孫熙晨

（中共山東省委機(jī)關(guān)政務(wù)保障中心，山東濟(jì)南，250004）

0 引言

直流變直流電路(DC-DC Converter)，也叫斬波電路(DC Chopper)。能將一種直流電源變換成另一種具有不同輸出特性的直流電源的電路，是開(kāi)關(guān)電源的核心。跟交交變換一樣，直流變直流也分為直接直流變流電路和間接直流變流電路。其中，Buck 電路和Boost 電路是DC-DC 變換器最基本的兩種拓?fù)湫问?。DC-DC 變換器的主要功能是變換直流電壓等級(jí)，隔離變壓器則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取，其基本作用是輸入輸出之間的隔離，也可以進(jìn)行變壓用。無(wú)論哪一種DC-DC 變換器，主回路使用的元器件都是功率半導(dǎo)體、電感、電容。目前使用的開(kāi)關(guān)器件主要有MOSFET、IGBT 以及二極管等。電感和電容則是存儲(chǔ)和傳遞電能的元件。DC-DC 變換器的基本手段是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，使帶有濾波器的負(fù)載和直流電源一會(huì)兒接通，一會(huì)兒斷開(kāi)，從而在負(fù)載上得到另一個(gè)等級(jí)的電壓。其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、電路形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，在信息、航天、家電、軍事、交通等各個(gè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)流程

為了直觀的顯示整個(gè)設(shè)計(jì)流程，畫(huà)出的流程圖如圖1 所示。

圖1 整體流程圖設(shè)計(jì)

2 Buck 電路

2.1 Buck 電路工作原理和理論推導(dǎo)

降壓電路（Buck 電路），顧名思義，就是將一個(gè)原本比較高的電壓轉(zhuǎn)換成電壓較低的電路，即輸出電壓小于等于輸入電壓的單管非隔離直流變換電路。電路使用全控型器件為MOSFET 管IRF540N,通過(guò)在電力MOSFET 管的控制端輸入控制信號(hào)以得到所需要的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)降壓。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。

（1）當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時(shí)

當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1 導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管反向偏置截止，電容開(kāi)始充電，直流電壓源V1 通過(guò)電感L1 向負(fù)載傳遞能量。此時(shí)，電感電流iL線性增長(zhǎng)，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量也逐步增加。負(fù)載R 流過(guò)電流Oi，兩端輸出電壓UO上正下負(fù)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期sT內(nèi)開(kāi)關(guān)管Q1 導(dǎo)通的時(shí)間為ton。這時(shí)電流流經(jīng)路徑如圖2 所示。

圖2 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)電流流經(jīng)路徑

（2）當(dāng)MOSFET 關(guān)閉時(shí)

當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1 關(guān)斷時(shí)，由于電感電流iL不能突變，所以iL通過(guò)二極管D1 續(xù)流，電感電流隨之逐漸減小，電感上的能量逐步消耗在負(fù)載上，iL降低，L1 上儲(chǔ)存的能量減小。電感電流減小時(shí)，電感兩端的電壓UL改變極性，二極管D 承受正向偏壓而導(dǎo)通，構(gòu)成了續(xù)流回路，負(fù)載R 兩端的電壓仍保持上正下負(fù)。當(dāng)iL＜io時(shí)，電容處于放電狀態(tài)以維持io和Uo不變。在一個(gè)周期Ts內(nèi)開(kāi)關(guān)管Q1 關(guān)斷的時(shí)間為T(mén)s?ton。此時(shí)電流流經(jīng)路徑如圖3 所示。

圖3 當(dāng)MOSFET 關(guān)閉時(shí)電流流經(jīng)路徑

在穩(wěn)態(tài)分析中，假定輸出端濾波電容很大，我們可以認(rèn)為輸出電壓是平直的。同樣，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容的平均電流為零，是因?yàn)锽uck 變換器中電感平均電流等于平均輸出電流Io。在連續(xù)導(dǎo)電模式下，電感電流不會(huì)減小到0，前一個(gè)周期結(jié)束時(shí)刻和下一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)刻電流是連續(xù)的。至一個(gè)周期結(jié)束，在驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管MOSEFT 導(dǎo)通，重復(fù)上一個(gè)周期的過(guò)程，當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為：

輸出到負(fù)載的電壓平均值U。最大為E,減小占空比a，U。隨之減小因此將該電路稱為降壓斬波電路、也有很多文獻(xiàn)中直接使用其英文名稱，稱為buck 變換器(Buck Converter)。

根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)試的方式不同可分為三種工作方式:

(1)保持開(kāi)關(guān)周期T 不變,調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton,稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM 調(diào)制)此種方式應(yīng)用最多。

(2)保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變,改變開(kāi)關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制。

(3)T 和ton都可調(diào)，改變占空比稱為混合型。

2.2 主要器件的選擇

主電路中電源選擇的是24V，降壓后的電壓為12V，電感及電阻的參數(shù)由設(shè)計(jì)要求給定確定，而根據(jù)設(shè)計(jì)可知電源為24V，所以可選擇MOSFET 管的型號(hào)是IRF540N。同樣對(duì)于二極管可選擇BYD77D，電感值為100Hμ，電容值為220Fμ，電阻值為100 ?。

2.3 控制電路方案選擇

MOSFET 控制電路的功能:有給變流器的電子開(kāi)關(guān)提供控制信號(hào),以及對(duì)保護(hù)信號(hào)作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號(hào)。這里使用信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生PWM 波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在Multisim 中可以設(shè)置占空比的具體數(shù)值，這里我們?cè)O(shè)置頻率為30kHz 占空比為50%。

2.4 Multisim 的波形仿真與分析

我們使用Multisim 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在電路末端設(shè)置電壓表采集電壓，電流表采集電流，并設(shè)置示波器顯示Buck 電路降壓后的波形，波形如圖4 所示。

圖4 Buck 電路波形顯示

由圖可知，我們?cè)O(shè)置的時(shí)基標(biāo)度是1ms/Div，即一格是1ms，通道A 的刻度為10V/Div，即一格是10V，Buck 電路的輸出電壓先升高再降低最終在4.8ms 的時(shí)候穩(wěn)定,使用通道A 展示電路穩(wěn)定電壓為11.768V。

此時(shí)電壓表和電流表的顯示為：電壓表顯示的電壓值為11.8V，電流表顯示的電流值為398mA，和圖3-5 顯示的輸出波形相一致，電壓表和電流表的數(shù)值是正確的，另外也符合了輸出電壓為12V,誤差不超過(guò)5%的設(shè)計(jì)要求。

3 Cuk 電路的設(shè)計(jì)

3.1 Cuk 電路的工作原理

Cuk 電路是直流升降壓斬波電路的一種，是把電源電壓在不等的占空比控制下轉(zhuǎn)換成電壓可升也可降的電路，先其在Multisim 中畫(huà)出電路圖。

主要元件包括24V 直流電源、開(kāi)關(guān)管Q2、儲(chǔ)能電感L2、快恢復(fù)二極管D2 等，負(fù)載R2 為電阻性負(fù)載，電容C3 主要用于維持輸出電壓并向負(fù)載供電。V4 為函數(shù)發(fā)生器，主要用于產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)，另外電路中設(shè)置了電壓表和示波器來(lái)測(cè)量電壓輸出平均值和輸出波形。為了便于分析我們采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)進(jìn)行分析。

（1）開(kāi)關(guān)管Q2 導(dǎo)通時(shí)

圖中當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2 處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，直流電源V3 經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管Q2 向2L 供電并存儲(chǔ)能量，此時(shí)電容C2 向負(fù)載R 供電，C3 穩(wěn)壓電容是用于穩(wěn)壓。此時(shí)電流流經(jīng)路徑為E-L-Q2 回路和R-L3-C2-Q2 回路，如圖5 所示。

（2）當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2 關(guān)閉時(shí)

當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2 關(guān)斷時(shí)，電感L2 中的能量向負(fù)載釋放，并且此時(shí)負(fù)載電壓方向?yàn)橄抡县?fù)，可以看出Cuk 輸出電壓和電源輸人電壓極性相反，故本電路中示波器和電壓表極性也為下正上負(fù)以和負(fù)載電壓極性匹配。此時(shí)電流流經(jīng)路徑E-L2-C2-D2 回路和D2-R2-L3 回路，如圖6 所示。

圖6 開(kāi)關(guān)管Q2 關(guān)閉時(shí)電流流經(jīng)路徑

由于電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L 在一個(gè)周期T 中兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分為零，在該電路中。穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C 的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零。也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即

由式可知，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的占空比，就可以控制Cuk電路的輸出電壓，與升降壓斬波電路相比，Cuk 斬波電路有個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸電流都是連續(xù)的。沒(méi)有階躍變化，有利于對(duì)輸人、輸出進(jìn)行濾波。

3.2 主要器件的選擇

主電路中電源選擇的是24V，降壓后的電壓為12V，電感及電阻的參數(shù)由設(shè)計(jì)要求給定確定，可選擇MOSFET 管的型號(hào)是IRF540N。同樣對(duì)于二極管可選擇BYD77D，電感 2L值為160Hμ，電感 3L值為160Hμ，電容C2值為220Fμ，電容3C值為220Fμ，電阻值為100 ?。

3.3 控制電路方案選擇

MOSFET 控制電路的功能:有給變流器的電子開(kāi)關(guān)提供控制信號(hào),以及對(duì)保護(hù)信號(hào)作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號(hào)，這里使用信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生PWM 波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，設(shè)置頻率為30kHz，由于為了和Buck 電路一致，使Cuk 電路工作在降壓狀態(tài)，即開(kāi)關(guān)管的占空比小于50%，這里設(shè)置的占空比為33.3%。

3.4 Multisim 的波形仿真與分析

我們使用Multisim 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在電路末端設(shè)置電壓表采集電壓，電流表采集電流，并設(shè)置示波器顯示Cuk 電路降壓后的波形，波形如圖7 所示。

圖7 Cuk 電路降壓后的波形

由圖可知，我們?cè)O(shè)置的時(shí)基標(biāo)度是1ms/Div，即一格是1ms，通道A 的刻度為20V/Div，即一格是20V，Buck 電路的輸出電壓先升高再降低最終在4.2ms 的時(shí)候穩(wěn)定,使用通道A 展示電路穩(wěn)定電壓數(shù)值大小為11.768V。

為了驗(yàn)證Cuk 電路輸出電壓的值和電流的值是負(fù)值，使用電壓表和電流表進(jìn)行顯示，電壓表顯示的電壓值為-12.2V，電流表顯示的電流值為-1.02mA，均是負(fù)數(shù)，和理論分析相吻合，電壓表和電流表的數(shù)值是正確的，另外也符合了輸出電壓為12V,誤差不超過(guò)5%的設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

本文首先畫(huà)出直流斬波電路（Buck 電路和Cuk 電路）的電路結(jié)構(gòu)和推到相應(yīng)工作原理，并利用Multisim 進(jìn)行了電路的仿真。首先運(yùn)Multisim 畫(huà)出Buck 電路和Cuk 電路的仿真原理圖，并設(shè)置了采集輸出電壓的電壓表和電流表和示波器，然后分別分析電力MOSFET 在導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)的電路工作狀態(tài)，電流流經(jīng)路徑，以此推導(dǎo)Buck 電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系和負(fù)載電流平均值，Cuk 電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，其中α代表占空比，要實(shí)現(xiàn)降壓，Buck 電路的占空比調(diào)節(jié)范圍0～1 之間，Cuk 電路的占空比調(diào)節(jié)范圍0～50%。

然后使用畫(huà)出的原理圖進(jìn)行仿真電路的工作波形，我們使用的是24V 的直流輸入電壓，想得到的是12 的直流輸出電壓，Buck 電路的占空比設(shè)置為50%，通過(guò)仿真結(jié)果分析得出Buck 電路的輸出電壓是11,768V，電流值為398mA，且和要求的誤差小于5%，符合設(shè)計(jì)要求。Cuk 電路的輸出為-12.2V，電流值為-1.02 mA，與分析的輸出電壓極性與輸出電壓極性相反，數(shù)值是正確的，且要求的誤差小于5%。通過(guò)調(diào)節(jié)Buck電路和Cuk 電路的占空比可以將輸入直流電壓斬波變換為輸出電壓不等的電壓值。