电力电子课程设计BUCK变换器设计

目录引言2第一章 设计要求与方案..211课程设计要求..212方案确定..3第二章 直流稳压电源设计..321设计要求..322直流稳压电源原理描述..423设计步骤及电路元件选择..5第三章 Buk变换器设计..631Buk变换器基本工作原理.632Buk变换器工作模态分析.733 Buk变换器参数设计..10331Buk变换器性能指标..10332Buk变换器主电路设计.10第四章 控制电路设计..1241直流—直流变换器控制系统原理..1242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..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ACDC和DCDC，其中DCDC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。DCDC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BCK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MOT与双极晶体管的复合器件。它既有OFT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OST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BCK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：10~14V3、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。根据降压斩波电路设计任务要求设计稳压电源BCK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11降压斩波电路结构框图在图1结构框图中BCK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BCK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10~14V可调的串联型直流稳压电源，将市电(22050H)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10~14V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21直流稳压电源框图图22单向桥式整流电路图23电容滤波电路图24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21所示电网供给的交流电压1(22050H)经电源变压器降压后得到符合电路需要的交流电压2，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222324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；取样电路R2、R4、R3，基准电压D、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25所示：图25直流稳压电源电路电路元件选择：1：i的确定=U+U,因为 Uoa=14,c>Uce=1~2,取 Uce=2,所以=Uoa+Uce=162调整管的选择cea=i-oi=1610=6，承受反向电压应大于6V;3：稳压二极管Dz的选择z小于等于oi=10,取U=2V，I=1~10A；4：电阻R1的选择U1=i-U=162=14I1取10m,R1=U1/I1=14kΩR1取15kΩ;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oa=(R2+R3+R4)UzR3oi=(R2+R3+R4)U(R3+R4)其中R4为最大阻值为100Ω的滑动变阻器，=2,oa=14,Uoi=10联立方程，可求得R2=1400ΩR3250Ω;8：2及变压器的确定对于全波整流电路U=122,所以2=12=1333V2201333=165，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3.1Bck变换器基本工作原理Buk电路（BukCoppr，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途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。如下图31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O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32。+Vin-

Q ALfCUb DCf

+RUo-图31Buk变换器电路UbQONQOff0U0L0

Vin

ttiLt图32Buk变换器的主要工作波形3.2Bck变换器工作模态分析在分析Buk变换器之前，做出以下假设：①开关管Q、二极管D均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；③电感电流连续；④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，如下图如下图33所示通过电感L的电流随时间不断增大电源1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IL可近似认为是线性的，并设开关OS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33Q导通时的电路状态il

LdiLdtV1V2L

V2V1dtV1V2L

tILv式中起始值Iv是Q导通前流过L的电流。当=ton时，Q截止，L中的电流达到最大值IP：ILp

V1V2L

tnILv当输入脉冲为低电平，即在of时段内，Q1截止，电路相当于Q1断开，如下图34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34Q关断时电路状态LdiLdtV2

V2V2il

dtL

tILpL式中起始值IP为Q截止前流过L的电流。=tof时，Q截止，L中的电流下降到最小值IV：V2ILvL

tff

ILp当电路工作在稳态时，联系上式解得：V1V2 V2ILp

tnL

tffL

ILp由以上分析可得，负载电压的平均值为：V2

ttntff

V1tnV1V1T上式中，ton为Q处于导通状态的时间，tof为Q处于断开状态的时间；T为开关周期，即T=ton+tof；D为导通占空比，即D=toT；1为电源电压。由该公式可知负载电压的平均值2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，随着占空比的减小而减小。由于占空比0<D<1，即2<1，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：V2I0RL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 Bck变换器参数设计3.3.1Bck变换器性能指标输入电压：i=10~14；输出性能：u=5；Iou=2；u=10W；3.3.2Bck变换器主电路设计设计的BCK变换器电路图如下图35所示：图35BCK变换器电路图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50kH压波纹小于50mV。(1）电源因为题目要求输入电压为014V，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R=oIo=25Ω。（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14；而当=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Ic>2，反向击穿电压Bvce>14。(4)二极管当=1时，其承受最大反压14；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于2，故需设置二极管额定电压大于14，额定电流大于2A。(5)占空比根据uk变换器的性能指标要求及uk变换器输入输出电压之的系出空的化围：mx/mn5/10.5;mno/mx514.351;(6)波感f变器载工在流续为保一输出电压，占空比大减小，也就说开关管导时间很短果这个时间于关的储间最控时之换的将现失控或输出纹波加，因此希望换器工作电感电流连状。所以，以定小出流omn0.1A作电临连电来电感即imn=2Iomn=.2A。L Uo1n)51)5Hx

Ln

fs

203经过调试发现这数值滤波效果还不是很明显，且由mx，取1000u。(6)波容f在关换中波容常根输压纹要选取。设定该uk换的出压波求utpp50。Cx

Uo1in)fs C8Lf2fs C

510.357)8321.4510650103)250103

10F由mx，取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75uΩ.则Re=75uΩ/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统的结构原理图如图41所示系统的核心部分为DCDC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()经采样后与给定的参考电压ef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δ()通过驱动器将脉冲放大，控制DCDC变换器中功率开关器件的导通与关断。控制输入d()代表开关器件在一个周期内的导通占空比，是脉冲序列δ()的参数，改变d()即可调节变换器的输出电压(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DCDC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41直流直流变换器控制系统的结构原理图以图42所示的Buk型开关调压系统为例，该系统是对图41所示直流-直流变换器控制系统的具体实现图42中采用Buk型变换器作为DCDC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1及阻抗1、2共同组成比较和补偿放大环节，产生的控制信号()输入给脉冲调制环节W，M产生的脉冲序列δ(t)经驱动器驱动后作为Buk型变换器中功率开关器件OST的栅极驱动信号。图42Buk型开关调压系统原理图WM环节的一种实现方式如图43(a)所示利用比较器2将控制信号c()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()受c()调制的一系列脉冲信号δ()具体工作过程如图43()所示在每个开关周期内，当c()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c()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()由c()决定，进而决定了开关器件的导通时间。图43脉冲调制（PM）环节（a）WM环节工作波形 （）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42所示Buk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()使输出电压稳定比如当输入电压Vg上升时输出电压c()也随之上升，采样电压上升，c()下降，则M输出脉冲的占空比d()减小，OST在一周期内的导通时间缩短，使v()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的方法设计出如下图44所示的BCK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44BCK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： 1;3直流增益：K3;1

p RCg又直流增益：CM

M

为WM锯齿波的幅值g

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：z0 ；eCf极点角频率：p01/

LfCf；此设计中设定 V=4V，参考电压 Ve=15V，穿越频率1

10z0zc 5s 5

，则有gCM

VV

3;z0

1eCf

17uF

13.33103z；p01/

LfCf

1/03

50

6z63

z； 003K c .7；A 3.603Cp0计算网络参数：设定流过R2的电流为1m，则VR f2 A

VA

;UVR o f1 A

VVA

;3K1.70.，取1900Ω;C 1z0

170303

9F，取1u;用以上参数放进模型仿真时发现流过R2的电流为1m而流过R1的电流超过了2m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=150Ω，R1=30Ω，重新代入模型符合要求。脉冲调制（P）工作波形如图45所示图46和图47分别为直流输入最低电压和最高电压时BCK变换器输出电压和电流的情况。图45脉冲调制（PM）工作波形图46直流输入最低电压10V时BCK变换器的输出电压和电流图47直流输入最高电压14V时BCK变换器的输出电压和电流第五章课程设计总结通过紧张的一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关于BUCK变换器的设计任务在设计中遇到了不少