Buck开关变换器的基本参数设计及仿真分析

钟明航

摘要：本文主要用电力电子仿真软件Saber，对电力变换器中的降压Buck变换器进行仿真分析，给出Buck变换器系统工作频率的计算方法、过流保护方式和元件器参数选型原则。变换器开关管一般依据电路参数选取可以通过相应电流并承受相应电压的MOS器件，MOS管为电压控制型器件，电路要求MOS管有一定的开通和关断速度，驱动电路的设计就尤为关键，文中给出了一种三极管结构的驱动电路以及驱动电路各元器件参数计算方法。用Saber绘制Buck电路并仿真，结果表明参数设计合理。

关键词：Saber Buck 仿真 三极管驱动

中图分类号：TM461.5 文献标识码：A 文章编号：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

煤矿井下存在多种电器设备，设备至关重要一部分是电源，电源为各核心模块提供动力，而复杂系统中各模块工作于不同的电压，需要不同的电压变换电路，Buck电路作为一种直流-直流降压变换电路，在手持探地雷达、井下通讯设备、井下显示器、低压传感器等低电压用电设备电路的场合均有应用。Saber软件是一款专业的电力系统仿真软件，对于给定的电路原理图，方便快捷的实现多种参数仿真分析。利用辅助设计软件仿真分析，能在实际电路搭建之初验证电路的可行性，并指导变换器设计。

2 Buck变化器电路原理分析

Buck变换器主电路结构如图1所示。Buck变化器由开关管S、电感L、续流二极管D、储能滤波1电容C、负载电阻五部分组成[1]。在主电路结构中，为变换器输入电压，为变换器输出电压。

分析Buck变换器在一个周期内各元器件工作状态：

当Buck变换器开关管S导通状态时，等效电路如图2所示。二极管D因承受反向电压而处于截止状态，电流经过电感L，电流线性增加，电能转化为磁能，储存在电感中，电容处于储能状态，充电电流为，此时电源通过电感向负载传输能量，负载电流为。

当Buck变换器开关管S处于关断状态时，等效电路如图3所示。开关管S关断，根据楞次定律电感阻碍原状态的变化，电感电压左负右正，释放反激能量，二极管D受到正向电压，导通续流[2]。若变换器电感工作于连续导电模式，则负载由电感供电，存储在电感中的磁能转换为电能，向负载传输能量，负载电流为；若变换器电感工作于断续导电模式，存储在电感中的磁能转换为电能，前期向负载供能，同时给电容充电，电容储能，后期电感能量释放完毕，由电容孤立向负载传输能量，负载电流为。

Buck变换器作为一种降压变换器，实现了高电压到低电压的换流，在同一输入电压下，转化为不同的低电压为系统各模块供电。

3 Buck变换器电路元器件选型与参数设计

采用UC3845构成的Buck变换器电路如图4。其基本工作原理为，输入直流稳定高电压，电容c1滤波，经开关管Q1斩波后，得到高频矩形波电压，通过电感L1，再经电容c5滤波后，得到稳定的低输出电压[3-5]。图中U1为峰值电流控制型芯片，外围电路较为简单，在开关变换器控制电路中应用非常广泛，它在工作时输出一定占空比的矩形波电压，通过晶体管驱动电路，控制开关管Q1的开通与关断，实现电压斩波。

该Buck变换器的工作原理为，接通高压直流电源后，经电容c1滤波，为UC3845提供系统工作电压。电阻r1与电容c3构成定时电路，电阻r1对电容c3的充放电产生三角波，充放电速度决定系统工作频率。电阻r3与电容c2接在芯片内部误差放大器的输出与反向输入端构成比例积分PI补偿电路。电阻r12、r5、c5构成过流保护电路，电阻r12为过流保护电阻。电阻r13、r15、r16、三极管Q2构成MOS管驱动电路，为MOS管提供一定占空比的驱动电压。二极管D1为续流二极管，当开关管关断后，为电感释放反激能量提供续流回路，c5为输出滤波电容。电阻r6、r7为输出电压采样电阻，与控制芯片的反馈端相接，形成输出反馈回路，反馈电压经过内部误差放大器、比较器、推挽输出电路、驱动电路、控制MOS管的通断，控制输出电压。r6负载电阻[6-9]。

Buck电路器件选型，L1为储能滤波电感，选用80?H的工字电感，开关管Q1选用IR公司的IRF9540型P-MOS，二极管D1工作于高频状态，需要选用具有高频、大电流特性的肖特基二极管，如：1n5819。c5为输出滤波电容，需要选用极性电容，如：铝电解电容。

4 Buck开关管驱动电路设计

如图4所示，电阻r13、r15、r16、三极管Q2构成P-MOS管的驱动电路。驱动电路工作原理为，当芯片输出高电平时，三极管Q1基极电压高于发射极电压，三极管导通，集电极有电流流过，输入电压通过栅源电阻r15给MOS管的栅源寄生电容充电，在MOS管的栅极和源极产生一个负电压，达到开启电压后，开关管导通，当芯片输出低电平时，三极管不导通，MOS管关断。仿真电路器件型号，MOS管Q1为IRF9540型P-MOS，晶体管Q2为ZTX651。Q2基极限流电阻r13=470Ω，集电极电阻r16=1.5KΩ，栅源电阻r15=2KΩ，即可让三极管工作于饱和状态，良好驱动P-MOS开关管。

5 Buck电路Saber仿真

Saber软件是一款高集成度，集原理图绘制、网络表输出、AC/DC仿真、瞬态分析等一体的电力电子专用软件[10]。Saber有强大的输出波形观察工具SaberScope，可以方便提取输出电压电流波形，仿真Buck电路输出电压电流波形如图5。

输出电流波形横轴为时间，纵轴为电压电流值，可以看出变换器启动后很快进入稳态，纹波电压较小，电路正常工作。

驱动电路栅极电压波形如图6。

栅极电压波形为驱动电路输出电压波形，高电平开关管导通，低电平开关管关断。可以看出驱动波形有米勒平台存在，仿真与实际MOS管寄生特性相符，可以指导实践电路设计。

6 结语

Saber软件可以方便实现电路仿真，验证电路设计的正确性。本文借助Saber软件实现对Buck电路的仿真，当电源控制芯片输出高电平时，驱动三极管导通，驱动功率回路开关管饱和导通，电源对电感充电；当芯片输出低电平时，驱动三极管截止，功率开关管关断，电感放电。仿真表明三极管电路驱动P-MOS开关管电路可行，为设计Buck电路提供基本的参数和可靠的保证。

参考文献

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