电力电子专业课程设计BUCK变换器设计.doc

目录

引言 2

第一章 设计规定与方案.......................................................................................2

1.1 课程设计规定 .............................................................................................2

1.2 方案拟定.....................................................................................................3

第二章 直流稳压电源设计 ..................................................................................3

2.1 设计规定......................................................................................................3

2.2 直流稳压电源原理描述.............................................................................4

2.3 设计环节及电路元件选取.........................................................................5

第三章 Buck 变换器设计..................................................................................6

3.1 Buck 变换器基本工作原理 .......................................................................6

3.2 Buck 变换器工作模态分析 .......................................................................7

3.3 Buck 变换器参数设计 ..........................................................................10

3.3.1 Buck 变换器性能指标 ..................................................................10

3.3.2 Buck 变换器主电路设计..............................................................10

第四章 控制电路设计.........................................................................................12

4.1 直流—直流变换器控制系统原理 ..........................................................12

4.2 控制电路设计 ...........................................................................................14 第五章 课程设计总结.........................................................................................17 参照文献 ..................................................................................................................18 附设计全图 ..............................................................................................................18

08 电气一班 潘维 30151402

引言

随着电力电子技术高速发展，电子系统应用领域越来越广泛，电子设备 种类也越来越多。电子设备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，重量轻和效率高长处而在各种电子信息设备 中得到广泛应用。随着着人们对开关电源进一步升级，低电压，大电流和高 效率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原则化。DC/DC 变换是将固定直流电压变换成 可变直流电压，也称为直流斩波。斩波电路重要用于电子电路供电电源，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一种电路，是用 BUCK 作为 全控型器件降压斩波电路，用于直流到直流降压变换。IGBT 是 MOSFET 与 双极晶体管复合器件。它既有 MOSFET 易驱动特点，又具备功率晶体管电 压、电流容量大等长处。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畴内，故在较高频率大、中功率应用中占据了主导地 位。因此用 BUCK 作为全控型器件降压斩波电路就有了 IGBT 易驱动，电压、电流容量大长处。
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 域中有辽阔发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展趋势， 增进了 IGBT 降压斩波电路发展。

第一章 设计规定与方案

1.1 课程设计规定

1、采用降压斩波主电路
2、输入直流电压：10~14V
3、输出电压：5V
4、最大输出负载电流：2A

5、输出功率：10W

1.2 方案拟定

电力电子器件在实际应用中，普通是由控制电路，驱动电路和以电力电子器 件为核心主电路构成一种系统。由信息电子电路构成控制电路按照系统工 作规定形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件导通或者关 断来完毕整个系统功能，当控制电路所产生控制信号可以足以驱动电力电子 开关时就无需驱动电路。
依照降压斩波电路设计任务规定设计稳压电源、BUCK 电路及控制电路，设 计出降压斩波电路构造框图如图 1 所示。

图 1.1 降压斩波电路构造框图

在图 1 构造框图中，BUCK 电路是用来产生降压斩波电路，控制电路产生 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。 通过控制开关开通和关断来控制降压斩波电路主电路工作。

第二章 直流稳压电源设计

2.1 设计规定

设 计一 个 输 出 电压 在 10~14V 可 调 串 联型 直 流 稳 压电 源 ， 将 市电

(220V/50HZ)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 直流稳定电压。

2.2 直流稳压电源原理描述

电子设备普通都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接运用干电池和 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 具备放大环节串联型稳压电路

直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四某些构成，其原理框

图如图 2.1 所示。电网供应交流电压 U1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得 到符合电路需要交流电压 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，就可得到比较平直直流电 压 UI。但这样直流输出电压，还会随交流电网电压波动或负载变动而变 化。在对直流供电规定较高场合，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 串联起来就构成了具备放大环节串联型稳压电源电路图，其 整流某些为单相桥式整流、电容滤波电路。稳压某些为具备放大环节串联型稳 压电路，它由调节元件（晶体管 Q1，Q2 构成复合管）；比较放大器（集成运 放 A）；取样电路 R2、R4、R3，基准电压 DZ、R1 等构成。整个稳压电路是一种 具备电压串联负反馈闭环系统，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一某些送入比较放大器，
并与基准电压进行比较，产生误差信号经比较放大器放大后送至调节管基极， 使调节管变化其管压降，以补偿输出电压变化，从而达到稳定输出电压目。

2.3 设计环节及电路元件选取

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 们串联起来构成总电路图如下图 2.5 所示：

图 2.5 直流稳压电源电路

电路元件选取：

1：Ui 拟定
Ui=Uo+Uce， 因 为 Uomax=14V,Uce>Uces=1~2V， 取 Uces=2V， 所 以

Ui=Uomax+Uces=16V;

2:调节管选取

Ucemax=Ui-Uomin=16-10=6V，承受反向电压应不不大于 6V;;
3：稳压二极管 Dz 选取
Uz 不大于等于 Uomin=10V,取 Uz=2V，Iz=1~10mA；
4：电阻 R1 选取

UR1=Ui-Uz=16-2=14V,IR1 取 10mA，R1= UR1 / IR1=1.4kΩ,R1 取 1.5kΩ;
5： 集成运放选取 由于本电路对集成运放规定不高，因此选用通用型集成运放；
6：滤波电容 C1 选取

为提高滤波效果，C1 取 1000uf 电解电容；

7：取样环节电阻 R2，R3，R4 拟定

Uomax=(R2+R3+R4)*Uz/R3

Uomin=(R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)

其中 R4 为最大阻值为 100Ω 滑动变阻器，Uz=2V， Uomax=14V,Uomin=10V,联 立方程，可求得 R2=1400Ω,R3=250Ω;
8：U2 及变压器拟定

对于全波整流电路，Ui=1.2U2,因此 U2=Ui/1.2=13.33V，220V/13.33V=16.5， 故选用变比为 15：1 变压器；
9：整流二极管选取 选取抱负整流器。

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，属直流斩波电路一种，和

升压斩波电路构成直流斩波电路最基本两种电路。直流斩波电路功能是将直

流电变为另一固定电压或可调电压直流电，也称为直接直流-直流变换器。降 压斩波电路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 3.1 所示，电路中使用一种全控型开关器件 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，脉冲信号周期 T 保持不变，而 脉冲宽度 ton 可变化，这样便可以调节导通占空比，进而变化输出电压。为了 在开关管关断时给负载中电感电流提供通道，设立了续流二极管 D。当晶体管 导通时，若忽视其饱和压降，输出电压 UO 等于输入电压；当晶体管截止时，若
忽视晶体管漏电流，输出电压为 0。电路重要工作波形如图 3.2。

+
Vin
-

Q A
L f

C
Ub D
f

+

R Uo

-

图 3.1 Buck 变换器电路

Ub

QON QOff
0
UA

0
iL

0


Vin

t

t

DiL
t

图 3.2 Buck 变换器重要工作波形

3.2 Buck 变换器工作模态分析

在分析 Buck 变换器之前，做出如下假设：

① 开关管 Q、二极管 D 均为抱负器件；

② 电感、电容均为抱负元件；

③电感电流持续；

④ 当电路进入稳态工作时，可以以为输出电压为常数。 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，

同步对电容 C 充电。在电感 L 上将产生极性为左正右负感应电动势，储存磁

场能量。

假设储能电感 L 足够大，其时间常数远不不大于开关周期，流过储能电感 电流 IL 可近似以为是线性，并设开关 MOS 管 Q1 及续流二极管都具备抱负 开关特性，它们正向降压都可以忽视。

图 3.3 Q 导通时电路状态

il = ò
L diL
dt

V1 - V 2
L

+ V 2 = V1

dt = V1 - V 2
L


t + I Lv

式中起始值 ILv 是 Q 导通前流过 L 电流。当 t=ton 时，Q 截止，L 中
电流达到最大值 ILP：

I Lp =
V1 - V 2
L

t on + I Lv

当输入脉冲为低电平，即在 toff 时段内，Q1 截止，电路相称于 Q1 断开，如 下图 3.4 所示。此时，由电感 L 中电流将减小，为了制止电流 I0 减小，在 其上将产生极性为左负右正感应电动势，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，把一某些磁能转化为电容中电场能。当电感电流下降到某一较小数值 时，电容 C 开始对负载放电，以维持负载所需电流。当电路工作于稳态时， 负载电流在一种周期内初值与终值为相等。

图 3.4 Q 关断时电路状态

L diL
dt

- V 2

= -V 2

- V 2

il = ò
dt =
L
t + I Lp
L

式中起始值 ILP 为 Q 截止前流过 L 电流。t=toff 时，Q 截止，L 中电
流下降到最小值 ILV：

V 2
I Lv = -
L

toff

+ I Lp

当电路工作在稳态时，联系上式解得：

V1 - V 2 V 2

I Lp =
ton -
L
toff
L
+ I Lp

由以上分析可得，负载电压平均值为：

V 2 =
ton
ton + toff
V1 = ton V1 = DV1
T

上式中， ton 为 Q 处在导通状态时间，toff 为 Q 处在断开状态时间；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，负载电压平均值 V2 大小由导通占空比和电源电压决定。在 电源电压不变状况下，其大小可由调节占空比来变化，且随着占空比增大而 增大，随着占空比减小而减小。
由于占空比 0<D<1，即 V2<V1，输出电压不大于输入电压，因而将该电路称 为降压斩波电路。
负载电流平均值为：

V 2
I 0 =
RL

上式中，RL 为负载电阻。若负载中 L 值较小，则在 Q 关断后，也许会

浮现负载电流断续状况。为了保证电流持续，规定串接电感 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=10~14V； 输出性能：Vout=5V；
Iout=2A；
Pout=10W；

3.3.2 Buck 变换器主电路设计

设计 BUCK 变换器电路图如下图 3.5 所示：

图 3.5 BUCK 变换器电路图 主电路中需要拟定参数元器件有 IGBT、二极管、直流电源、电感、电容、
电阻值拟定，其参数拟定过程如下。本设计过程中设定工作频率为 50kHz，电 压波纹不大于 50mV。
(1）电源

由于题目规定输入电压为 10-14V ，且持续可调。其直流稳压电源模块 设计已在前面完毕。因此该直流稳压电源作为系统电源。
（2）电阻

由于当输出电压为 5V 时，输出电流为 2A，可得到负载电阻为 RL=Uo/Io=2.5Ω。
（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。故需设立 IGBT 集电极最大连

续电流 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，故需设立二极管额定电压不不大于 14V，额定电流不不大于 2A。
(5)占空比

依照 Buck 变换器性能指标规定及 Buck 变换器输入输出电压 之间关系求出占空比变化范畴：

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，如果工作在电流持续区，那么为了保持一定输出 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 间不大于开关管存储时间与最小控制时间之和，变换器输出将浮现失 控或输出纹波加大，因而但愿变换器工作在电感电流持续状态。因此， 以设定最小输出电流 Iomin=0.1A 作为电感临界持续电流来设计电感，即
∆iLmin = 2I omin = 0.2A 。

L = Uo (1 - Dmin ) = 5 ´ (1 - 0.3571) = 321.45m H

fmax
DiL min
× fs
0.2 ´ 50 ´103

通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，滤波电容普通是依照输出电压纹波规定来选用。 设定该 Buck 变换器输出电压纹波规定 Vout(p-p)<=50mV。

Cfmax
= U o (1 - Dmin ) =
f s C
8L f 2 DU
5 ´ (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 75uΩF. 则

Re=75uΩF/ Cf=5Ω。

第四章 控制电路设计

4.1 直流—直流变换器控制系统原理

典型直流-直流变换器控制系统构造原理图如图 4.1 所示。系统核心部 分为 DC-DC 变换器，同步包括了控制用负反馈回路。在负反馈回路中，输出 电压 v(t)经采样后与给定参照电压 Vref 相比较，所得偏差送补偿放大环节，再 通过脉冲宽度调制，得到一系列控制用脉冲序列δ(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导通与关断。控制输入 d(t)代表开关器件 在一种周期内导通占空比，是脉冲序列δ(t)参数，变化 d(t)即可调节变换器 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 其她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-DC 变换器 中开关器件在一种开关周期内导通时间，达到稳定输出电压目。

图 4.1 直流-直流变换器控制系统构造原理图
以图 4.2 所示 Buck 型开关调压系统为例，该系统是对图 4.1 所示直流-直 流变换器控制系统详细实现。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 共同构成比较和补偿放大环节，产生控制信号 vc(t)输 入给脉冲调制环节 PWM，PWM 产生脉冲序列δ(t)经驱动器驱动后作为 Buck 型变换器中功率开关器件 MOSFET 栅极驱动信号。

图 4.2 Buck 型开关调压系统原理图

PWM 环节一种实现方式如图 4.3(a)所示，运用比较器 A2 将控制信号 vc(t) 与振荡器产生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)调制一系列脉冲信号δ(t)。详细工作过程如图 4.3(b)所示，在每个开 关周期内，当 vc(t)不不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，不不大于 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，输出脉冲周期与锯齿波周期相似，占空比 d(t)由 vc(t)决定，进而决定了开关器件导通时间。

图 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，或系统受到其她因素干扰，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 导通占空比 d(t)，使输出电压稳定。例如，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 输出脉冲占空比 d(t)减小， MOSFET 在一周期内导通时间缩短，使 v(t)减小，达到了稳压目。

4.2 控制电路设计

依照电路设计规定，此设计需要运用负反馈达到稳定电压规定。为此，采 用了串联电压分压负反馈办法，设计出如下图 4.4 所示 BUCK 变换器控制电 路。其中包括了分压采样环节、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 ;
R1
p RC

Vg
又直流增益： ADC =
VM

，VM

为 PWM 锯齿波幅值，Vg

为输入直流电压平

均值；

1
BUCK 变换主电路滤波电容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 ´ 50kHz = 10kHz

c 5 s 5
，则有

Vg
ADC =
VM
= 12V
4V

= 3 ;

wz 0 =
1
ReC f
= 1
75uWF

= 13.33´103 Hz ；

wp 0 = 1 /
Lf C f
= 1 / 1´10-3
´ 25´10
-6 Hz = 6.3246 ´103
Hz ；

w 10 ´103
K = c = = 0.527 ；
A w 3´ 6.3246 ´103
DC p 0

计算网络参数：设定流过 R2 电流为 1mA，则

V
R = ref
2 1mA
= 1.5V
1mA

= 1500W ;

U -V
R = o ref
1 1mA
= 5V -1.5V
1mA

= 3500W ;

R3 = KR1 = 0.527 ´ 3500 = 1844.5W ，取 1900Ω;

C = 1
KR1wz 0
= 1
0.527 ´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 电流为 1mA，而流过 R1 电流超
过了 2mA，并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 电流偏差产生影响，将流过 R2 电流重新设定为为 10mA， 则得到 R2=150Ω，R1=350Ω，重新代入模型符合规定。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状况。

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 变换器输出电压和电流

图 4.7 直流输入最高电压 14V 时 BUCK 变换器输出电压和电流

第五章 课程设计总结

通过紧张一周积极准备和不断地实验，翻阅大量有关资料，以及在网上 不断收索学校，终于完毕了本次电力电子课程设计关于 BUCK 变换器设计 任务。在设计中，遇到了不少困难与问题，但最后在自己不断尝试下都得到了 解决。可以说本次课程设计，对自己来说，不但是一次知识上扩展，更是意 志与信心上一种锻炼，学习如何完毕一种项目。
刚开始看到关于 BUCK 变换器设计时候，说实在话在自己脑海中是没 多大印象，看到题目这样简洁以为也不会很难，刚开始时候自己并没有找来 教师指定那参照书来看，只是从自己学过课本中去找，一方面上网百度了一下 才懂得 BUCK 变换器就是降压斩波电路，于是找来电力电子教材看了降压斩波 方面知识，发现那原理图很简朴，但不久意识到有范畴直流电压应当怎么来， 于是找来了模电书，懂得了 220kV 交流电怎么通过整流、滤波和稳定环节得 到一种可调直流电压。然后又上网找了 BUCK 变换器参数怎么计算和选取， 日后发现了一种问题，就是怎么可以让以一种范畴输入电压通过变换器输出一 个稳定电压。这时我意识到了需要个负反馈。但负反馈详细怎么来实现呢？这问

题花了我好多时间，我先看了一下模电书中关于反馈知识，原理上东西还是

懂某些，但应用到变换器上时还是不会。苦恼了一阵，依然不会，日后找了一 下教师指定参照书才懂得这书都是关于反馈控制，此时我如获珍宝，认真看 了一下反馈控制究竟如何实现。由于参数选取好难，通过几种办法比较，从中 找了一种稍微简某些反馈控制类型电路，达到性能或许不是说较好，但可以 达到教师指定设计规定了，在验证成功后心里面有一种很强烈成就感！
本次设计实现了 BUCK 变换器简朴运用，对关于电力电子知识有进一 步结识与理解，对自己综合能力提高起到很大助力，相信这次经历对自 己在此后课程设计中有很大协助。

参照文献

[1] 张卫平. 开关变换器建模与控制. 北京：中华人民共和国电力出版社， [2]王兆安 刘进军. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社， [3]童诗白 华成英. 模仿电子技术基本. 北京：高等教诲出版社，

附设计全图