Buck開關(guān)變換器的基本參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真分析

鐘明航

摘要：本文主要用電力電子仿真軟件Saber，對(duì)電力變換器中的降壓Buck變換器進(jìn)行仿真分析，給出Buck變換器系統(tǒng)工作頻率的計(jì)算方法、過(guò)流保護(hù)方式和元件器參數(shù)選型原則。變換器開關(guān)管一般依據(jù)電路參數(shù)選取可以通過(guò)相應(yīng)電流并承受相應(yīng)電壓的MOS器件，MOS管為電壓控制型器件，電路要求MOS管有一定的開通和關(guān)斷速度，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就尤為關(guān)鍵，文中給出了一種三極管結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路以及驅(qū)動(dòng)電路各元器件參數(shù)計(jì)算方法。用Saber繪制Buck電路并仿真，結(jié)果表明參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

關(guān)鍵詞：Saber Buck 仿真 三極管驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TM461.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0131-02

Abstract：In this paper， power electronic simulation software Saber， on the power Buck converter simulation and analysis， calculation method gives Buck converter system operating frequency， mode and overcurrent protection component parameter selection principle. Converter switch circuit based on general parameters selected by the respective current and withstand voltage corresponding MOS device， MOS tube is a voltage-controlled device， MOS transistor circuit requires a certain degree of turn-on and turn-off speed， the drive circuit design is particularly critical， the paper gives a drive circuit transistor structure and the parameters of the various components driving circuit calculation. Draw with Saber Buck circuit and simulation results show that reasonable design parameters.

Key Words：Saber；Buck；Simulation；Transistor Drive

1 引言

煤礦井下存在多種電器設(shè)備，設(shè)備至關(guān)重要一部分是電源，電源為各核心模塊提供動(dòng)力，而復(fù)雜系統(tǒng)中各模塊工作于不同的電壓，需要不同的電壓變換電路，Buck電路作為一種直流-直流降壓變換電路，在手持探地雷達(dá)、井下通訊設(shè)備、井下顯示器、低壓傳感器等低電壓用電設(shè)備電路的場(chǎng)合均有應(yīng)用。Saber軟件是一款專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)于給定的電路原理圖，方便快捷的實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)仿真分析。利用輔助設(shè)計(jì)軟件仿真分析，能在實(shí)際電路搭建之初驗(yàn)證電路的可行性，并指導(dǎo)變換器設(shè)計(jì)。

2 Buck變化器電路原理分析

Buck變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。Buck變化器由開關(guān)管S、電感L、續(xù)流二極管D、儲(chǔ)能濾波1電容C、負(fù)載電阻五部分組成[1]。在主電路結(jié)構(gòu)中，為變換器輸入電壓，為變換器輸出電壓。

分析Buck變換器在一個(gè)周期內(nèi)各元器件工作狀態(tài)：

當(dāng)Buck變換器開關(guān)管S導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，等效電路如圖2所示。二極管D因承受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，電流經(jīng)過(guò)電感L，電流線性增加，電能轉(zhuǎn)化為磁能，儲(chǔ)存在電感中，電容處于儲(chǔ)能狀態(tài)，充電電流為，此時(shí)電源通過(guò)電感向負(fù)載傳輸能量，負(fù)載電流為。

當(dāng)Buck變換器開關(guān)管S處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，等效電路如圖3所示。開關(guān)管S關(guān)斷，根據(jù)楞次定律電感阻礙原狀態(tài)的變化，電感電壓左負(fù)右正，釋放反激能量，二極管D受到正向電壓，導(dǎo)通續(xù)流[2]。若變換器電感工作于連續(xù)導(dǎo)電模式，則負(fù)載由電感供電，存儲(chǔ)在電感中的磁能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載傳輸能量，負(fù)載電流為；若變換器電感工作于斷續(xù)導(dǎo)電模式，存儲(chǔ)在電感中的磁能轉(zhuǎn)換為電能，前期向負(fù)載供能，同時(shí)給電容充電，電容儲(chǔ)能，后期電感能量釋放完畢，由電容孤立向負(fù)載傳輸能量，負(fù)載電流為。

Buck變換器作為一種降壓變換器，實(shí)現(xiàn)了高電壓到低電壓的換流，在同一輸入電壓下，轉(zhuǎn)化為不同的低電壓為系統(tǒng)各模塊供電。

3 Buck變換器電路元器件選型與參數(shù)設(shè)計(jì)

采用UC3845構(gòu)成的Buck變換器電路如圖4。其基本工作原理為，輸入直流穩(wěn)定高電壓，電容c1濾波，經(jīng)開關(guān)管Q1斬波后，得到高頻矩形波電壓，通過(guò)電感L1，再經(jīng)電容c5濾波后，得到穩(wěn)定的低輸出電壓[3-5]。圖中U1為峰值電流控制型芯片，外圍電路較為簡(jiǎn)單，在開關(guān)變換器控制電路中應(yīng)用非常廣泛，它在工作時(shí)輸出一定占空比的矩形波電壓，通過(guò)晶體管驅(qū)動(dòng)電路，控制開關(guān)管Q1的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電壓斬波。

該Buck變換器的工作原理為，接通高壓直流電源后，經(jīng)電容c1濾波，為UC3845提供系統(tǒng)工作電壓。電阻r1與電容c3構(gòu)成定時(shí)電路，電阻r1對(duì)電容c3的充放電產(chǎn)生三角波，充放電速度決定系統(tǒng)工作頻率。電阻r3與電容c2接在芯片內(nèi)部誤差放大器的輸出與反向輸入端構(gòu)成比例積分PI補(bǔ)償電路。電阻r12、r5、c5構(gòu)成過(guò)流保護(hù)電路，電阻r12為過(guò)流保護(hù)電阻。電阻r13、r15、r16、三極管Q2構(gòu)成MOS管驅(qū)動(dòng)電路，為MOS管提供一定占空比的驅(qū)動(dòng)電壓。二極管D1為續(xù)流二極管，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，為電感釋放反激能量提供續(xù)流回路，c5為輸出濾波電容。電阻r6、r7為輸出電壓采樣電阻，與控制芯片的反饋端相接，形成輸出反饋回路，反饋電壓經(jīng)過(guò)內(nèi)部誤差放大器、比較器、推挽輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制MOS管的通斷，控制輸出電壓。r6負(fù)載電阻[6-9]。

Buck電路器件選型，L1為儲(chǔ)能濾波電感，選用80?H的工字電感，開關(guān)管Q1選用IR公司的IRF9540型P-MOS，二極管D1工作于高頻狀態(tài)，需要選用具有高頻、大電流特性的肖特基二極管，如：1n5819。c5為輸出濾波電容，需要選用極性電容，如：鋁電解電容。

4 Buck開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，電阻r13、r15、r16、三極管Q2構(gòu)成P-MOS管的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路工作原理為，當(dāng)芯片輸出高電平時(shí)，三極管Q1基極電壓高于發(fā)射極電壓，三極管導(dǎo)通，集電極有電流流過(guò)，輸入電壓通過(guò)柵源電阻r15給MOS管的柵源寄生電容充電，在MOS管的柵極和源極產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓，達(dá)到開啟電壓后，開關(guān)管導(dǎo)通，當(dāng)芯片輸出低電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，MOS管關(guān)斷。仿真電路器件型號(hào)，MOS管Q1為IRF9540型P-MOS，晶體管Q2為ZTX651。Q2基極限流電阻r13=470Ω，集電極電阻r16=1.5KΩ，柵源電阻r15=2KΩ，即可讓三極管工作于飽和狀態(tài)，良好驅(qū)動(dòng)P-MOS開關(guān)管。

5 Buck電路Saber仿真

Saber軟件是一款高集成度，集原理圖繪制、網(wǎng)絡(luò)表輸出、AC/DC仿真、瞬態(tài)分析等一體的電力電子專用軟件[10]。Saber有強(qiáng)大的輸出波形觀察工具SaberScope，可以方便提取輸出電壓電流波形，仿真Buck電路輸出電壓電流波形如圖5。

輸出電流波形橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓電流值，可以看出變換器啟動(dòng)后很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，紋波電壓較小，電路正常工作。

驅(qū)動(dòng)電路柵極電壓波形如圖6。

柵極電壓波形為驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓波形，高電平開關(guān)管導(dǎo)通，低電平開關(guān)管關(guān)斷?？梢钥闯鲵?qū)動(dòng)波形有米勒平臺(tái)存在，仿真與實(shí)際MOS管寄生特性相符，可以指導(dǎo)實(shí)踐電路設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

Saber軟件可以方便實(shí)現(xiàn)電路仿真，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。本文借助Saber軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)Buck電路的仿真，當(dāng)電源控制芯片輸出高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)功率回路開關(guān)管飽和導(dǎo)通，電源對(duì)電感充電；當(dāng)芯片輸出低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管截止，功率開關(guān)管關(guān)斷，電感放電。仿真表明三極管電路驅(qū)動(dòng)P-MOS開關(guān)管電路可行，為設(shè)計(jì)Buck電路提供基本的參數(shù)和可靠的保證。

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