BUCK變換器的研究與設(shè)計

1、摘要當(dāng)今消費市場中，便攜式電子產(chǎn)品所占比重較大，這種產(chǎn)品要求電池體積小、重量輕、使用時間長。高效、低壓開關(guān)dc-dc轉(zhuǎn)換器，通過提高電源轉(zhuǎn)換效率及改進控制技術(shù)，達到了所需要求，因此被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)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{(diào)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{(diào)電壓的直流電，一般是指直接電變?yōu)榱硪恢绷麟?。這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(shè)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(shè)計。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控制原理及波形。5.提供電路圖紙至少一

3、張。課程設(shè)計說明書應(yīng)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(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)。時間安排：2011.1.142011.1.15 收集資料，確定設(shè)計方案2011.1.162011.1.17 系統(tǒng)設(shè)計2011.1.182011.1.19 撰寫課程設(shè)計論文及答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 目錄引言.4第一章 設(shè)計要求與方案.21.1 設(shè)計要求.21.2 方案確定.3第二章 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計.32.1 設(shè)計要求.32.2 直流穩(wěn)壓電源原理描述.42.3 設(shè)計步驟及電路元件選擇.5第三章 buck變換器設(shè)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(shè)計11第四章 控制電路設(shè)計134.1控制電路原理.134.2電路設(shè)計.144.3 pwm控制原理與波形 .15第五章 課程設(shè)計總結(jié).17參考文獻.18附圖.19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/

5、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(fù)合器件。它既有mosfet易驅(qū)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(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

6、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。buck降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流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

7、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

8、(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

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(wǎng)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(diào)整元件（晶體管q1，q2組成的復(fù)合管）；比較放大器（集成運放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(zhǔn)電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)比較放大器放大后送至調(diào)整管的基極，使調(diào)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(shè)計步驟及電路元件選擇 設(shè)計過程采用模塊化進行，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,uceuces=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，為擴大輸出電流范圍，采用d4

11、2c8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zpd5.1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(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

13、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(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

14、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)。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3.3.1 buck變換器性能指標(biāo)輸入電壓：vin=2030v；輸出性能：vout=0-15v； iout=0.

15、11a；開關(guān)頻率：fs=30khz。3.3.2 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(dāng)=1時，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)定達到所要求的性能指標(biāo)，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(zhǔn)送到誤差放大器，其輸出經(jīng)過一定的補償后與鋸齒波，即調(diào)制波進行交截來控制占空比，從而控制開關(guān)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(shè)計（1）確定環(huán)路增益的截止頻率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(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

20、環(huán)的方式設(shè)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(diào)制器sg3525，脈寬調(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)通的緊張的一周積極準(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(xué)習(xí)如何完成一個項目。在選擇題目時