BUCK变换器的研究与设计

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

电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。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。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。

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。

其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT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GTR的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，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。所以用IGBT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，因此发展很快。

直流降压斩波电路主要分为三个部分，分别为主电路模块，控制电路模块，驱动电路模块，除了上述主要模块之外，还必须考虑电路中电力电子器件的保护，以及控制电路与主电路的电气隔离。IGBT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。但以 IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题:（1）系统损耗的问；2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。此斩波电路中IGBT的驱动信号由集成脉宽调制控制器SG3525产生，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试。

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

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的交流电压U2。电源变压器的效率为： ，其中：2P是变压器副边的功率，

1P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2P后，就可以根据上表算出原边功率1P。

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：2)2.1~1.1(UUI；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：22UURM；流过每只二极管的平均电为： ，

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应满足： , 其中：T = 20ms 是50Hz 交流电压的周期。

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，12PPRUIIRD245.022)5~3(TRC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RMU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VUUoI3)(min，输入电压与输出电压差的最大值VUUoI40)(max。故CW317的输入电压范围为：

maxminminmax0)()(oIoIoIUUUUUUU

即：VVUVVI4020330

VUVI6033

变压器副边电流：AIAIIo2.1,12max2取，

因此，变压器副边输出功率：wUIP36222

由于变压器的效率 = 0.8，所以变压器原边输入功率 ，为了留有余地，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：VUURM4.4230222，

AI1max0。IN4001 的反向击穿电压VURM50，额定工作电流max01IAID，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，VUVUUin30,301.1331.12Im2取wPP4521IIVUUUUS/00选定稳压系数3103VS，根据VUVUI33,300以及公式 ，

可以求得：

所以，滤波电容：

电容的耐压要大于22U=42.4V，故滤波电容C取容量为470uF，耐压为50V的电解电容。

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)/1(25.110RRUw，1R取120—240，流过1R的电流为5—10mA。取1R为240，则由)/1(25.110RRUw可以求得，minwR=k6.3，kRw5.5max，故取wR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。

3降压斩波主电路设计

3.1 BUCK电路工作原理 VSUUUUVIpopI7.3610330331.030uFFUTIUtICIoIC4.2720002724.07.362150112.max

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GEU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0U=E，负载电流0i按指数曲线上升。当t=1t时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压0U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。

负载电压的平均值为 ；式中，ont为V处于通态的时间；offt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0U最大为E，若减小占空比，则0U随之减小。因此EETtEtttUonoffonon0将该电路称为降压斩波电路。

负载电流的平均值为 ，若负载中的L值较小，则在V关断后，到了2t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0U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ont，称为脉冲宽度调制（PWM方式）。

2） 保持开关导通时间ont不变，改变开关周期T，称为频率调制。

3） ont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0I不变。电源只在V处于通态时提供能量，为ontEI0。从负载看，在整个周期T中负载一直在消耗能量，消耗的能量为)(2TIETRIoMo。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：