电力电子课程设计_BUCK变换器设计

1、目录引言 2第一章 设计要求与方案.21.1 课程设计要求 .21.2 方案确定.3第二章 直流稳压电源设计 .32.1 设计要求.32.2 直流稳压电源原理描述.42.3 设计步骤及电路元件选择.5第三章 Buck 变换器设计.63.1 Buck 变换器基本工作原理 .63.2 Buck 变换器工作模态分析 .73.3 Buck 变换器参数设计 .103.3.1 Buck 变换器性能指标 .103.3.2 Buck 变换器主电路设计.10第四章 控制电路设计.124.1 直流直流变换器控制系统原理 .124.2 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

2、.1808 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

3、 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

4、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：1014V3、输出电压：5V4、最大输出负载电流：2A5、输出功率：10W1.2 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

5、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 1014V 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1014V 的直流稳定电压。2.2

6、 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

7、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

8、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=12V, 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：

9、稳压二极管 Dz 的选择Uz 小于等于 Uomin=10V,取 Uz=2V，Iz=110mA；4：电阻 R1 的选择UR1=Ui-Uz=16-2=14V,IR1 取 10mA, R1= UR1 / IR1=1.4k,R1 取 1.5k;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/R3Uomin=(R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)其中 R4 为最大阻值为 100 的滑动变阻器，Uz=2V, Uom

10、ax=14V,Uomin=10V,联 立方程，可求得 R2=1400,R3=250;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3.1 Buck 变换器基本工作原理Buck 电路（Buck Chopper），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

11、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-Q AL fCUb Df+R Uo-图 3.1 Buck 变换器电路UbQON QOff0UA0iL

12、0VinttDiLt图 3.2 Buck 变换器的主要工作波形3.2 Buck 变换器工作模态分析在分析 Buck 变换器之前，做出以下假设： 开关管 Q、二极管 D 均为理想器件； 电感、电容均为理想元件；电感电流连续； 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，如下图 3.3 所示。通过电感 L 的电流随时间不断增大，电源 V1 负载 RL 提供功率，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

13、 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 3.3 Q 导通时的电路状态il = òL diLdtV1 - V 2L+ V 2 = V1dt = V1 - V 2Lt + I Lv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：I Lp =V1 - V 2Lt on + I Lv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

14、 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 3.4 Q 关断时电路状态L diLdt- V 2= -V 2- V 2il = òdt =Lt + I LpL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：V 2I Lv =

15、 -Ltoff+ I Lp当电路工作在稳态时，联系上式解得：V1 - V 2 V 2I Lp =ton -LtoffL+ I Lp由以上分析可得，负载电压的平均值为：V 2 =tonton + toffV1 = ton V1 = DV1T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

16、减小而减小。由于占空比 0<D<1，即 V2<V1，输出电压小于输入电压，因此将该电路称 为降压斩波电路。负载电流平均值为：V 2I 0 =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。3.3 Buck 变换器参数设计3.3.1 Buck 变换器性能指标输入电压：Vin=1014V； 输出性能：Vout=5V；Iout=2A；Pout=10W；3.3.2 Buck 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 3.5 BUCK 变换器电路图 主电

17、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=2.5。（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a =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

18、 Ic>2A，反向击穿电压 Bvceo>14V。(4)二极管当a =1 时，其承受最大反压 14V；而当a 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

19、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 = 2I omin = 0.2A 。L = Uo (1 - Dmin ) = 5 ´ (1 - 0.3571) = 321.45m HfmaxDiL min× fs0.2 ´ 50 ´103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

20、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= U o (1 - Dmin ) =f sC8L f 2 DU5 ´ (1 - 0.3571)8 ´ 321.45 ´10-6 ´ (50 ´103 )2 ´ 50 ´10-3= 10m F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 75uF. 则Re=75uF/ Cf=5。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

21、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(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(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-D

22、C 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(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

23、信号。图 4.2 Buck 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(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

24、 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

25、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 4.4 BUCK 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： w =1 ;直流增益： K = R3 ;R1pRC 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；1BUCK 变换主电路滤波电容的串联等效电阻零点角频率： wz 0 = ；ReC f极点角频率： w p 0 = 1/ Lf C f ；此 设 计 中 设 定 VM=4V ， 参 考 电 压 Vref=1.5V ， 穿 越 频 率w = 1 w= 1

26、´ 50kHz = 10kHzc 5 s 5，则有VgADC =VM= 12V4V= 3 ;wz 0 =1ReC f=175uWF= 13.33´103 Hz ；wp 0 = 1 /Lf C f= 1 / 1´10-3´ 25´10-6 Hz = 6.3246 ´103Hz ；w 10 ´103K = c = = 0.527 ；A w 3´ 6.3246 ´103DC p 0计算网络参数：设定流过 R2 的电流为 1mA，则VR = ref2 1mA= 1.5V1mA= 1500W ;U -VR = o

27、ref1 1mA= 5V -1.5V1mA= 3500W ;R3 = KR1 = 0.527 ´ 3500 = 1844.5W ，取 1900;C = 1KR1wz 0= 10.527 ´1500 ´13.33 ´103= 0.0949m F ，取 1uF;用以上参数放进模型仿真时发现流过 R2 的电流为 1mA，而流过 R1 的电流超过了 2mA，而且由于在设定电压分压电阻时取值较大，致使输出电压偏差加大。 为减小流过 R1 和 R2 电流偏差产生的影响，将流过 R2 的电流重新设定为为 10mA， 则得到 R2=150，R1=350，重新代入模型符合要求。脉冲调制（PWM）工作 波形如图 4.5 所示。图 4.6 和图 4.7 分别为直流输入最低电压和最高电压时 BUCK 变换器输出电压和电流的情况。图 4.5 脉冲调制（PWM）工作波形图 4.6 直流输入最低电压 10V 时 BUCK 变换器的输出电压和电流图 4.7 直流输入最高电压 14V 时 BUCK 变换器的输出电压和电流第五章