BUCK变换器的研究与设计(DOC)

1、&许昌学命XUCHANG UNIVERSITY本科生课程论文（设计）BUC峻换器的研究与设计专业电气信息及其自动化班级电信四班学生姓名 王建 许程 张贤范 王波 唐浩联 系方式 156172333212013年 6 月课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位： 题目：BUCK变换器的研究与设计初始条件：输入电压：2030V,输出电压：0-15V,输出负载电流：0.11A,工作频率：30KHz , 采用降压斩波主电路。要求完成的主要任务：1 .直流供电电源设计。2 .降压斩波主电路设计（包括电路结构形式，全控型器件的选择）并讨论主电 路的工作原理。3 .脉宽调制电路（如SG352

2、5集成PWM6制器）及驱动电路设计。4 .分析PW雌制原理及波形。5 .提供电路图纸至少一张。课程设计说明书应严格按统一格式打印， 资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。2013 年6 月弓I言4第一章设计要求51.1 课程设计要求51.2 方案确定5第二章 直流稳压电源的设计 62.1 设计要求62.2 直流稳压电源原理描述 62.3 设计步骤及电路元件选择 7第三章 Buck变换器设计93.1 Buck变换器基本工作原理 93.2 Buck变换器工作模态分析 93.3 Buck变换器参数设计113.

3、3.1 Buck变换器性能指标 113.3.2 Buck变换器主电路设计 11第四章控制电路设计124.1 控制电路原理124.2 电路设计134.3 PWM控制原理与波形 14课程设计总结15参考文献16附图17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，具

4、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双极晶体管的复 合器件。它既有MOSFET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

5、 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：2030V3、输出电压：0-15V4、输出负载电流：0.11A5、工作频率：30KHz1.2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

6、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 直流稳压电源的设计2.1 设计要求设计一个输出电压在2030V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，

7、稳压电路后转变为 2030V的直流稳定 电压。2.2 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Q调整环节TJ1门-I 卜 REF & ! 2:K；一鱼准环节取好节 鬲口R 输出直流电压（稳定）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,

8、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U。但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 R、R、R3,基准电压DZ、R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，

9、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；电路元件选择:1: Ui的确定Ui=Uo+Uce, 因为 Uomax=30V,UceUces=12V,取 Uces=2V,所以 Ui=Uomax+Uces=32V;2:调整管的选择Ucemax=Ui-Uomin=32

10、-20=12V,查表选择 D42C3为扩大输出电流范围，采用 D42C部口 D42C3勾成的复合管;3:稳压二极管Dz的选择Uz小于等于Uomin=20V所在选用ZPD5.1稳压管，参数为Uz=5.18V,Iz=110mA;4:电阻R1的选择UR1=Ui-Uz=32-5=27V,IR1 取 10mA, R1= UR1 / IR1=2.7k,R1 取 2k;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选用470uf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=(

11、R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)其中R4为最大阻值为1Ko的滑动变阻器，Uz=5.18V, Uomax=30V,Uomin=20邨立 方程，可求得 R2=264ohm,R3=666ohm;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=25V,所发选用变比为10: 1的 变压器，再通过电阻分压后得到14V电压；9:整流二极管的选择URm1.1*1.414*U2=1.1*1.414*14=38V, 查表选用 1B4B42第三章uck变换器设计3.1 Buck变换器基本工作原理Buck电路是由一个功率晶体管开关 Q与负载串联构成的，具电路如图3.1。驱动

12、 信号ub周期地控制功率晶体管 Q的导通与截止，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。+R Uo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在一个开关周期中，变换器有 2种开关模态，具等效电路如图1.3所示，各开关 模态的工作情况描述如下：(1)开关模态0t0t1t0t1对应图1.3 (a)。在t0时刻，开

13、关管Q恰好开通，二极管D截止。此时:di（式 1-1）电感中的电流线性上升，式1-1可写成:-Uo不 ion 二 LToni omax - i ominU i - Uo = LTon(2)开关模态1t1t2t1t2对应图1.3 (b)。在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。止匕时:（式 1-3）0 - Uo=Ldt电感中的电流线性下降，式1-3可写成:Uoi L 1 omin一 T-i i if.omaxomax omin二 L offToffioff二 LToff式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，式1-4可得：嘲=告,联解式1-2与Uo =DUi（式 1-5）输出电流平均值:

14、1 ,Io =-（iomax . iomin）（式 1-6）QAVin图 3.3(a) t0t1QAOUANQ图 3.3(b) t1t2图33(a) t1t2的主要工作波形图3.3(b) t1t2的主要工作波形3.3 Buck变换器参数设计3.3.1uck变换器性能指标输入电压：Vin=2030V;输出性能：Vout=0-15V;Iout=0.11A开关频率：fs=30KHz。3.3.2uck变换器主电路设计主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定过程如下。(1)电源因为题目要求输入电压为20-30V,且连续可调。其直流稳压电源模块的设计已在前面

15、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12V时，输出电流为0.1-1A。所以由欧姆定律可得负载U 0 - EmR 二Id电阻值为，可得到电路电阻应该在12120C。(3) IGBT由图6易知当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30V;而当=1时，IGBT有最大电流，具值为1A。故需选择集电极最 大连续电流Ic1A,反向击穿电压Bvceo30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都 可以满足这个要求。(4)二极管当口 =1时，其承受最大反压30V;而当a趋近于1时，其承受最大电流趋 近于1A,故需选择额定电压大于30V,额定电流大于1A的

16、二极管。(5)主电路的设计除了要选择IGBT和二极管，还需要确定电感的参数，但 电感参数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值 L很大。第四章控制电路设计4.1控制电路原理为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标，需要对变化器进行闭环控 制。其工作原理为：输出电压采样与电压基准送到误差放大器，具输出经过一定的补 偿后与锯齿波，即调制波进行交截来控制占空比，从而控制开关管Q的通断，控制输出电压的稳定，同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。图4.1为闭环控制电路的基本原理图。图4.1 Buck电路闭环控制基本原理图V ref (s)i load(S)环路增益：T(s尸H(s

17、)Gc(s)Gvd(s)/Vm为了实现闭环控制，为了进一步研究参数对闭环控制的影响， 建立PWM型DC/DC 变换器的小信号模型，如图4.2所示。Gc(s)为补偿器的传递函数，Gvd(s)为低通滤波器 的传递函数，Vm为载波信号的峰峰值。从小信号模型分析，其环路增益 T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm。要到到闭环控制的目的，具环路增益T(s)要满足一定的条件： 环路增益在低频段要有高增益，呈现积分特性，使系统成为误差系统; 环路增益在中频段要提供足够的相角裕度，使系统稳定;环路增益在高频段要具有-40dB/Dec的斜率，以抑制高频干扰4.2 电路设计(1)确定环路增益的截止频率fc

18、为了使系统响应速度较快，那么fc越大越好；为了抑制开关频率出的干扰，fc取 的越小越好。因此，fc要这种考虑。通常取 fc=(1/41/6)fs。这里取fc=1/5fs=40KHz。由 |Gvd(40KHz)|=0.212 得：|Gc(fc)H(fJ|/Vm =1/|Gvd(fJ =1/0.212 = 4.717若参考电压 Vref=5V,则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)环路增益低频段要有高增益由Gvd(s)的幅频特性曲线可知，在低频段增益较低，因此要通过补偿电路提供积分 环节，这

19、样提高了系统的型别，使系统成为误差系统。(3)环路增益高频迅速衰减通过补偿电路增加2个极点，一个用来消除ESR所引起的零点的影响，另一个用 来使高频段以-40dB/Dec的斜率衰减。(4)环路增益要有足够的相角裕度通过补偿电路增加2个零点，对二阶震荡环节的相位进行补偿， 从而获得足够的相 角裕度。综上所述，补偿电路采用双零双极和积分环节的电路，补偿电路如图4.5所示图4.5补偿电路图从图4.4的补偿电路图可得:(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控制原理与波形本次课程设计采用的是PWMf式控制全控型器件IGBT的通断，主要使用的是脉宽调制器SG3525r生PW瞰形，在电路设计时，由于输出电压 Ui是20-30V的直流可调电压，而输出是12V的恒定电压，电路需采用电压闭环的方式设计；于是我考虑到使 用负反馈的思想，通过电路输出电压的大小，反馈给脉宽调制器SG3525脉宽调制器SG3525通过反馈来的电压值来产生 PWMfe形，而反馈电压值的大小决定了 PWMfe形的 脉宽，从而实现IGBT的通断。PWM1（理波形如图4.6所示。在电路设计中，脉宽调制器 SG3525的正向/&入端1接入载波信号，

21、为三角波； 在其反向输入端2接入主电路输出电压，即为信号波。SG3525!过这2个端口的电压 值比较产生PWM空制信号，可以设定好三角波的幅值以及斜率，例如当主电路输入电 压为30V时，此时的占空比应该为 0.5;当输入电压为20V时，此时的占空比应该为 0.75。而输出电压恒定为12V,当输出电压高于这个值时，产生的PWMt号脉宽会减小， 从而占空比减小，输出电压降低；当输出电压低于这个值时，产生的PWMW号脉宽会增加，从而占空比加大，输出电压增加，最终维持在15V恒定的水平，达到了设计的要求。课程设计总结通过几周积极准备和不断地实验，翻阅大量的相关资料，以及在网上不断的收索 学校，终于完成了本次电力电子课程设计“ BUCKE换器的研究与设计”的设计任务 在设计中，遇到了不少困难与问题，但最终在自己的努力和同学的帮助下都一一化解