1、 本科生课程论文（设计） BUCK 变换器的研究与设计 专 业 电气信息及其自动化 班 级 电信四班 学 生 姓 名 王建 许程 张贤芃 王波 唐浩 联 系 方 式 15617233321 2013 年 6 月 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题目： BUCK 变换器的研究与 设计 初始条件： 输入电压： 2030V，输出电压： 0-15V，输出负载电流： 0.11A，工作频率： 30KHz，采用 降压斩波主电路。 要求完成的主要任务： 1. 直流供电电源设计。 2. 降压斩波主电路设计（包括电路结构形式，全控型器件的选择）并 讨论主电路的工作原理。 3.脉宽调
2、制电路（如 SG3525 集成 PWM 控制器）及驱动电路设计。 4. 分析 PWM 控制原理及波形。 5.提供电路图纸至少一张。 课程设计说明书应严格按统一格式打印 ，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和 整体电路原理图， 给出系统参数计算过程， 图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。 2013 年 6 月 引言 . 4 第一章 设计要求 . 5 1.1 课程设计要求 . 5 1.2 方案确定 . 5 第二章 直流稳压电源的设计 . 6 2.1 设计要求 . 6 2.2 直流稳压电源原理描述 . 6 2.3 设计步骤及电路元件选择 . 7 第三章 Buck变换器设计 . 9
3、 3.1 Buck 变换器基本工作原理 . 9 3.2 Buck 变换器工作模态分析 . 9 3.3 Buck 变换器参数设计 . 11 3.3.1 Buck 变换器性能指标 . 11 3.3.2 Buck 变换器主电路设计 . 11 第四章 控制电路设计 .12 4.1 控制电路原理 .12 4.2 电路设计 .13 4.3 PWM 控制原理与波形 .14 课程设计总结 .15 参考文献 .16 附图 .17 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
4、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 MO
5、SFET 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。所以用 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 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： 2030V 3、 输出电压： 0
6、-15V 4、 输出负载电流： 0.11A 5、 工作频率： 30KHz 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，通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 控制电路 稳 压 电 源 BUCK 电路 负载
7、 输出电压 Uo 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，可以使其开通或关断。通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 直流稳压电源的设计 2.1 设计要求 设计一个输出电压 在 2030V 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 2030V 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（
8、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
9、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
10、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； 电路元件选择： 1： Ui 的确定 Ui=Uo+Uce, 因为 Uomax=30V,UceUces=12V, 取 Uces=2V, 所以Ui=Uomax+Uces=32V; 2:调整管的选择 Ucemax=Ui-Uomin=32-20=12V,查表选择 D42C3，为扩大输出电流范围，采用D42C8 和 D42C3 构成的复合管 ; 3：稳压二极管 Dz 的选择 Uz小于等于 Uomin=20V,所在选用 ZPD5.1稳压管，参数为 Uz=5.
11、18V,Iz=110mA； 4：电阻 R1 的选择 UR1=Ui-Uz=32-5=27V,IR1 取 10mA, R1= UR1 / IR1=2.7k,R1 取 2k; 5: 集成运放的选择 因为本电路对集成运放要求不高，所以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选用 470uf 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 1Ko 的滑动变阻器， Uz=5.18V, Uomax=30V,Uomin=20V,联立方程，
12、可求得 R2=264ohm,R3=666ohm; 8： U2 及变压器的确定 对于全波整流电路， Ui=1.2U2,所以 U2=Ui/1.2=25V,所发选用变比为 10： 1 的变压器，再通过电阻分压后得到 14V 电压； 9：整流二极管的选择 URm1.1*1.414*U2=1.1*1.414*14=38V,查表选用 1B4B42 第三章 Buck变 换器设计 3.1 Buck 变换器基本工作原理 Buck 电路是由一个功率晶体管开关 Q 与负载串联构成的，其电路如图 3.1。驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压 uo 等于输入
13、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。 +-V i nQ fCfLRDU bU o+-A图 3.1 Buck 变换器电路 U b0 A00tttV i nLi LiQ O NQ O f f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： 开关管 Q、二极管 D 均为理想器件； 电感、电容均为理想元件； 电感电流连续； 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。 在一个开关周期中，变换器有 2 种开关模态，其等效电路如图 1.3 所示，各开关模态的工作情况描述如
14、下： （ 1） 开关模态 0t0t1 t0t1对应图 1.3（ a)。在 t0 时刻，开关管 Q 恰好开通，二极管 D 截止。此时： dtdiLUU oi （式 1-1） 电感中的电流线性上升，式 1-1 可写成： ononono m i no m a xoi T iLT iiLUU （式 1-2） （ 2） 开关模态 1t1t2 t1t2对应图 1.3（ b)。在 t1 时刻，开关管 Q 恰好关断，二极管 D 导通。此时： dtdiLU0 o （式 1-3） 电感中的电流线性下降，式 1-3 可写成： o f fo f fo f fo m i no m a xo f fo m a xo m i no T iLT iiLT iiLU （式 1-4） 式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间。在稳态时， iii onoff ，联解式 1-2 与式 1-4 可得： io DUU （式 1-5） 输出电流平均值： )ii21I o m ino m axo （ （式 1-6）
