30W buck电路的设计要点

电力电子应用课程设计

课题：30W buck电路的设计

班级 学号 姓名 专业 电气工程及其自动化 系别 电子与电气工程学院 指导教师 陈 万

淮阴工学院电气工程系

2015年5月

30W buck

iLL电路的设计

ugOCuiVDtontTRuo

iLOiLminiLmaxt

图1 buck主电路及电感电流波形

一、设计目的：

图1示出了buck主电路和电路中关键波形，通过本课题的分析设计，可以加深学生对buck变换电路的理解，让学生学会分析buck电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，熟悉变换器中直流滤波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试；能够加强学生对脉宽调制（PWM）非隔离电力电子变流电路的理解以及该电路中MOSFET的驱动电路的设计和调试。

输入：36～75Vdc，输出：15Vdc/2A

1

二、设计任务：

1、分析buck电路工作原理，深入分析功率电路中各点的电压波形和各支路的电流波形；

2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级，并给出所选器件的型号，设计变换器输出滤波电感及滤波电容。

3、给出控制电路的设计方案，能够输出一频率和占空比可调的源。 4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。

三、研究和设计buck电路的意义

通过本课题的分析设计，可以加深学生对buck变换电路的理解，让学生学会分析buck电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，熟悉变换器中直流滤波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试；能够加强学生对脉宽调制（PWM）非隔离电力电子变流电路的理解以及该电路中MOSFET的驱动电路的设计和调试。

四、工作原理

Buck变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。开关管、二极管、输出滤波电容和输出滤波电感构

2

成了它的主电路。

为了分析稳态特性，简化推导公式，特作如下假设

（1）开关晶体管、二极管均是理想元件。也就是可以瞬间导通截止，而且导通时压降为零，截止时漏电流为零。

（2）电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。

（3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 Buck变换器的工作原理：

当开关管T导通时，电容开始充电，Ui通过L向负载传递能量，此时，IL增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截止;当T关断时，由于电感电流IL不能突变，故IL通过二极管D续流，电感电流逐渐减小，电感上的能量逐步消耗在负载上，IL>=0,从而可在负载上获得单极性的输出电压。

根据晶体管的开关特性，在管子的基极加入开关信号，就能控制它的导通和截止，对于NPN晶体管，当基极加入正向信号时，将产生基极电流Ib，基极正向电压升高，Ib也随之升高，Ib也随之升高，达到一定数值后，集电极电流Ic达到最大值，其后继续增加Ib,,Ic也基本不变，这种现象称为饱和。在饱和状态下，晶体管的集-射极电压很小，可以忽略不计。因此晶体管的饱和状态相

3

当于开关的接通状态。当基极加入反向偏压时，晶体管截止，集电极电流Ic接近于零，而晶体管的集-射极电压接近于电源电压。晶体管的这种状态相当于开关的断开状态，通常称为截止状态，或称为关断状态。

从Buck变换器的工作原理可以看出，电感可以工作在电流连续的方式下也可以工作在电流不连续的工作状态。电感电流连续是指输出滤波电感的电流总大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段输出滤波电感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流连续状态，即在开关管关断末期，滤波电感的电流刚好降为零。 电流连续时得出：

I10et1/1EEme1EmReT/1RRe1；

1et1/I201eT/EEm1eER； RR1em式中，tTL/R，T/，mEm/E，t1/1，I10和I20分别

T是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把上式用泰勒级数近似，可

mEI

得 I10I20oR平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。电流连续时负载电压的平均值为

4

UotontEonEE tontoffT式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。 负载电流平均值为 IoUoEmR

电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，I2=0，可以得出

1(1m)etxln m电流断续时，txe1m

e1输出电压平均值 Uo负载电流平均值 IotonE(Ttontx)Emtt1onxTTmE tontxttEUEm1toni2dt0i1dttonxmoonTTRR

电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

5

图2.电流连续时波形

6

五、元器件参数的计算与选取

1占空比的范围

D=u0/ui 所以 0.22电感电流平均值

IL=I0==15/R=2A

电感电流线性上升量 记D=D1,D2=1-D 由于稳态时这两个变化量相等，即ΔiL1=ΔiL2 又因为 D1+D2=1 ,所以U0=UiD1 3临界电感Lc

注：P0为变换器输出功率P0=I0U0 当f=50Hz时，T=20*

取电感量L为临界连续电感量Lc的1.2L=1.2Lc50=1.2*60=72

设纹波电压小于100mv ，纹波电流小于2A

C=(1-D)=*(1-0.2)=83 取1.2倍的电容C=1.2*83=100

Tr: 电压按2倍裕量，电流按1.5倍裕量。

U=75*2=150V

ITr(on)=I0+0.5ΔIL=2+2=4A

7

倍，则

ITr(arg)=DI0=0.2*2=0.4A D:

Vd=75*2=150V

Id(on)=I0+0.5ΔIL=2+2=4A Id(arg)=(1-0.2)I0=1.6A 六、实验器件的选择

Buck变换器设计指标为输入：36～75Vdc，输出：15Vdc/2A

1. 开关管V开关频率50kHz，开关管V截止时，回路通过二极管D续流，MOSET管正向承受电压150V;当占空比D=1时，MOSET管有最大电流，其值为4A，故需要选择集电极最大连续电流Ic>4A,反向击穿电压>150V。

2.二极管D：二极管当占空比D=1时，其承受最大反压150V，而当K趋近1时，其承受最大电流趋近4A，故需要选择Vc>150v,I>4A的二极管。

截止时承受电压150V，流过最大电流4A。 3.电感L：大小72μH，流过电流最大值4A。

4.电容C ： 选择电容既要是输出的电压纹波<1%,也不能取得太大，否则电压变化速度很慢，大小100F。

5.电阻 ：因为输出的电压为15V，而输出的最大电流为2A，由欧姆定律R=U0(min)/I 电阻最小取 R= 7.5。

8

七、电路的调试波形

输入电压、电流 V A 输出电压、电流 V A 第一组 41.6 0.64 46.0 0.56 51.1 0.50 56.0 0.47 61.1 0.44 15.3 1.52 15.0 1.51 15.0 1.51 15.0 1.51 15.0 1.51 第二组 第三组 第四组 第五组

9

第一组

输入电压波形 DS波形

二极管波形 输出电压波形

第二组

输入电压波形 DS波形

10

二极管波形 输出电压波形

第三组

输入电压波形 DS波形

二极管波形 输出电压波形

11

第四组

输入电压波形 DS波形

二极管的波形 输出电压波形

12

第五组

输入电压的波形 DS波形

二极管波形 输出电压波形

实验波形和理论波形有差距的原因分析：

理论波形是在三个理想假设情况下进行分析的，在假设中各个电气元件都是理想型的。在Buck电路中的电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。但是，构建一个能够让直流分量通过而且完全滤除开关频率及其谐波分量的完美的滤

13

波器是不可能的，所以，在输出中至少有一小部分是由于开关产生的高频谐波。 八、总结

通过本次课程设计不仅是我们回顾了所学过的理论知识，还熟悉各种功率变换电路，学习各变换主电路的构成和工作原理，锻炼我们分析、解决实际问题的能力。

此次我们小组的课题是buck电路的设计，加深了我对buck变换电路的理解，明白理论与实践还是有一定的区别，理解的原理在运用时并不能很熟练，所以在课设过程中出现了一些问题。当然，通过小组的讨论，向老师请教以及查阅资料终于是完成了此次设计。 此次课程设计让我学到了很多，拓展了上课所学习的知识，提高了我们的实践能力，使我们的学习生活更加充实丰富。

14

九、参考文献

[1] 叶斌.电力电子应用技术.北京：清华大学出版社，2006. [2] 廖冬初，聂汉平．电力电子技术．湖北：华中科技大学出版，2007

[3] 王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2005． [4] 何希才．新型开关电源设计与应用．北京：科学出版社，2001 [5] 张乃国．电源技术．北京：中国电力出版社，1998. [6] 王兆安，刘进军．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2005

15