BUCK變換器工程教學內(nèi)容設(shè)計

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)點的電壓和電流波形，對其三種工作狀態(tài)進行了詳細的理論分析和推導，同時對電感和電容的選型進行了計算，在工程應(yīng)用中常常出現(xiàn)的問題進行了解析，并且給出了解決問題的辦法，該教學內(nèi)容促進了BUCK變換器工程應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】BUCK；電流臨界；故障診斷；

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

【分類號】G643；G254.97-4

4、三種工況分析

4.1 臨界狀態(tài)

5、實際使用時經(jīng)常出現(xiàn)的問題分析

5.1 MOSFET驅(qū)動信號控制

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

1） 驅(qū)動電路的電源采用隔離電源方式

脈沖信號經(jīng)過光耦隔離以后，再經(jīng)過驅(qū)動芯片以后驅(qū)動MOSFET，其中PWM3信號接到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。

2） 采用具有自舉功能的驅(qū)動芯片驅(qū)動

采用帶有自舉功能的驅(qū)動芯片驅(qū)動MOSFET，該類型最典型的芯片是IR系列的驅(qū)動芯片，比如單管驅(qū)動芯片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)動方式

該驅(qū)動方式在論文《全控型器件驅(qū)動技術(shù)工程教學內(nèi)容設(shè)計》一文中有較為詳細的描述。

5.2 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)化措施時增大線徑，如果電流信號的頻率達到幾十K以上，此時采用多股細銅線進行并聯(lián)，比如利茲線；二是鐵芯發(fā)熱，應(yīng)該采用高頻導磁能力強和抗飽和能力強的鐵芯材料。

對于大電流的情況，通常我們采用銅帶或者將兩個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。

5.3 電感出現(xiàn)較大的刺耳聲音

實際使用能經(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。

5.4 MOSFET發(fā)熱嚴重

1） 選用導通電阻比較小的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)熱越嚴重；

3） 在保證柵極驅(qū)動波形沒有畸變的情況下（重載時），盡量增大柵極電阻；

4） 脈沖寬度過大；

5） 改用多個MOSFET進行并聯(lián)的方式，實質(zhì)上增大了散熱面積，平攤了MOSFET發(fā)熱量。

5.5 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 ，實際系統(tǒng)運行時通常輸出電壓小于理論值，如果輸出電壓實際值與理論值相差太大，主要有以下原因：

1） 負載太重；

2） 電感量過小；

3） 頻率太低，或者在當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，無法達到設(shè)計要求；

5.6 幾個關(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，計算二極管的幾個重要參數(shù)，詳見《電力電子技術(shù)中電力二極管教學內(nèi)容設(shè)計》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)工作時間，選擇快速二極管或者肖特基二極管；

c） 當二極管導通時，其導通損耗為 ，因此盡量選擇導通壓降小的二極管；

2） 電感

a） 根據(jù)圖2所示的波形，計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大，鐵芯電感元件容易飽和，因此要選用抗飽和能力強的磁芯材料，比如鐵硅鋁；

3） 電容

a） 根據(jù)項目要求的輸出電壓紋波，計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變換器空載運行

當BUCK變換器在滿載工作時，如果突然負載斷開，此時電容兩端的電壓泵升，同時電感中儲存的能量迅速轉(zhuǎn)移到電容中，使得電容兩端的電壓進一步升高，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載，即在負載兩端并聯(lián)一個較大阻值的電阻。

參考文獻：

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

[2]邢巖等.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：梅建偉（1978.10）男，湖北麻城，副教授，碩士研究生，湖北汽車工業(yè)學院，研究方向：電力電子變換技術(shù)以及電機控制技術(shù)方面的研究。