电力电子课程设计BUCK变换器设计样本.doc

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目录

引言 2

第一章 设计要求与方案.......................................................................................2

1.1 课程设计要求 .............................................................................................2

1.2 方案确定.....................................................................................................3

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

2.1 设计要求......................................................................................................3

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

2.3 设计步骤及电路元件选择.........................................................................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 参考文献 ..................................................................................................................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 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。因此用 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: 10~14V
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, 经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、 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, 能够使其开通或关断。 经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

(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

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 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=1~2V, 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: 稳压二极管 Dz 的选择
Uz 小于等于 Uomin=10V,取 Uz=2V, Iz=1~10mA;
4: 电阻 R1 的选择

UR1=Ui-Uz=16-2=14V,IR1 取 10mA, R1= UR1 / IR1=1.4kΩ,R1 取 1.5kΩ;
5: 集成运放的选择 因为本电路对集成运放要求不高, 因此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/R3

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

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

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 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, 这样便能够调节导通的占空比, 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 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:

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, 能够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,

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 MOS 管 Q1 及续流二极管都具有理想 的开关特性, 它们正向降压都能够忽略。

图 3.3 Q 导通时的电路状态

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 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 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 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 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 的电流。t=toff 时, Q 截止, L 中的电
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, 负载电压的平均值为:

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

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 2
I 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=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。因此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=2.5Ω。
( 3) IGBT

当 IGBT 截止时, 回路经过二极管续流, 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 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。因此, 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 H

fmax
DiL min
× fs
0.2 ´ 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, 滤波电容一般是根据输出电压的纹波要求来选取。 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 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

典型的直流-直流变换器控制系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δ(t), 经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δ(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 其它因素干扰使输出电压发生波动时, 经过负反馈回路能够调节 DC-DC 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δ(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δ(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 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, 或系统受到其它因素的干扰, 使输出电压发生 波动时, 图 4.2 所示 Buck 型开关调压系统能够经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 ;
R1
p RC

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;

1
BUCK 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 ´ 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 的电流为 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 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=150Ω, R1=350Ω, 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 课程设计总结

经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, 遇到了不少困难与问题, 但最终在自己的不断尝试下都得到了 解决。能够说本次的课程设计, 对自己来说, 不但是一次知识上的扩展, 更是意 志与信心上的一种锻炼, 学习如何完成一个项目。
刚开始看到关于 BUCK 变换器的设计的时候, 说实在话在自己脑海中是没 多大印象的, 看到题目这么简洁认为也不会很难, 刚开始的时候自己并没有找来 老师指定的那参考书来看, 只是从自己学过的课本中去找, 首先上网百度了一下 才知道 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 方面的知识, 发现那原理图很简单, 但很快意识到有范围的直流电压应该怎么来, 于是找来了模电书, 知道了 220kV 的交流电怎么经过整流、 滤波和稳定环节得 到一个可调的直流电压。然后又上网找了 BUCK 变换器的参数怎么计算和选择, 后来发现了一个问题, 就是怎么能够让以一个范围的输入电压经过变换器输出一 个稳定电压。这时我意识到了需要个负反馈。但负反馈具体怎么来实现呢? 这问

题花了我好多时间, 我先看了一下模电书中关于反馈的知识, 原理上的东西还是

懂一些的, 但应用到变换器上时还是不会。苦恼了一阵, 依然不会, 后来找了一 下老师指定的参考书才知道这书都是关于反馈控制的, 此时我如获珍宝, 认真看 了一下反馈控制到底如何实现。因为参数选择好难, 经过几种方法的比较, 从中 找了一种稍微简一些的反馈控制类型电路, 达到的性能或许不是说很好, 但能够 达到老师指定的设计要求了, 在验证成功后心里面有一种很强烈的成就感!
本次设计实现了 BUCK 变换器简单的运用, 对有关电力电子的知识有进一 步的认识与了解, 对自己的综合能力的提高起到很大的助力, 相信这次经历对自 己在今后的课程设计中有很大的帮助。

参考文献

[1] 张卫平. 开关变换器的建模与控制. 北京: 中国电力出版社, [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. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社,

附设计全图