BUCK變換器的研究與設計

1、摘要當今消費市場中，便攜式電子產品所占比重較大，這種產品要求電池體積小、重量輕、使用時間長。高效、低壓開關dc-dc轉換器，通過提高電源轉換效率及改進控制技術，達到了所需要求，因此被廣泛應用于電子產品中。直流直流交變器（dc-dc converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路為稱斬波電路，他的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，一般是指直接電變?yōu)榱硪恢绷麟姟＿@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱直-

2、交-直電路。本次課程設計主要采用直接直流變流電路，由直流穩(wěn)壓電路、buck斬波電路以及控制電路三個部分完成buck變換器的研究與設計。課程設計任務書學生姓名： 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：1. 直流供電電源設計。2. 降壓斬波主電路設計（包括電路結構形式，全控型器件的選擇）并討論主電路的工作原理。3.脈寬調制電路（如sg3525集成pwm控制器）及驅動電路設計。4. 分析pwm控制原理及波形。5.提供電路圖紙至少一

3、張。課程設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。時間安排：2011.1.142011.1.15 收集資料，確定設計方案2011.1.162011.1.17 系統(tǒng)設計2011.1.182011.1.19 撰寫課程設計論文及答辯指導教師簽名： 年 月 日 目錄引言.4第一章 設計要求與方案.21.1 設計要求.21.2 方案確定.3第二章 直流穩(wěn)壓電源設計.32.1 設計要求.32.2 直流穩(wěn)壓電源原理描述.42.3 設計步驟及電路元件選擇.5第三章 buck變換器設計.53.

4、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)設計11第四章 控制電路設計134.1控制電路原理.134.2電路設計.144.3 pwm控制原理與波形 .15第五章 課程設計總結.17參考文獻.18附圖.19引言 隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，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。伴隨著人們對開關電源的進一步升級，低電壓，大電流和高效率的開關電源成為研究趨勢。開關電源分為ac/dc和dc/

5、dc，其中dc/dc 變換已實現(xiàn)模塊化，其設計技術和生產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與雙極晶體管的復合器件。它既有mosfet易驅動的特點，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與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。所以用buck作

6、為全控型器件的降壓斬波電路就有了igbt易驅動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。buck降壓斬波電路由于易驅動，電壓、電流容量大在電力電子技術應用領域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關電源向低電壓，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：2030v3、輸出電壓：0-15v 4、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，通過驅動電路去控制

7、主電路中電力電子器件的導通或者關斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當控制電路所產生的控制信號能夠足以驅動電力電子開關時就無需驅動電路。根據降壓斬波電路設計任務要求設計穩(wěn)壓電源、buck電路及控制電路，設計出降壓斬波電路的結構框圖如圖1所示。穩(wěn)壓電源輸出電壓uobuck電路 負載控制電路圖1.1降壓斬波電路結構框圖在圖1結構框圖中，buck電路是用來產生降壓斬波電路的，控制電路產生的控制信號傳到buck電路，使信號為加在開關控制端，可以使其開通或關斷。通過控制開關的開通和關斷來控制降壓斬波電路的主電路工作第二章 直流穩(wěn)壓電源的設計2.1設計要求 設計一個輸出電壓在2030v可調的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，將市電

8、(220v/50hz的交流電)經電源變壓器，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路后轉變?yōu)?030v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。電網供給的交流電壓u1(220v,50hz) 經電源變壓器降壓后，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

9、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r2、r4、r3，基準電壓dz、r1 等組成。整個穩(wěn)壓電路是一個具有電壓串聯(lián)負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，其穩(wěn)壓過程為：當電網電壓波動或負載變動引起輸出直流電

10、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，產生的誤差信號經比較放大器放大后送至調整管的基極，使調整管改變其管壓降，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； 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:調整管的選擇 ucemax=ui-uomin=32-20=12v,查表選擇d42c3，為擴大輸出電流范圍，采用d4

11、2c8和d42c3構成的復合管;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/r3 uomin=(r2+r3+r4)*uz/(r3+r4)其中r4為最大阻值為1k

12、o的滑動變阻器，uz=5.18v, uomax=30v,uomin=20v,聯(lián)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 buck變換器設計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q與負載串聯(lián)構成的，其電路如圖3.1。驅動信號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

13、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。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： 開關管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)。在一個開關周期中，變換器有2種開關模態(tài)，其等效電路如圖1.3所示，各開關模態(tài)的工作情況描述如下：（1） 開關模態(tài)0t0t1t0t1對應圖1.3（a)。在t0時刻，開關管q恰好開通，二極管d截止。此時： （式1-1）電感中

14、的電流線性上升，式1-1可寫成： （式1-2）（2） 開關模態(tài)1t1t2t1t2對應圖1.3（b)。在t1時刻，開關管q恰好關斷，二極管d導通。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為開關管q的關斷時間。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)設計3.3.1 buck變換器性能指標輸入電壓：vin=2030v；輸出性能：vout=0-15v； iout=0.

15、11a；開關頻率：fs=30khz。3.3.2 buck變換器主電路設計 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。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12v時，輸出電流為0.1-1a。所以由歐姆定律可得負載電阻值為 ，可得到電路電阻應該在。（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，其值為1a。故需選擇集電極最大連續(xù)電流ic1a，

16、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=1時，其承受最大反壓30v；而當趨近于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，其輸出經過一定的補償后與鋸齒波，即調制波進行交截來控制占空比，從而控制開關管

17、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，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

18、； 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 電路設計（1）確定環(huán)路增益的截止頻率fc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

19、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）其中，4.3 pwm控制原理與波形 本次課程設計采用的是pwm方式控制全控型器件igbt的通斷，主要使用的是脈寬調制器sg3525產生pwm波形，在電路設計時，由于輸出電壓ui是20-30v的直流可調電壓，而輸出是12v的恒定電壓，電路需采用電壓閉

20、環(huán)的方式設計；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，反饋給脈寬調制器sg3525，脈寬調制器sg3525通過反饋來的電壓值來產生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。 在電路設計中，脈寬調制器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生pwm控制信號，可以設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，產生的pwm信號脈寬會減小，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，達到了設計的要求。圖4.6 pwm方式波形圖課程設計總結通的緊張的一周積極準備和不斷地實驗，翻閱大量的相關資料，以及在網上不斷的收索學校，終于完成了本次電力電子課程設計“buck變換器的研究與設計”的設計任務。在設計中，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?？梢哉f本次的課程設計，對自己來說，不僅是一次知識上的擴展，更是意志與信心上的一種鍛煉，學習如何完成一個項目。在選擇題目時