BUCK+电路设计+电力电子课程设计

BUCK变换器的研究与设计

1总体分析与解决方案

1.1问题的提出与简述

直流斩波电路（DC Chopper）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（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流—交流—直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

1.2设计目的及解决方案

任务的要求是需要设计一个输出为20~30V的直流稳压电源，此部分内容由以前所学模拟电路知识可以解决。然后对降压斩波主电路进行设计，所涉及电力电子原理知识的直流斩波部分，可以参见所学课本第三章，所选着的全控型器件为IGBT。任务还需要通过PWM方式来控制IGBT的通断，查阅相关资料，需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。电路需要使输出电压恒定为15V，采用电压闭环，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM信号，达到负反馈稳定控制的目的。得到电路的原理框图如下：

图1 总电路原理框图

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2直流稳压电源设计

2.1 电源设计原理

小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如下所示：

图2 直流稳压电源原理框图

图3 直流稳压波形图

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要

P2，其中：P2是变压器副边的功率，的交流电压U2。电源变压器的效率为：

P1P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1 所示：

表1 小型变压器效率

因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压U2变换成脉动的直流电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压U2的有效值的关系为：UI(1.1~1.2)U2；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：URMIR0.45U2ID 2U2；流过每只二极管的平均电为：2R，

其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC

(3~5)TRC应满足： , 其中：T = 20ms 是50Hz 交流电压的周期。

2由于输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电

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压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI 稳定不变，还需加一级稳压电路。本次设计按照任务要求，选定稳压器为可调式。可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317，系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337 系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为Uo=1.2-37V，最大输出电流Iomax =1.5A，输入电压与输出电压差的允许范围为：UI -Uo = 3-40V。

2.2 稳压源的设计方法

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电

压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式，步骤如下： 1） 根据稳压器的输入电压UI，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳

压电源的最大输出电流Iomax，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1 查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

2） 确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波

电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。 依据上述设计步骤，对本次课设的直流电源进行设计，输出电压为20—30V。集成稳压器选用CW317，其输出电压范围为：Uo =1.2-37V，最大输出电流Iomax为1.5A。由于CW317 的输入电压与输出电压差的最小值(UIUo)min3V，输入电压与输出电压差的最大值(UIUo)max40V。故CW317的输入电压范围为：

U0max(UIUo)minUIUomin(UIUo)max

即：30V3VUI20V40V

VUI60V 33UImin33U30V,取U230V 21.11.1变压器副边电流：I2Iomax1A,取I21.2A，

因此，变压器副边输出功率：P2I2U236w

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P2P45w，为了留由于变压器的效率 = 0.8，所以变压器原边输入功率 1

有余地，选用功率为50W的变压器。

接着选用整流二极管和滤波电容，由于：URM2U223042.4V，

I0max1A。IN4001 的反向击穿电压URM50V，额定工作电流ID1AI0max，故整流二极管选用IN4001。由于电路对纹波由要求，输出纹波电压：≤100mv，

U0UI选定稳压系数SV3103，根据U030V,UI33， V以及公式 SV/U0UI可以求得： UoppUI0.133

UIU0SVIomax.30310336.7V11T1ICt25020.0002724CF272.4uF UIUI36.7电容的耐压要大于2U2=42.4V，故滤波电容C取容量为470uF，耐压为50V的电解

所以，滤波电容： 电容。

2.3 稳压电源的安装与调试

通过上述稳压电源的设计，得到了所需直流稳压电源电路图如下所示：

图4 直流稳压电源电路图

在图中取C1=0.01uF，C2=10uF，C0=1uF，二极管用IN4001，在电路图中，R1和Rw组成输出电压调节电路，输出电路U01.25(1Rw/R1)，R1取120—240，流过R1的电流为5—10mA。取R1为240，则由U01.25(1Rw/R1)可以求得，

Rwmin=3.6k，Rwmax5.5k，故取Rw为10k的精密线绕电位器即可实现电压输出为20-30V的直流电。通过示波器测试输出电压波形，发现输出纹波电压<100mv，满足设计要求。

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3降压斩波主电路设计

3.1 BUCK电路工作原理

图5 BUCK电路图

降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如上所示。该电路使用一个全控器件V，图中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需要设置使晶闸管关断的辅助电路。在图5中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。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，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。若负载中无反电动势时，只需令Em=0。电路的工作波形如下所示：

图6 电流连续时波形图

由图6中的V的栅射电压UGE波形可知，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压U0=E，负载电流i0按指数曲线上升。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压U0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值很大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。

tontonUEEE；式中，t为V处于通态0负载电压的平均值为 ontontoffT5

的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由此式知，输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比，则U0随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。

U0EMI负载电流的平均值为 ，若负载中的L值较小，则在V关断后，到0R了t2时刻，如图7所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压U0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式： 1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制（PWM方式）。 2） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制。 3） ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。 本次设计电路采用PWM方式控制IGBT的通断。

图7 电流断续时波形

以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。由于L为无穷大，故负载电流维持为I0不变。电源只在V处于通态时提供能量，为EI0ton。从负载

2看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为(RIoTEMIoT)。一个

周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：

2EI0tonRIoTEMIoT

则：

I0EEMR与上述结论一致。

在上述情况中，均假设L值为无穷大，且负载电流平直。在这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有：

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其值小于等于负载电流Io，由上式得

tonI1IoIoTEI1EIoUoIo即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。

3.2 主电路参数讨论

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）对于电源，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完成。所以该直流稳压电源作为系统电源。

2）对于电阻，因为当输出电压为15V时，输出电流为0.1-1A。所以由欧姆定律

U0EMR可得负载电阻值为 ，可得到电路电阻应该在15150。

Id3)对于IGBT的选择，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，其值为1A。故需选择集电极最大连续电流Ic>1A，反向击穿电压Bvceo>30V的IGBT。而一般的IGBT基本上都可以满足这个要求。

4)对于二极管的选择，当=1时，其承受最大反压30V；而当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。

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4控制电路原理与设计

4.1控制电路方案选择

IGBT控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；对电流反馈信号进行放大处理，并根据反馈、给定信号调节电子开关控制信号的脉宽；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。

图8 SG3525引脚图

对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压、电流连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图8所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。 8

图9 SG3525内部框图

4.2控制电路原理图及工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为 ：

f1Ct(0.7Rt3Rd)式中: Ct,Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；Rd是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为50Khz，所以由上式可取Ct=1uF,Rt= 12,Rd=4。可得f=49.02Khz，基本满足要求。

图10控制电路部分电路图

SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，如图11所示。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。

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5驱动电路原理与设计

5.1驱动电路方案选择

该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。该部分主要需完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。

方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。

方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。

通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又有一些全控器件专用的驱动芯片，其内部集成了光耦电路，使用方便，所以选择方案1。

5.2驱动电路分析与设计

针对以上分析，我选取了日本 FUJI公司的EXB841驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。

如图11所示，其工作电源为独立电源20±1V，内部含有-5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使IGBT关断；若ICBT导通时，若承受短路电流，则其电压Vce随电流的增大迅速上升，脚6悬空，脚3电位开始下

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降，从而逐渐关断IGBT。

图11 EXB841内部结构图

利用EXB841驱动芯片可画出其驱动电路原理图如下图12所示。

图12驱动电路原理图

如图12所示，两个47uf电容用于吸收高频噪音，在脚3输出脉冲的同时，

通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚3输出电平降为O。因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图12与图11联系起来即可得到电路的控制驱动部分。

5.3 PWM控制原理与波形

本次课程设计采用的是PWM方式控制全控型器件IGBT的通断，主要使用的

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是脉宽调制器SG3525产生PWM波形，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15V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PWM波形，而反馈电压值的大小决定了PWM波形的脉宽，从而实现IGBT的通断。PWM原理波形如图13所示。

在电路设计中，脉宽调制器SG3525的正向输入端1接入载波信号，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通过这2个端口的电压值比较产生PWM控制信号，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15V，当输出电压高于这个值时，产生的PWM信号脉宽会减小，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PWM信号脉宽会增加，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。

图13 PWM方式波形图

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6 保护电路的原理与设计

6.1过电压保护

对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，

由于模块周围的接线的电感，就产生了L di/dt电压.关断浪涌电压关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压，抑制方法的方法主要有：

1）在IGBT中装有保护电路（=缓冲电路）可吸浪涌电压。缓冲电路的电容，采用薄膜电容，并靠近 IGBT配置，可使高频浪涌电压旁路。 2） 调整IGBT的驱动电路的VCE或RC，使di/dt最小

3） 尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳

4）为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳

在此基础上选择缓冲电路，由于缓冲电路的种类繁多， 在这里我选用RCD缓冲电路（如图14），作为对IGBT的保护，其特点如下： 1） 关断浪涌电压抑制效果好。

2）与Rc缓冲电路不同。因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大，因而避开了开通时IGBT功能受到限制的问题。

3）缓冲电路中的损耗（主要由缓冲电阻产生） 非常大，因而不适用于高频开关用途。

图14 保护缓冲电路图

6.2过电流保护

一旦发生短路，IGBT的集电极增加到既定的直，则C—E间的电压急剧增加。根据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到一定数值以下，但是在IGBT上

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还有外加的高电压，大电流的大负载，必须在尽量短的时间内解除。从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的原因主要有： 1） 晶体管或二极管的破坏

2） 控制电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作 3）配线工作等人为失误以及负荷绝缘的破坏

过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。

6.3设计电路的总体分析

通过对直流稳压电源部分，BUCK主电路，控制电路以及驱动电路的设计，

得到了设计的总体电路，图参见附录。在总电路图中，直流稳压电源部分输出20-30V的直流电供给BUCK电路，在BUCK主电路里，负载输出恒定为15V，全控型器件选用IGBT；电路采用的是PWM控制方式，控制脉冲由集成脉宽调制器SG3525产生，BUCK电路输出电压反馈给控制电路，起到控制占空比的目的；控制信号需要经过驱动电路才能起到控制IGBT的目的，驱动电路是由驱动芯片EXB841构成；电路中还包括了IGBT的缓冲保护电路，对电路的过电流与过电压起到了很好的抑制作用。

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7总结

回顾此次电力电子课程设计的一个星期，我感慨很多。从理论到时践，在整整一个星期的日子里，我遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。

在此次课程设计过程中，我遇到的问题还是很多的。刚开始拿到这个题目时，不知道如何下手，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠自己所学的知识根本解决不了，于是我去图书馆以及网站找了很多资料，学习了很多课本上没有的东西，感觉特别充实。然后在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后还要努力。通过这次课设，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。

电力电子课程设计经过一周的时间完成了 ，在进行设计的过程中，我参考了很多资料，包括网上的，书上的，发现自己现在学到的只是很小的一部分，而且自己在平时学习也不是很认真，所以在设计上有一定的难度。就我设计的题目而言，平时在书上介绍的只是一些原理，具体要怎么设计一个完整的架构就需要我们对现有和过去学的知识有一个大概的了解。虽然现在的设计题目比较简单，但通过课程设计的学习工作，使我接触了很多新的知识，如Protel99绘图，也让我对这门课有了更深的了解，培养了我们求真务实的态度。

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参考文献

[1]董国增, 《电气CAD技术》北京:机械工业出版社, 2006 [2]王兆安,黄俊, 《电力电子技术》北京:机械工业出版社, 2000 [3]丁道宏, 《电力电子技术》北京:航空工业出版社,1992

[4]张亮,郭仕剑,王宝顺《MATLAB7.x系统建模与仿真》北京:人民邮电出版社,2006 [5]赵良炳, 《现代电力电子技术基础》北京:清华大学出版社,1995

[6] 石玉, 《电力电子技术题例与电路设计指导》北京: 机械工业出版社,2003

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附录

系统的总的电路原理图如下图所示：

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本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 徐源 自动化0606班 性 别 男 课程设计题目：BUCK变换器的研究与设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 态度认真，组织纪律性好（20分） 设计方案合理，论证充分（20分） 设计说明书文理通顺，工整（10分） 设计资料齐全，格式规范（10分） 答辩（20分） 独立完成任务，无原理性错误（20分） 总 分： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

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