电力电子的课程设计--BUCK变换器的设计

目录

一、设计要求 (2)

二、设计方案 (2)

三、电路的设计 (3)

四、主电路参数计算和元器件选择 (4)

1、IGBT (4)

2、二极管 (4)

3、电感 (4)

4、电容 (5)

五、各模块所选器件说明 (5)

1、变压器EI86 (5)

2、误差放大器UC3842 (5)

3、脉宽调制器SG3525 (6)

4、驱动器MC34152 (7)

5、三端正稳压器7815 (8)

六、电气原理总图及元器件明细表 (8)

七、课程设计心得 (10)

八、参考资料 (10)

汽车电力电子技术课程设计

——BUCK变换器的设计

一、设计要求

设计一稳压直流电源，输入为交流220V/50HZ，输出为直流15V的直流稳压电源，如下图1所示，其中DC-DC变换时主要采用BUCK变换器，变换器主器件采用IGBT，控制方式采用PWM控制。

图1 总电路原理框图

二、设计方案

小功率直流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2所示。

图2 直流稳压电源原理框图

三、电路的设计

G

a

b

c

Vi 0WM

V G

d

图3 Buck 变换器电路及相关波形

Buck 变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（Error Amplifier ，E/A ），脉宽调制器（Pulse Width Modulation ，PWM ）和驱动电路。

为了便于对Buck 变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设： a 、开关元件M1和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；

b 、电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance ，ESR ）和等效串联电感（Equivalent Series

inductance ，ESL ）等于零；

c 、输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小，可以忽略不计。

d 、采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。 在以上假设的基础上，下面我们对Buck 变换器的基本原理进行分析：

如图3所示，当开关元件M1导通时，电压V1与输入电压Vi 相等，晶体管D1处于反向截至状态，电流01=D I 。电流11L M I I =流经电感L1，电流线性增加。经过电容C1滤波后，产生输出电流O I 和输出电压O V 。采样网络R1和R2对输出电压O V 进行采样得到电压信号S V ，并与参考电压ref V 比较放大得到信号。如图3 a 所示，信号ea V 和线性上升的锯齿波信号tr V 比较。当ea tr V V >时，

控制信号WM V 和G V 跳变为低，开关元件M1截至。此时，电感L1为了保持其电流1

L I 不变，电感L1中的磁场将改变电感L1两端的电压极性。这时二极管D1承受正向偏压，并有电流1D I 流过，故称D1为续流二极管。若O L I I <1时，电容C1处于放电状态，有利于输出电流O I 和输出电压O V 保持恒定。开关元件截至的状态一直保持到下一个周期的开始，当又一次满足条件tr ea V V <时，开关元件M1再次导通，重复上面的过程。

仔细分析Buck 变换器的原理图可知，它的反馈环路是一个负反馈环路。如图2.3所示，当输出电压O V 升高时，电压S V 升高，所以误差放大器的输出电压ea V 降低。由于ea V 的降低，使得三角波tr V 更早的达到比较电平，所以导通时间on T 减小。因此，Buck 变换器的输入能量降低。由能量守恒可知，输出电压O V 降低。反之亦然。

V

O

Vea T

on V

O V

O

Vea

T

on

V

O

V

S V

S

四、主电路参数计算和元器件选择

BUCK 变换器的输入电压Ui 限定在20-30V ，考虑到裕量，取Ui ＝30V 作为计算参数来进行器件的选择。主电路中需要确定参数的元器件有IGBT 、二极管、电感、电容。

1、IGBT 当IGBT 截止时，IGBT 两端承受最大正压为30V 。当IGBT 导通时，IGBT

所承受最大电流为U 0/R L =15V/5Ω=3A 。故需选择集电极最大连续电流c I >3A 、反向击穿电压Bvceo>30V 的IGBT 。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流c I ≥6A ，反向击穿电压Bvceo ≥60V 的IGBT 。经查相关资料，选取型号为20N120CND 的IGBT 。

2、二极管 二极管所承受最大反压为30V 、最大电流趋近于3A ，故需选择Vc>30V 、

I>3A 的二极管。考虑2倍的安全裕量，选Umin=60V 、 Imin=6A 的二极管。经查相关资料，选取型号为FR602的二极管。

3、电感 选择大电感L ，使得电路能够续流。定IGBT 开关频率为f=50KHz ，此时的临

界电感为 L= U 0（Ui —U 0）/2fUiI=15x （30—15）/2x50000x30x3=0.025mH ，所以电感L>=0.025mH ，

取L=0.1mH。经查相关资料，选取型号为CMI1206101的电感。

4、电容选择的电容不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。

C= U0（Ui—U0）/8LΔUcf2 Ui =15x（30—15）/8x0.1mHx0.01x50Kx50K x30 =0.375uF，这里取C=0.5uF。经查相关资料，选取型号为CBB61的电容。

五、各模块所选器件说明

1、变压器EI86

采用220V/20V变压器，Ui=1.2*20V=24V，占空比设定为β=0.625，所以U0=Ui*β=24*0.625V=15V,符合设计要求，且变压器输出功率P=24*3W=72W。

2、误差放大器UC3842（工作电压：>16V）

图4 UC3842引脚图和内部电路方框图