BUCK變換器課程教學內容設計

梅建偉　田艷芳　雷均　劉杰　魏海波

摘要：在分析BUCK變換器來由的基礎上，本文給出了直流變換電路的控制方法和工作原理，結合BUCK變換器關鍵節點的電壓和電流波形，對其三種工作狀態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，在工程應用中常常出現的問題進行了解析，并且給出了解決問題的辦法，該教學內容促進了BUCK變換器工程應用。

關鍵詞：BUCK；電流臨界；故障診斷

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

G712；TM46

（續26期）

（四）三種工況分析

1.臨界狀態

臨界狀態時： ， ；

臨界電感為：

2.電流工作狀態

當電感的電感量 時，電流斷續；

當電感的電感量 時，電流連續；

3.電容量大小計算

臨界狀態時：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量為： ，此時輸出電容的最小值為： ；

（五）實際使用時經常出現的問題分析

1.MOSFET驅動信號控制

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，具體實現方式有以下三種方式：

（1） 驅動電路的電源采用隔離電源方式

圖4 采用獨立電源形式驅動電路 圖5 基于IR2117S的驅動電路

脈沖信號經過光耦隔離以后，再經過驅動芯片以后驅動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動芯片驅動

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

（3） 采用脈沖變壓器隔離驅動方式

該驅動方式在論文《全控型器件驅動技術工程教學內容設計》一文中有較為詳細的描述。

2.電感發熱

一般來說在BUCK變換器中，電感發熱的原因主要有以下兩種，一是線圈發熱，主要是線圈的電阻產生損耗，優化措施時增大線徑，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，比如利茲線；二是鐵芯發熱，應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。

3.電感出現較大的刺耳聲音

實際使用能經常聽到電感元件出現較大的刺耳的聲音，通常產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；二是鐵芯線圈的工作頻率與鐵芯的性質不匹配，此時一般增大頻率或者在保證線圈發熱量沒有明顯改變的情況下減小開關器件的工作頻率。

4.MOSFET發熱嚴重

（1） 選用導通電阻比較小的MOSFET，在考慮其他電參數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，發熱越嚴重；（3） 在保證柵極驅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進行并聯的方式，實質上增大了散熱面積，平攤了MOSFET發熱量。

5.輸出電壓與輸入電壓之間的關系與理論值相差較大

理論上，輸出電壓 ，實際系統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飽和現象；（4） 脈沖寬度的上限不足，無法達到設計要求；

6.幾個關鍵器件的選型

（1） 續流二極管

a） 根據圖2所示的波形，計算二極管的幾個重要參數，詳見《電力電子技術中電力二極管教學內容設計》中的第5條。b） 由于該電路工作在高頻狀態，根據開關工作時間，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，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[M].北京：機械工業出版社，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：電力電子變換技術以及電機控制技術方面的研究。