论文部分内容阅读
摘要：在分析BUCK变换器来由的基础上，本文给出了直流变换电路的控制方法和工作原理，结合BUCK变换器关键节点的电压和电流波形，对其三种工作状态进行了详细的理论分析和推导，同时对电感和电容的选型进行了计算，在工程应用中常常出现的问题进行了解析，并且给出了解决问题的办法，该教学内容促进了BUCK变换器工程应用。
关键词：BUCK；电流临界；故障诊断
本科教学建设与改革项目资助：面向电动车辆工程方向的自动化专业人才培养模式研究与探讨，项目编号：JX201603-1.
G712；TM46
（续26期）
（四）三种工况分析
1.临界状态
临界状态时： ， ；
临界电感为：
2.电流工作状态
当电感的电感量 时，电流断续；
当电感的电感量 时，电流连续；
3.电容量大小计算
临界状态时：电容元件的充电电流的平均值为： ；
电容元件两端电压的变化量： ；
其中 ，故：
如果电容电压的波动量为： ，此时输出电容的最小值为： ；
（五）实际使用时经常出现的问题分析
1.MOSFET驱动信号控制
BUCK变换器的MOSFET的源极是快速二极管的阴极，因此驅动电路的地与主回路的地信号必须隔离，否则将造成电路短路，具体实现方式有以下三种方式：
（1） 驱动电路的电源采用隔离电源方式
图4 采用独立电源形式驱动电路 图5 基于IR2117S的驱动电路
脉冲信号经过光耦隔离以后，再经过驱动芯片以后驱动MOSFET，其中PWM3信号接到MOSFET的栅极，隔离光耦以后的地位GND3，GND3接到MOSFET的源极，驱动芯片的电源由隔离电源U3提供，U3输入电源和输出电源的地是隔离地信号。
（2） 采用具有自举功能的驱动芯片驱动
采用带有自举功能的驱动芯片驱动MOSFET，该类型最典型的芯片是IR系列的驱动芯片，比如单管驱动芯片IR2117S，其典型应用电路如图5所示。
（3） 采用脉冲变压器隔离驱动方式
该驱动方式在论文《全控型器件驱动技术工程教学内容设计》一文中有较为详细的描述。
2.电感发热
一般来说在BUCK变换器中，电感发热的原因主要有以下两种，一是线圈发热，主要是线圈的电阻产生损耗，优化措施时增大线径，如果电流信号的频率达到几十K以上，此时采用多股细铜线进行并联，比如利兹线；二是铁芯发热，应该采用高频导磁能力强和抗饱和能力强的铁芯材料。
对于大电流的情况，通常我们采用铜带或者将两个铁芯叠在一起绕制线圈，增大线圈的过流能力和抗饱和能力。
3.电感出现较大的刺耳声音
实际使用能经常听到电感元件出现较大的刺耳的声音，通常产生的原因有如下两种，一是电感量过小，此时增大铁芯的尺寸或者线圈匝数；二是铁芯线圈的工作频率与铁芯的性质不匹配，此时一般增大频率或者在保证线圈发热量没有明显改变的情况下减小开关器件的工作频率。
4.MOSFET发热严重
（1） 选用导通电阻比较小的MOSFET，在考虑其他电参数以及成本的情况下尽量选用RDS（on）小的MOSFET；（2） 选用栅极电荷小的MOSFET，栅极电荷越大，损耗越高，发热越严重；（3） 在保证栅极驱动波形没有畸变的情况下（重载时），尽量增大栅极电阻；（4） 脉冲宽度过大；（5） 改用多个MOSFET进行并联的方式，实质上增大了散热面积，平摊了MOSFET发热量。
5.输出电压与输入电压之间的关系与理论值相差较大
理论上，输出电压 ，实际系统运行时通常输出电压小于理论值，如果输出电压实际值与理论值相差太大，主要有以下原因：
（1） 负载太重；（2） 电感量过小；（3） 频率太低，或者在当前的频率下电感出现饱和现象；（4） 脉冲宽度的上限不足，无法达到设计要求；
6.几个关键器件的选型
（1） 续流二极管
a） 根据图2所示的波形，计算二极管的几个重要参数，详见《电力电子技术中电力二极管教学内容设计》中的第5条。b） 由于该电路工作在高频状态，根据开关工作时间，选择快速二极管或者肖特基二极管；c） 当二极管导通时，其导通损耗为 ，因此尽量选择导通压降小的二极管；
（2） 电感
a） 根据图2所示的波形，计算电感元件的电感量、电感元件电流的平均值和电感元件中电流的最大值；b） 由于该电路工作在高频状态，选择高频导磁材料，比如铁氧体、铁硅铝、镍氢合金等；c） 由于电感中电流波动大，铁芯电感元件容易饱和，因此要选用抗饱和能力强的磁芯材料，比如铁硅铝；
（3） 电容
a） 根据项目要求的输出电压纹波，计算需要的电容量的最小值；b） 根据电容两端电压的波形，计算电容两端电压的最大值，一般电容的耐压等于该电压的两倍；c） 尽量选用低等效电感和低等效电阻的电容元件；
5.7 BUCK变换器空载运行
当BUCK变换器在满载工作时，如果突然负载断开，此时电容两端的电压泵升，同时电感中储存的能量迅速转移到电容中，使得电容两端的电压进一步升高，容易造成该电路的损坏和引起较大的超调量，因此该电路通常情况下施加一定的假负载，即在负载两端并联一个较大阻值的电阻。
参考文献：
[1]王兆安，黃俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
作者简介：梅建伟（1978-），男，湖北麻城人，副教授，硕士研究生，研究方向：电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。
关键词：BUCK；电流临界；故障诊断
本科教学建设与改革项目资助：面向电动车辆工程方向的自动化专业人才培养模式研究与探讨，项目编号：JX201603-1.
G712；TM46
（续26期）
（四）三种工况分析
1.临界状态
临界状态时： ， ；
临界电感为：
2.电流工作状态
当电感的电感量 时，电流断续；
当电感的电感量 时，电流连续；
3.电容量大小计算
临界状态时：电容元件的充电电流的平均值为： ；
电容元件两端电压的变化量： ；
其中 ，故：
如果电容电压的波动量为： ，此时输出电容的最小值为： ；
（五）实际使用时经常出现的问题分析
1.MOSFET驱动信号控制
BUCK变换器的MOSFET的源极是快速二极管的阴极，因此驅动电路的地与主回路的地信号必须隔离，否则将造成电路短路，具体实现方式有以下三种方式：
（1） 驱动电路的电源采用隔离电源方式
图4 采用独立电源形式驱动电路 图5 基于IR2117S的驱动电路
脉冲信号经过光耦隔离以后，再经过驱动芯片以后驱动MOSFET，其中PWM3信号接到MOSFET的栅极，隔离光耦以后的地位GND3，GND3接到MOSFET的源极，驱动芯片的电源由隔离电源U3提供，U3输入电源和输出电源的地是隔离地信号。
（2） 采用具有自举功能的驱动芯片驱动
采用带有自举功能的驱动芯片驱动MOSFET，该类型最典型的芯片是IR系列的驱动芯片，比如单管驱动芯片IR2117S，其典型应用电路如图5所示。
（3） 采用脉冲变压器隔离驱动方式
该驱动方式在论文《全控型器件驱动技术工程教学内容设计》一文中有较为详细的描述。
2.电感发热
一般来说在BUCK变换器中，电感发热的原因主要有以下两种，一是线圈发热，主要是线圈的电阻产生损耗，优化措施时增大线径，如果电流信号的频率达到几十K以上，此时采用多股细铜线进行并联，比如利兹线；二是铁芯发热，应该采用高频导磁能力强和抗饱和能力强的铁芯材料。
对于大电流的情况，通常我们采用铜带或者将两个铁芯叠在一起绕制线圈，增大线圈的过流能力和抗饱和能力。
3.电感出现较大的刺耳声音
实际使用能经常听到电感元件出现较大的刺耳的声音，通常产生的原因有如下两种，一是电感量过小，此时增大铁芯的尺寸或者线圈匝数；二是铁芯线圈的工作频率与铁芯的性质不匹配，此时一般增大频率或者在保证线圈发热量没有明显改变的情况下减小开关器件的工作频率。
4.MOSFET发热严重
（1） 选用导通电阻比较小的MOSFET，在考虑其他电参数以及成本的情况下尽量选用RDS（on）小的MOSFET；（2） 选用栅极电荷小的MOSFET，栅极电荷越大，损耗越高，发热越严重；（3） 在保证栅极驱动波形没有畸变的情况下（重载时），尽量增大栅极电阻；（4） 脉冲宽度过大；（5） 改用多个MOSFET进行并联的方式，实质上增大了散热面积，平摊了MOSFET发热量。
5.输出电压与输入电压之间的关系与理论值相差较大
理论上，输出电压 ，实际系统运行时通常输出电压小于理论值，如果输出电压实际值与理论值相差太大，主要有以下原因：
（1） 负载太重；（2） 电感量过小；（3） 频率太低，或者在当前的频率下电感出现饱和现象；（4） 脉冲宽度的上限不足，无法达到设计要求；
6.几个关键器件的选型
（1） 续流二极管
a） 根据图2所示的波形，计算二极管的几个重要参数，详见《电力电子技术中电力二极管教学内容设计》中的第5条。b） 由于该电路工作在高频状态，根据开关工作时间，选择快速二极管或者肖特基二极管；c） 当二极管导通时，其导通损耗为 ，因此尽量选择导通压降小的二极管；
（2） 电感
a） 根据图2所示的波形，计算电感元件的电感量、电感元件电流的平均值和电感元件中电流的最大值；b） 由于该电路工作在高频状态，选择高频导磁材料，比如铁氧体、铁硅铝、镍氢合金等；c） 由于电感中电流波动大，铁芯电感元件容易饱和，因此要选用抗饱和能力强的磁芯材料，比如铁硅铝；
（3） 电容
a） 根据项目要求的输出电压纹波，计算需要的电容量的最小值；b） 根据电容两端电压的波形，计算电容两端电压的最大值，一般电容的耐压等于该电压的两倍；c） 尽量选用低等效电感和低等效电阻的电容元件；
5.7 BUCK变换器空载运行
当BUCK变换器在满载工作时，如果突然负载断开，此时电容两端的电压泵升，同时电感中储存的能量迅速转移到电容中，使得电容两端的电压进一步升高，容易造成该电路的损坏和引起较大的超调量，因此该电路通常情况下施加一定的假负载，即在负载两端并联一个较大阻值的电阻。
参考文献：
[1]王兆安，黃俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
作者简介：梅建伟（1978-），男，湖北麻城人，副教授，硕士研究生，研究方向：电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。