BUCK變換器課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

梅建偉　田艷芳　雷均　劉杰　魏海波

摘要：在分析BUCK變換器來由的基礎(chǔ)上，本文給出了直流變換電路的控制方法和工作原理，結(jié)合BUCK變換器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓和電流波形，對(duì)其三種工作狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和推導(dǎo)，同時(shí)對(duì)電感和電容的選型進(jìn)行了計(jì)算，在工程應(yīng)用中常常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了解析，并且給出了解決問題的辦法，該教學(xué)內(nèi)容促進(jìn)了BUCK變換器工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BUCK；電流臨界；故障診斷

本科教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目資助：面向電動(dòng)車輛工程方向的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與探討，項(xiàng)目編號(hào)：JX201603-1.

G712；TM46

（續(xù)26期）

（四）三種工況分析

1.臨界狀態(tài)

臨界狀態(tài)時(shí)： ， ；

臨界電感為：

2.電流工作狀態(tài)

當(dāng)電感的電感量 時(shí)，電流斷續(xù)；

當(dāng)電感的電感量 時(shí)，電流連續(xù)；

3.電容量大小計(jì)算

臨界狀態(tài)時(shí)：電容元件的充電電流的平均值為： ；

電容元件兩端電壓的變化量： ；

其中 ，故：

如果電容電壓的波動(dòng)量為： ，此時(shí)輸出電容的最小值為： ；

（五）實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的問題分析

1.MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制

BUCK變換器的MOSFET的源極是快速二極管的陰極，因此驅(qū)動(dòng)電路的地與主回路的地信號(hào)必須隔離，否則將造成電路短路，具體實(shí)現(xiàn)方式有以下三種方式：

（1） 驅(qū)動(dòng)電路的電源采用隔離電源方式

圖4 采用獨(dú)立電源形式驅(qū)動(dòng)電路 圖5 基于IR2117S的驅(qū)動(dòng)電路

脈沖信號(hào)經(jīng)過光耦隔離以后，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片以后驅(qū)動(dòng)MOSFET，其中PWM3信號(hào)接到MOSFET的柵極，隔離光耦以后的地位GND3，GND3接到MOSFET的源極，驅(qū)動(dòng)芯片的電源由隔離電源U3提供，U3輸入電源和輸出電源的地是隔離地信號(hào)。

（2） 采用具有自舉功能的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)

采用帶有自舉功能的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)MOSFET，該類型最典型的芯片是IR系列的驅(qū)動(dòng)芯片，比如單管驅(qū)動(dòng)芯片IR2117S，其典型應(yīng)用電路如圖5所示。

（3） 采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式

該驅(qū)動(dòng)方式在論文《全控型器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)工程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)》一文中有較為詳細(xì)的描述。

2.電感發(fā)熱

一般來說在BUCK變換器中，電感發(fā)熱的原因主要有以下兩種，一是線圈發(fā)熱，主要是線圈的電阻產(chǎn)生損耗，優(yōu)化措施時(shí)增大線徑，如果電流信號(hào)的頻率達(dá)到幾十K以上，此時(shí)采用多股細(xì)銅線進(jìn)行并聯(lián)，比如利茲線；二是鐵芯發(fā)熱，應(yīng)該采用高頻導(dǎo)磁能力強(qiáng)和抗飽和能力強(qiáng)的鐵芯材料。

對(duì)于大電流的情況，通常我們采用銅帶或者將兩個(gè)鐵芯疊在一起繞制線圈，增大線圈的過流能力和抗飽和能力。

3.電感出現(xiàn)較大的刺耳聲音

實(shí)際使用能經(jīng)常聽到電感元件出現(xiàn)較大的刺耳的聲音，通常產(chǎn)生的原因有如下兩種，一是電感量過小，此時(shí)增大鐵芯的尺寸或者線圈匝數(shù)；二是鐵芯線圈的工作頻率與鐵芯的性質(zhì)不匹配，此時(shí)一般增大頻率或者在保證線圈發(fā)熱量沒有明顯改變的情況下減小開關(guān)器件的工作頻率。

4.MOSFET發(fā)熱嚴(yán)重

（1） 選用導(dǎo)通電阻比較小的MOSFET，在考慮其他電參數(shù)以及成本的情況下盡量選用RDS（on）小的MOSFET；（2） 選用柵極電荷小的MOSFET，柵極電荷越大，損耗越高，發(fā)熱越嚴(yán)重；（3） 在保證柵極驅(qū)動(dòng)波形沒有畸變的情況下（重載時(shí)），盡量增大柵極電阻；（4） 脈沖寬度過大；（5） 改用多個(gè)MOSFET進(jìn)行并聯(lián)的方式，實(shí)質(zhì)上增大了散熱面積，平攤了MOSFET發(fā)熱量。

5.輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系與理論值相差較大

理論上，輸出電壓 ，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通常輸出電壓小于理論值，如果輸出電壓實(shí)際值與理論值相差太大，主要有以下原因：

（1） 負(fù)載太重；（2） 電感量過??；（3） 頻率太低，或者在當(dāng)前的頻率下電感出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；（4） 脈沖寬度的上限不足，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

6.幾個(gè)關(guān)鍵器件的選型

（1） 續(xù)流二極管

a） 根據(jù)圖2所示的波形，計(jì)算二極管的幾個(gè)重要參數(shù)，詳見《電力電子技術(shù)中電力二極管教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)》中的第5條。b） 由于該電路工作在高頻狀態(tài)，根據(jù)開關(guān)工作時(shí)間，選擇快速二極管或者肖特基二極管；c） 當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，其導(dǎo)通損耗為 ，因此盡量選擇導(dǎo)通壓降小的二極管；

（2） 電感

a） 根據(jù)圖2所示的波形，計(jì)算電感元件的電感量、電感元件電流的平均值和電感元件中電流的最大值；b） 由于該電路工作在高頻狀態(tài)，選擇高頻導(dǎo)磁材料，比如鐵氧體、鐵硅鋁、鎳氫合金等；c） 由于電感中電流波動(dòng)大，鐵芯電感元件容易飽和，因此要選用抗飽和能力強(qiáng)的磁芯材料，比如鐵硅鋁；

（3） 電容

a） 根據(jù)項(xiàng)目要求的輸出電壓紋波，計(jì)算需要的電容量的最小值；b） 根據(jù)電容兩端電壓的波形，計(jì)算電容兩端電壓的最大值，一般電容的耐壓等于該電壓的兩倍；c） 盡量選用低等效電感和低等效電阻的電容元件；

5.7 BUCK變換器空載運(yùn)行

當(dāng)BUCK變換器在滿載工作時(shí)，如果突然負(fù)載斷開，此時(shí)電容兩端的電壓泵升，同時(shí)電感中儲(chǔ)存的能量迅速轉(zhuǎn)移到電容中，使得電容兩端的電壓進(jìn)一步升高，容易造成該電路的損壞和引起較大的超調(diào)量，因此該電路通常情況下施加一定的假負(fù)載，即在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)較大阻值的電阻。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

作者簡介：梅建偉（1978-），男，湖北麻城人，副教授，碩士研究生，研究方向：電力電子變換技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)方面的研究。