基于大功率交错并联的BUCK变换器仿真设计--论文.docx

摘 要Buck电路就是降压斩波电路，是基本的DC-DC电路之一。用于直流到直流的降压变换。随着电力电子技术在生活中的应用，Buck变换器在一些如计算机、精密仪器等高性能的 DC-DC 直流变换器中经常使用。单个Buck变换器在进行大电流输出时，器件应力的增加，会产生效率和热量等方面的诸多问题。此外，为了提高动态响应，需要去耦电容和大量的输出滤波电路，这样便会进一步增加系统的成本和体积。因此，在低电压大电流的场合进行设计时，一般不会采用单个的Buck变换器。熟悉了Buck变换器的工作原理，了解了交错并联技术的基本原理及其优点，并分析了两相交错并联 Buck 电路的工作过程，通过具体的实例说明了 Buck 变换器的设计过程，使用MATLAB仿真软件对设计的电路进行仿真印证，通过对单个Buck变换器与交错并联Buck变换器的仿真结果的比较，得出交错并联技术可以减小输出电流纹波和增大纹波频率，降低滤波电容和磁性元件的要求，提高变换器的功率密度。关键词： Buck变换器，交错并联，MATLAB目 录第一章 概述3第二章 Buck电路42.1 Buck电路原理图42.2 Buck电路工作原理42.3 Buck电路在应用中的局限6第三章 交错并联73.1 交错并联简介73.2 交错并联的优点73.3 多相交错并联的Buck变换器连接方式8第四章 基于大功率交错并联的Buck变换器设计及仿真94.1 MATLAB简介94.2 设计意义及目的9 4.3 方案设计及仿真结果比较9 4.3.1 单个Buck变换器设计及仿真10 4.3.2 两相交错并联Buck变换器设计及仿真11 4.3.3 反馈控制PWM波两相交错并联Buck变换器设计及仿真11 4.4 仿真过程中出现的问题及解决办法12第五章 结语13第一章 概述Buck 电路，也称Buck变换器，是最基本的拓扑结构之一。随着电力电子技术在生活中的应用，Buck变换器在一些如计算机、精密仪器等高性能的 DC-DC 直流变换器中经常使用。然而随着变换器功率等级的提高，对于器件的要求越来越高，单个的Buck变换器并不能满足要求。人们发现，让变换器并联运行，可以在不增加器件应力的同时提高功率等级。因此，在输出大电流的场合，常常使用交错并联技术，这样开关管的电流仅仅是输出电流的几分之一，而且通过交错并联，可以减小输出电流纹波和降低开关损耗，从而提高变换器效率。大功率的交错并联Buck变换器的仿真设计及分析是基于软件MATLAB来实现的，MATLAB是电力电子技术里的常用软件，在熟练运用MATLAB的基础上，完成了此次设计及仿真。第二章 Buck电路2.1 Buck电路原理图Buck变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。Buck 变换器又称为降压斩波电路。电路原理图如图 1 所示。它是由全控型电力电子功率器件 V(图中使用的是IGBT，也可以使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路)、功率二极管 VD、由滤波电感 L 和滤波电容 C 组成的二阶低通滤波环节构成。图1 Buck变换器电路图另外，为获得 Buck 变换器电路的基本工作特性而又不能简化分析，假定该 Buck电路是理想电路，理想条件是： 全控型电力电子开关器件 S 和功率二极管导通和关断是瞬间完成的，并且不考虑在导通时的通态压降； 在一个开关周期内，输入直流电压ui保持不变；输出电压比较平直，忽略开关纹波，认为输出电压的平均值uo保持不变； 忽略电感等效串联电阻 ESL 和电容上等效电联电阻 ESR，认为其是理想的无源储能元件，忽略线路上的电阻。2.2 Buck电路工作原理在图1中，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带着蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示，若负载中无反电动势时，只需要令Em等于0，以下的分析及表达式均可使用。图2 电流连续时的波形图3 电流断续时的波形如图2中V的栅射电压uGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压U0=E，负载电流i0按指数曲线上升。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常使串联的电感L值较大。至一个周期结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2所示，负载电压的平均值为 U0=tonE/(ton+toff)=tonE/T=E (2-1)式中，ton为 V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。由式（2-1）可知，输出到负载的电压平均U0最大为E，减小占空比，U0随之减小，因此将该电路称为降压斩波电路。也有很多文献中直接使用其英文名称，称为Buck变换器。降压型开关变换器在开关导通和关断过程中，忽略开关变换器的暂态过程，认为开关变换器已达到了稳态。按照电感电流在一个开关周期内总是大于零，把这种工作模式称为电流连续导电模式，即 CCM 模式，其波形图如图2；电感电流在一个开关周期内有时大于零，有一段时间等于零，把这种工作模式称为电流断续导电模式，即 DCM 模式，其波形图如图3。2.3 Buck电路在应用中的局限随着变换器功率等级的提高，对于器件的要求越来越高，让变换器并联运行，可以在不增加器件应力的同时提高功率等级。在输出大电流的场合，常常使用交错并联技术，这样开关管的电流仅仅是输出电流的几分之一，通过交错并联可以减小输出电流纹波和降低开关损耗，从而提高变换器效率 。第三章 交错并联3.1 交错并联简介单个Buck变换器在进行大电流输出时，器件应力的增加，会产生效率和热量等方面的诸多问题。此外，为了提高动态响应，需要去耦电容和大量的输出滤波电路，这样便会进一步增加系统的成本和体积。因此，在低电压大电流的场合进行设计时，一般不会采用单个的Buck变换器。并联运行技术经常用在大功率的场合，它通过功率变换单元的控制使功率在并联单元之间进行合理的分配，提高功率单元的可靠性和功率密度，降低整个系统的电压应力和电流应力，减小变换器的成体，提高系统性价比。而交错并联技术是在并联技术的基础上进行了改进。所谓的交错技术是指在功率变换电路中各个功率单元采用开关频率一致，驱动脉冲在时序上相互错开，从而使开关器件交错导通，每个开关的驱动脉冲的周期和占空比都相同，但驱动脉冲开通时刻依次滞后并且持续开通时间相同。假设开关变换器由 N 个功率单元相同的变换器并联组成，则并联交错技术是开关频率或开关周期系统，各个开关依次滞后的时间为 T/N（其中 T 为开关周期），从而使每个并联的功率变换单元中轮流导通的电流依次交错开来。它是在没有增加开关变换器的开关损耗和元件上的电压电流应力的情况下，降低了交错并联输出的总电流纹波幅值，同时增加了电流纹波频率，相当于 N 倍频电流纹波，从而减小了滤波电容的体积和重量，提高了整个开关变换器的功率密度，减小了开关变换器的电磁干扰等问题，提高了变换器的输出电压质量，减小输出电压的纹波，使输出电压更加地平滑。3.2 交错并联的优点（1）在相同输出效率的情况下，交错并联结构不需要采用很大的电感。（2）在每相开关频率恒定的情况下，输出电压纹波的频率随着相数的增加而增加，总的电感电流为各相电流之和。（3）多相并联的拓扑结构使得每一相承受的应力减小，从而增大了选型的自由度，而且有利于热量的管理和封装的灵活性。3.3 多相交错并联的Buck变换器连接方式N相交错并联Buck变换器的连接如图4所示。交错并联结构应用在多相变换器中是一个很好的解决方案，例如，若系统由N相组成，则每两相之间就采用2/N的相位差来驱动门极电路。图4 N相交错并联Buck电路原理图交错技术是指在功率变换电路中各个功率单元采用开关频率一致，驱动脉冲在时序上相互错开，从而使开关器件交错导通，每个开关的驱动脉冲的周期和占空比都相同，但驱动脉冲开通时刻依次滞后并且持续开通时间相同。如图4所示，N相交错并联Buck电路中各个IGBT（S1、S2、Sn）开关频率采用相同频率，并使驱动脉冲在时序上相互错开，从而使S1、S2、Sn交错导通，达到交错并联的优势。由上述分析可得，交错并联系统是指并联运行的各通道的控制信号频率相同，相位互相错开的并联运行模式。交错并联系统不仅具有并联运行系统的所有优点，由于提高了输出电流纹波频率，交错并联系统还能够降低对滤波电容以及磁性原件的要求，从而提高整个系统的功率密度。通过合理的设计，可以实现输出零纹波。第四章 基于大功率交错并联的Buck变换器设计及仿真4.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。4.2 设计意义及目的随着Buck电路在电力电子技术中的使用越来越频繁，而单个Buck变换器在应用中的局限，对Buck变换器的改进及使用值得探究，通过对单个Buck电路与两相交错并联Buck变换器的设计及仿真对比，探讨基于大功率交错并联Buck变换器相对于Buck变换器的优势，为以后Buck变换器的使用提供新的方式和可能。通过对基于大功率交错并联Buck变换器的设计及仿真，锻炼思维能力及文字撰写能力，通过不断地尝试达到最终的结果。对于每个人来说，都是一种锻炼。4.3 方案设计及仿真结果比较在本次设计中，为了更好地实现结果，多次更改了设计方案，在熟悉了单个Buck电路原理的基础上，采用了两相交错并联Buck变换器的方式，最开始，由于方案的不成熟，导致电压电流波形过大，在老师的指导下，以及查阅一系列资料，再次更改了方案，采用闭环控制的方式，明显改变了之前的不足。4.3.1 单个Buck变换器设计及仿真图5 单相Buck变换器原理图图6 单相Buck变换器仿真波形图如图6可以看出，单相Buck变换器仿真时，输出电压最大值达到600V，纹波明显，波动较大。4.3.2 两相交错并联Buck变换器设计及仿真图7 两相交错并联Buck变换器原理图图8 两相交错并联Buck变换器仿真波形图如图8所示，电压最大值达到600V，相比单相Buck变换器，纹波明显削弱，波形趋于稳定。由此可见，相对于单相Buck变换器而言，交错并联能很大程度上削弱纹波，使得波形趋于平缓。4.3.3 反馈控制PWM波两相交错并联Buck变换器设计及仿真图9 反馈控制PWM波两相交错并联Buck变换器原理图图10 反馈控制PWM波两相交错并联Buck变换器波形图如图10所示，电压最大值只有500V左右，纹波基本被消除。单个Buck电路仿真运行时，纹波较大，而采用两相交错并联Buck变换器的时候，纹波明显被削弱。前两种方案仿真运行时过电压都过大，采用反馈控制PWM波两相交错并联Buck变换器能有效的抑制过电压，对电力电子器件能有更好地保护作用。4.4 仿真过程中出现的问题及解决办法（1）对MATLAB软件不熟悉，且最开始使用MATLAB软件与电脑不兼容，经过查阅MATLAB相关书籍及使用教程，最终得到了解决。（2）由于使用开环设计，最开始电压电流波形很大，在询问老师及查阅相关资料后，设置了闭环控制系统，波形就显得相对平滑，削减了过冲现象。（3）在设计的过程中，选取了PI控制、电压控制，相比较各种控制方式，最终选择了电压控制的控制方式。第五章 结语经过方案的对比与分析，很容易看出交错并联技术大大减小了流过每一个通道的电流，降低了开关损耗和输出总电流纹波，电感和电容取值的减小使得电路体积变小，功率密度变大。本文介绍了Buck变换器的工作原理，分析了交错并联技术的原理，以及变换器的工作过程，并设计了变换器参数，最后通过仿真分析结果进行了验证。在本次设计中也遇到很多困难，首先是：对MATLAB软件的不熟练。对待这个从未接触过的软件，从最初的懵懵懂懂，到最后的熟练应用，我们小组成员经历了一个漫长却又充实的探索过程。不得不说，学会应用软件是本次设计重中之重，能够熟练运用MATLAB，是完成本次课程设计的一个良好开端。其次，闭环系统的设计相对之前的开环设计难度增大，开环系统的设计在我们小组成员的相互学习探讨中很快完成，但是闭环系统上的设计耗费了大量时间。针对闭环系统，虽然是在先前的开环系统的基础上修改，但是由于与开环系统还是有很大不同，所以我们不得不再次查阅资料，学习参考，不断改进，完成设计。开环控制系统只是一个简单的开始，闭环控制系统才是我们本次设计的重中之重，成功完成闭环系统的设计，确实让我们学到了很多。最后，我们小组成员在本次课程设计中学到的最重要的一点是：小组成员要明确分工，团结合作。本次课程设计期间遇到了很多困难，小组成员的相互协作是攻克难关的制胜诀窍。一起查阅资料，一起探讨，相互提点，相互学习，相互交流，最终顺利达到了课程设计的目的。参考文献1 束林，陈宗祥，刘雁飞，等. 基于交错并联 Buck 变换器新型驱动电路的研究J. 电力电子技术，2010（4）：36-37.2 王正国，罗乾超，刁元均. DC/DC 变换器交错并联技术研究J.通信电源技术，2006，(5)：1.3 王蕊，杨玉岗，李娜. 交错并联 Buck 变换器本质安全的研究4 杜炜. 基于数字控制器的多相并联 Buck 变换器的建模与研究D. 中国矿业大学(北京), 2011. 5 林飞.杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真M.北京：中国电力出版社，2009.6 黄忠霖.黄京.电力电子技术的MATLAB实践M.北京：国防工业出版社，2009.1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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