Buck開關變換器的基本參數設計及仿真分析

鐘明航

摘要：本文主要用電力電子仿真軟件Saber，對電力變換器中的降壓Buck變換器進行仿真分析，給出Buck變換器系統工作頻率的計算方法、過流保護方式和元件器參數選型原則。變換器開關管一般依據電路參數選取可以通過相應電流并承受相應電壓的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斷速度，驅動電路的設計就尤為關鍵，文中給出了一種三極管結構的驅動電路以及驅動電路各元器件參數計算方法。用Saber繪制Buck電路并仿真，結果表明參數設計合理。

關鍵詞：Saber Buck 仿真 三極管驅動

中圖分類號：TM461.5 文獻標識碼：A 文章編號：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備，設備至關重要一部分是電源，電源為各核心模塊提供動力，而復雜系統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、井下通訊設備、井下顯示器、低壓傳感器等低電壓用電設備電路的場合均有應用。Saber軟件是一款專業的電力系統仿真軟件，對于給定的電路原理圖，方便快捷的實現多種參數仿真分析。利用輔助設計軟件仿真分析，能在實際電路搭建之初驗證電路的可行性，并指導變換器設計。

2 Buck變化器電路原理分析

Buck變換器主電路結構如圖1所示。Buck變化器由開關管S、電感L、續流二極管D、儲能濾波1電容C、負載電阻五部分組成[1]。在主電路結構中，為變換器輸入電壓，為變換器輸出電壓。

分析Buck變換器在一個周期內各元器件工作狀態：

當Buck變換器開關管S導通狀態時，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狀態，電流經過電感L，電流線性增加，電能轉化為磁能，儲存在電感中，電容處于儲能狀態，充電電流為，此時電源通過電感向負載傳輸能量，負載電流為。

當Buck變換器開關管S處于關斷狀態時，等效電路如圖3所示。開關管S關斷，根據楞次定律電感阻礙原狀態的變化，電感電壓左負右正，釋放反激能量，二極管D受到正向電壓，導通續流[2]。若變換器電感工作于連續導電模式，則負載由電感供電，存儲在電感中的磁能轉換為電能，向負載傳輸能量，負載電流為；若變換器電感工作于斷續導電模式，存儲在電感中的磁能轉換為電能，前期向負載供能，同時給電容充電，電容儲能，后期電感能量釋放完畢，由電容孤立向負載傳輸能量，負載電流為。

Buck變換器作為一種降壓變換器，實現了高電壓到低電壓的換流，在同一輸入電壓下，轉化為不同的低電壓為系統各模塊供電。

3 Buck變換器電路元器件選型與參數設計

采用UC3845構成的Buck變換器電路如圖4。其基本工作原理為，輸入直流穩定高電壓，電容c1濾波，經開關管Q1斬波后，得到高頻矩形波電壓，通過電感L1，再經電容c5濾波后，得到穩定的低輸出電壓[3-5]。圖中U1為峰值電流控制型芯片，外圍電路較為簡單，在開關變換器控制電路中應用非常廣泛，它在工作時輸出一定占空比的矩形波電壓，通過晶體管驅動電路，控制開關管Q1的開通與關斷，實現電壓斬波。

該Buck變換器的工作原理為，接通高壓直流電源后，經電容c1濾波，為UC3845提供系統工作電壓。電阻r1與電容c3構成定時電路，電阻r1對電容c3的充放電產生三角波，充放電速度決定系統工作頻率。電阻r3與電容c2接在芯片內部誤差放大器的輸出與反向輸入端構成比例積分PI補償電路。電阻r12、r5、c5構成過流保護電路，電阻r12為過流保護電阻。電阻r13、r15、r16、三極管Q2構成MOS管驅動電路，為MOS管提供一定占空比的驅動電壓。二極管D1為續流二極管，當開關管關斷后，為電感釋放反激能量提供續流回路，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，反饋電壓經過內部誤差放大器、比較器、推挽輸出電路、驅動電路、控制MOS管的通斷，控制輸出電壓。r6負載電阻[6-9]。

Buck電路器件選型，L1為儲能濾波電感，選用80?H的工字電感，開關管Q1選用IR公司的IRF9540型P-MOS，二極管D1工作于高頻狀態，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開關管驅動電路設計

如圖4所示，電阻r13、r15、r16、三極管Q2構成P-MOS管的驅動電路。驅動電路工作原理為，當芯片輸出高電平時，三極管Q1基極電壓高于發射極電壓，三極管導通，集電極有電流流過，輸入電壓通過柵源電阻r15給MOS管的柵源寄生電容充電，在MOS管的柵極和源極產生一個負電壓，達到開啟電壓后，開關管導通，當芯片輸出低電平時，三極管不導通，MOS管關斷。仿真電路器件型號，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，良好驅動P-MOS開關管。

5 Buck電路Saber仿真

Saber軟件是一款高集成度，集原理圖繪制、網絡表輸出、AC/DC仿真、瞬態分析等一體的電力電子專用軟件[10]。Saber有強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間，縱軸為電壓電流值，可以看出變換器啟動后很快進入穩態，紋波電壓較小，電路正常工作。

驅動電路柵極電壓波形如圖6。

柵極電壓波形為驅動電路輸出電壓波形，高電平開關管導通，低電平開關管關斷?？梢钥闯鲵寗硬ㄐ斡忻桌掌脚_存在，仿真與實際MOS管寄生特性相符，可以指導實踐電路設計。

6 結語

Saber軟件可以方便實現電路仿真，驗證電路設計的正確性。本文借助Saber軟件實現對Buck電路的仿真，當電源控制芯片輸出高電平時，驅動三極管導通，驅動功率回路開關管飽和導通，電源對電感充電；當芯片輸出低電平時，驅動三極管截止，功率開關管關斷，電感放電。仿真表明三極管電路驅動P-MOS開關管電路可行，為設計Buck電路提供基本的參數和可靠的保證。

參考文獻

[1]劉樹林，劉健.開關變換器分析與設計[M].北京：機械工業出版社，2010.9.

[2]裴文.DC-DC開關變換器建模、仿真與補償網絡設計與研究[D].2014.4.

[3]王英劍，常敏慧，何希才.新型開關電源實用技術[J].北京：電子工業出版社.

[4]高麗珍.新型礦用本質安全型電源的設計與研究[J].機械工程與自動化，2006（3）：125～127.

[5]賴兵.隔離式安全柵設計的一些體會[J].中國儀器儀表，2001：43-45.

[6]菜勁松.反激式變換器交叉調整率的研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[7]王英劍，等編著.新型開關電源實用技術[M].電子工業出版社，1999.

[8]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.9.

[9]李文龍.DC-DC技術的現狀與未來[J].電源技術，2007，04（1）：1-6.

[10]張華北，王直杰.基于Saber仿真的改進型半橋LLC變換器閉環電路設計[J].微型機與應用，2015，34（20）：28-35.