BUCK變換器的研究與設(shè)計DOC

1、本科生課程論文（設(shè)計）BUCK變換器的研究與設(shè)計 專 業(yè)電氣信息及其自動化班 級電信四班 學(xué) 生 姓 名 王建 許程張賢芃 王波 唐浩 聯(lián) 系 方 式 2013年 6 月 課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)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(fù)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SG3525集成PWM控制器）及驅(qū)動電路設(shè)計。4. 分析PWM

2、控制原理及波形。5.提供電路圖紙至少一張。課程設(shè)計說明書應(yīng)嚴(yán)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。 2013 年 6 月 引言3第一章 設(shè)計要求41.1 課程設(shè)計要求41.2 方案確定4第二章 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計52.1設(shè)計要求52.2直流穩(wěn)壓電源原理描述52.3設(shè)計步驟及電路元件選擇7第三章 Buck變換器設(shè)計83.1 Buck變換器基本工作原理83.2 Buck變換器工作模態(tài)分析93.3 Buck變換器參數(shù)設(shè)計113.3.1 Buck變換器性能指標(biāo)113.3.2 Buck變換器主電

3、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(xiàn)16附圖16引言 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)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(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對開關(guān)電源的進(jìn)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，其設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)工藝已相對成熟和標(biāo)準(zhǔn)化。DC/DC變換是將固定的直流電壓變

4、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(jī)或帶蓄電池負(fù)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與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET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(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用BUCK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(diǎn)。BUCK降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流

5、容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)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(jìn)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：0-15V 4、輸出負(fù)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(yīng)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(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)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

6、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。穩(wěn)壓電源輸出電壓UoBUCK電路 負(fù)載控制電路圖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，穩(wěn)壓電路后轉(zhuǎn)變?yōu)?030V的直流穩(wěn)定電壓。2.2直

7、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(jī)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 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，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UI。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電

8、壓的波動或負(fù)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(fù)合管）；比較放大器（集成運(yùn)放A）；取樣電路R2、R4、R3，基準(zhǔn)電壓DZ、R1 等組成。整個穩(wěn)壓電路是一個具有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，其穩(wěn)壓過程為：當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)比較放大器放大后送

9、至調(diào)整管的基極，使調(diào)整管改變其管壓降，以補(bǔ)償輸出電壓的變化，從而達(dá)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(jìn)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,Uce>Uces=12V,取Uces=2V,所以Ui=Uomax+Uces=32V;2:調(diào)整管的選擇 Ucemax=Ui-Uomin=32-20=12V,查表選擇D42C3，為擴(kuò)大輸出電流范圍，采用D42C8和D42C3構(gòu)成的復(fù)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

10、.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(yùn)放的選擇 因為本電路對集成運(yùn)放要求不高，所以選用通用型集成運(yùn)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/R3 Uomin=(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=20V,聯(lián)立方程，可求得R2=264o

11、hm,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 URm>1.1*1.414*U2=1.1*1.414*14=38V,查表選用1B4B42第三章 Buck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(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖3.1。驅(qū)動信號ub周期地控制功率晶體管Q的導(dǎo)通與截止，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，若忽略其飽和壓降，輸出電壓uo等于輸入電壓；當(dāng)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

12、工作波形如圖3.2。圖3.1 Buck變換器電路圖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(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時，可以認(rèn)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)，其等效電路如圖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(yīng)圖1.3（a)。在t0時刻，開關(guān)管Q恰好開通，二極管D截止。此時： （式1-1）電感中的電流線性上升，式1-1可寫成： （式1-2）（2） 開關(guān)模態(tài)1t1t2t1t2對應(yīng)圖1.3（b)

13、。在t1時刻，開關(guān)管Q恰好關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通。此時： （式1-3）電感中的電流線性下降，式1-3可寫成： （式1-4）式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時間。在穩(wěn)態(tài)時，聯(lián)解式1-2與式1-4可得： （式1-5）輸出電流平均值： （式1-6） 圖3.3(a) t0t1 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 Buck變換器性能指標(biāo)輸入電壓：Vin=2030V；輸出性能：Vout=0-15V； Iout=0.11A；開關(guān)頻率：fs=30KHz。 Buck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

14、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(dāng)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(fù)載電阻值為 ，可得到電路電阻應(yīng)該在。（3) IGBT由圖6易知當(dāng)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(dāng)=1時，IGBT有最大電流，其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流Ic>1A，反向擊穿電壓Bvceo>30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以滿足這個要求。(4)二極管當(dāng)=1時

15、，其承受最大反壓30V；而當(dāng)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(fù)雜的，在此對電感不予計算，認(rèn)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(dá)到所要求的性能指標(biāo)，需要對變化器進(jìn)行閉環(huán)控制。其工作原理為：輸出電壓采樣與電壓基準(zhǔn)送到誤差放大器，其輸出經(jīng)過一定的補(bǔ)償后與鋸齒波，即調(diào)制波進(jìn)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(fù)載擾動的能力。圖4.1為閉環(huán)控制電路的基本

16、原理圖。圖4.1 Buck電路閉環(huán)控制基本原理圖為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，為了進(jìn)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(bǔ)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，其環(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

17、的截止頻率fc為了使系統(tǒng)響應(yīng)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： 若參考電壓Vref=5V，則H(s)=5/24；又取Vm=2.4V，那么：（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(bǔ)償電路提供積分環(huán)節(jié)，這樣提高了系統(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(bǔ)償電路增加2個極點(diǎn)，一個用來消除ESR所引起的零點(diǎn)的影響，另一個用來使高頻段以-40dB/Dec的斜率

18、衰減。（4）環(huán)路增益要有足夠的相角裕度通過補(bǔ)償電路增加2個零點(diǎn)，對二階震蕩環(huán)節(jié)的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得足夠的相角裕度。綜上所述，補(bǔ)償電路采用雙零雙極和積分環(huán)節(jié)的電路，補(bǔ)償電路如圖4.5所示圖4.5 補(bǔ)償電路圖從圖4.4的補(bǔ)償電路圖可得： （式4-2）其中，4.3 PWM控制原理與波形 本次課程設(shè)計采用的是PWM方式控制全控型器件IGBT的通斷，主要使用的是脈寬調(diào)制器SG3525產(chǎn)生PWM波形，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(fù)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

19、調(diào)制器SG3525通過反饋來的電壓值來產(chǎn)生PWM波形，而反饋電壓值的大小決定了PWM波形的脈寬，從而實現(xiàn)IGBT的通斷。PWM原理波形如圖4.6所示。 在電路設(shè)計中，脈寬調(diào)制器SG3525的正向輸入端1接入載波信號，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通過這2個端口的電壓值比較產(chǎn)生PWM控制信號，可以設(shè)定好三角波的幅值以及斜率，例如當(dāng)主電路輸入電壓為30V時，此時的占空比應(yīng)該為0.5；當(dāng)輸入電壓為20V時，此時的占空比應(yīng)該為0.75。而輸出電壓恒定為12V，當(dāng)輸出電壓高于這個值時，產(chǎn)生的PWM信號脈寬會減小，從而占空比減小，輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓低于這個值時，產(chǎn)生的PWM信號脈寬會增加，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(dá)到了設(shè)計的要求。圖4.6 PWM方式波形圖課程設(shè)計總結(jié)通過幾周積極準(zhǔn)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(xué)校，終于完成了本次電力電子課程設(shè)計“BUCK變換器的研究與設(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(xué)的幫助下都一一化解?？梢哉f本次的課程設(shè)計，對我們來說，不僅是一次知識上的擴(kuò)展，更是意志與信心上的一種鍛煉，學(xué)習(xí)如何完成