖為高電平，開關(guān)元件導通；當時鐘信號上升大于c()時輸出脈沖為低電平開關(guān)元件截止直到下一周期開始再次輸出高電平可見輸出脈沖的周期與鋸齒波的周期相同占空比d()由c()決定，進而決定了開關(guān)器件的導通時間。圖43脈沖調(diào)制（PM）環(huán)節(jié)（a）WM環(huán)節(jié)工作波形 （）脈沖調(diào)制工作原理當輸入電壓或負載發(fā)生變化或系統(tǒng)受到其他因素的干擾使輸出電壓發(fā)生波動時，圖42所示Buk型開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)可以通過負反饋回路調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導通占空比()使輸出電壓穩(wěn)定比如當輸入電壓Vg上升時輸出電壓c()也隨之上升，采樣電壓上升，c()下降，則M輸出脈沖的占空比d()減小，OST在一周期內(nèi)的導通時間縮短，使v()減小，達到了穩(wěn)壓的目的。4.2控制電路設計根據(jù)電路設計要求此設計需要利用負反饋達到穩(wěn)定電壓的要求為此采用了串聯(lián)電壓分壓負反饋的方法設計出如下圖44所示的BCK變換器控制電路。其中包含了分壓采樣環(huán)節(jié)、補償放大環(huán)節(jié)、脈沖調(diào)制環(huán)節(jié)和驅(qū)動環(huán)節(jié)。圖44BCK變換器控制電路3在上圖控制補償網(wǎng)絡中，極點角頻率公式： 1;3直流增益：K3;1

p RCg又直流增益：CM

M

為WM鋸齒波的幅值g

為輸入直流電壓平均值；1BUCK變換主電路濾波電容的串聯(lián)等效電阻零點角頻率：z0 ；eCf極點角頻率：p01/

LfCf；此設計中設定 V=4V，參考電壓 Ve=15V，穿越頻率1

10z0zc 5s 5

，則有g(shù)CM

VV

3;z0

1eCf

17uF

13.33103z；p01/

LfCf

1/03

50

6z63

z； 003K c .7；A 3.603Cp0計算網(wǎng)絡參數(shù)：設定流過R2的電流為1m，則VR f2 A

VA

;UVR o f1 A

VVA

;3K1.70.，取1900Ω;C 1z0

170303

9F，取1u;用以上參數(shù)放進模型仿真時發(fā)現(xiàn)流過R2的電流為1m而流過R1的電流超過了2m而且由于在設定電壓分壓電阻時取值較大致使輸出電壓偏差加大。為減小流過R1和R2電流偏差產(chǎn)生的影響將流過R2的電流重新設定為為10mA，則得到R2=150Ω，R1=30Ω，重新代入模型符合要求。脈沖調(diào)制（P）工作波形如圖45所示圖46和圖47分別為直流輸入最低電壓和最高電壓時BCK變換器輸出電壓和電流的情況。圖45脈沖調(diào)制（PM）工作波形圖46直流輸入最低電壓10V時BCK變換器的輸出電壓和電流圖47直流輸入最高電壓14V時BCK變換器的輸出電壓和電流第五章課程設計總結(jié)通過緊張的一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計關(guān)于BUCK變換器的設計任務在設計中遇到了不少