基于大功率交錯并聯(lián)BUCK變換器仿真設(shè)計論文

1、摘 要Buck電路就是降壓斬波電路，是基本的DC-DC電路之一。用于直流到直流的降壓變換。隨著電力電子技術(shù)在生活中的應(yīng)用，Buck變換器在一些如計算機(jī)、精密儀器等高性能的 DC-DC 直流變換器中經(jīng)常使用。單個Buck變換器在進(jìn)行大電流輸出時，器件應(yīng)力的增加，會產(chǎn)生效率和熱量等方面的諸多問題。此外，為了提高動態(tài)響應(yīng)，需要去耦電容和大量的輸出濾波電路，這樣便會進(jìn)一步增加系統(tǒng)的成本和體積。因此，在低電壓大電流的場合進(jìn)行設(shè)計時，一般不會采用單個的Buck變換器。熟悉了Buck變換器的工作原理，了解了交錯并聯(lián)技術(shù)的基本原理及其優(yōu)點(diǎn)，并分析了兩相交錯并聯(lián) Buck 電路的工作過程，通過具體的實(shí)例說明了

2、Buck 變換器的設(shè)計過程，使用MATLAB仿真軟件對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真印證，通過對單個Buck變換器與交錯并聯(lián)Buck變換器的仿真結(jié)果的比較，得出交錯并聯(lián)技術(shù)可以減小輸出電流紋波和增大紋波頻率，降低濾波電容和磁性元件的要求，提高變換器的功率密度。關(guān)鍵詞： Buck變換器，交錯并聯(lián)，MATLAB目 錄第一章 概述3第二章 Buck電路42.1 Buck電路原理圖42.2 Buck電路工作原理42.3 Buck電路在應(yīng)用中的局限6第三章 交錯并聯(lián)73.1 交錯并聯(lián)簡介73.2 交錯并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)73.3 多相交錯并聯(lián)的Buck變換器連接方式8第四章 基于大功率交錯并聯(lián)的Buck變換器設(shè)計及仿真94.

3、1 MATLAB簡介94.2 設(shè)計意義及目的9 4.3 方案設(shè)計及仿真結(jié)果比較9 4.3.1 單個Buck變換器設(shè)計及仿真10 4.3.2 兩相交錯并聯(lián)Buck變換器設(shè)計及仿真11 4.3.3 反饋控制PWM波兩相交錯并聯(lián)Buck變換器設(shè)計及仿真11 4.4 仿真過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法12第五章 結(jié)語13第一章 概述Buck 電路，也稱Buck變換器，是最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。隨著電力電子技術(shù)在生活中的應(yīng)用，Buck變換器在一些如計算機(jī)、精密儀器等高性能的 DC-DC 直流變換器中經(jīng)常使用。然而隨著變換器功率等級的提高，對于器件的要求越來越高，單個的Buck變換器并不能滿足要求。人們發(fā)現(xiàn)，讓

4、變換器并聯(lián)運(yùn)行，可以在不增加器件應(yīng)力的同時提高功率等級。因此，在輸出大電流的場合，常常使用交錯并聯(lián)技術(shù)，這樣開關(guān)管的電流僅僅是輸出電流的幾分之一，而且通過交錯并聯(lián)，可以減小輸出電流紋波和降低開關(guān)損耗，從而提高變換器效率。大功率的交錯并聯(lián)Buck變換器的仿真設(shè)計及分析是基于軟件MATLAB來實(shí)現(xiàn)的，MATLAB是電力電子技術(shù)里的常用軟件，在熟練運(yùn)用MATLAB的基礎(chǔ)上，完成了此次設(shè)計及仿真。第二章 Buck電路2.1 Buck電路原理圖Buck變換器也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。Buck 變換器又稱為降壓斬波電路。電路原理圖如圖 1 所示。它是由全控型電力電

5、子功率器件 V(圖中使用的是IGBT，也可以使用其他器件，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路)、功率二極管 VD、由濾波電感 L 和濾波電容 C 組成的二階低通濾波環(huán)節(jié)構(gòu)成。圖1 Buck變換器電路圖另外，為獲得 Buck 變換器電路的基本工作特性而又不能簡化分析，假定該 Buck電路是理想電路，理想條件是： 全控型電力電子開關(guān)器件 S 和功率二極管導(dǎo)通和關(guān)斷是瞬間完成的，并且不考慮在導(dǎo)通時的通態(tài)壓降； 在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸入直流電壓ui保持不變；輸出電壓比較平直，忽略開關(guān)紋波，認(rèn)為輸出電壓的平均值uo保持不變； 忽略電感等效串聯(lián)電阻 ESL 和電容上等效電聯(lián)電阻 ESR，認(rèn)為其是理想

6、的無源儲能元件，忽略線路上的電阻。2.2 Buck電路工作原理在圖1中，為在V關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機(jī)或帶著蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示，若負(fù)載中無反電動勢時，只需要令Em等于0，以下的分析及表達(dá)式均可使用。圖2 電流連續(xù)時的波形圖3 電流斷續(xù)時的波形如圖2中V的柵射電壓uGE波形所示，在t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓U0=E，負(fù)載電流i0按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=t1時刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓u0近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了

7、使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常使串聯(lián)的電感L值較大。至一個周期結(jié)束，再驅(qū)動V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖2所示，負(fù)載電壓的平均值為 U0=tonE/(ton+toff)=tonE/T=E (2-1)式中，ton為 V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。由式?-1）可知，輸出到負(fù)載的電壓平均U0最大為E，減小占空比，U0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。降壓型開關(guān)變換器在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，忽略開關(guān)變換器的暫態(tài)過程，認(rèn)為開

8、關(guān)變換器已達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。按照電感電流在一個開關(guān)周期內(nèi)總是大于零，把這種工作模式稱為電流連續(xù)導(dǎo)電模式，即 CCM 模式，其波形圖如圖2；電感電流在一個開關(guān)周期內(nèi)有時大于零，有一段時間等于零，把這種工作模式稱為電流斷續(xù)導(dǎo)電模式，即 DCM 模式，其波形圖如圖3。 2.3 Buck電路在應(yīng)用中的局限隨著變換器功率等級的提高，對于器件的要求越來越高，讓變換器并聯(lián)運(yùn)行，可以在不增加器件應(yīng)力的同時提高功率等級。在輸出大電流的場合，常常使用交錯并聯(lián)技術(shù)，這樣開關(guān)管的電流僅僅是輸出電流的幾分之一，通過交錯并聯(lián)可以減小輸出電流紋波和降低開關(guān)損耗，從而提高變換器效率 。第三章 交錯并聯(lián)3.1 交錯并聯(lián)簡介

9、單個Buck變換器在進(jìn)行大電流輸出時，器件應(yīng)力的增加，會產(chǎn)生效率和熱量等方面的諸多問題。此外，為了提高動態(tài)響應(yīng)，需要去耦電容和大量的輸出濾波電路，這樣便會進(jìn)一步增加系統(tǒng)的成本和體積。因此，在低電壓大電流的場合進(jìn)行設(shè)計時，一般不會采用單個的Buck變換器。并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)經(jīng)常用在大功率的場合，它通過功率變換單元的控制使功率在并聯(lián)單元之間進(jìn)行合理的分配，提高功率單元的可靠性和功率密度，降低整個系統(tǒng)的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，減小變換器的成體，提高系統(tǒng)性價比。而交錯并聯(lián)技術(shù)是在并聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。所謂的交錯技術(shù)是指在功率變換電路中各個功率單元采用開關(guān)頻率一致，驅(qū)動脈沖在時序上相互錯開，從而使開關(guān)器件交

10、錯導(dǎo)通，每個開關(guān)的驅(qū)動脈沖的周期和占空比都相同，但驅(qū)動脈沖開通時刻依次滯后并且持續(xù)開通時間相同。假設(shè)開關(guān)變換器由 N 個功率單元相同的變換器并聯(lián)組成，則并聯(lián)交錯技術(shù)是開關(guān)頻率或開關(guān)周期系統(tǒng)，各個開關(guān)依次滯后的時間為 T/N（其中 T 為開關(guān)周期），從而使每個并聯(lián)的功率變換單元中輪流導(dǎo)通的電流依次交錯開來。它是在沒有增加開關(guān)變換器的開關(guān)損耗和元件上的電壓電流應(yīng)力的情況下，降低了交錯并聯(lián)輸出的總電流紋波幅值，同時增加了電流紋波頻率，相當(dāng)于 N 倍頻電流紋波，從而減小了濾波電容的體積和重量，提高了整個開關(guān)變換器的功率密度，減小了開關(guān)變換器的電磁干擾等問題，提高了變換器的輸出電壓質(zhì)量，減小輸出電壓的紋

11、波，使輸出電壓更加地平滑。3.2 交錯并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)（1）在相同輸出效率的情況下，交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)不需要采用很大的電感。（2）在每相開關(guān)頻率恒定的情況下，輸出電壓紋波的頻率隨著相數(shù)的增加而增加，總的電感電流為各相電流之和。（3）多相并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得每一相承受的應(yīng)力減小，從而增大了選型的自由度，而且有利于熱量的管理和封裝的靈活性。3.3 多相交錯并聯(lián)的Buck變換器連接方式N相交錯并聯(lián)Buck變換器的連接如圖4所示。交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在多相變換器中是一個很好的解決方案，例如，若系統(tǒng)由N相組成，則每兩相之間就采用2/N的相位差來驅(qū)動門極電路。圖4 N相交錯并聯(lián)Buck電路原理圖交錯技術(shù)是指在功率變換電路中

12、各個功率單元采用開關(guān)頻率一致，驅(qū)動脈沖在時序上相互錯開，從而使開關(guān)器件交錯導(dǎo)通，每個開關(guān)的驅(qū)動脈沖的周期和占空比都相同，但驅(qū)動脈沖開通時刻依次滯后并且持續(xù)開通時間相同。如圖4所示，N相交錯并聯(lián)Buck電路中各個IGBT（S1、S2、Sn）開關(guān)頻率采用相同頻率，并使驅(qū)動脈沖在時序上相互錯開，從而使S1、S2、Sn交錯導(dǎo)通，達(dá)到交錯并聯(lián)的優(yōu)勢。由上述分析可得，交錯并聯(lián)系統(tǒng)是指并聯(lián)運(yùn)行的各通道的控制信號頻率相同，相位互相錯開的并聯(lián)運(yùn)行模式。交錯并聯(lián)系統(tǒng)不僅具有并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，由于提高了輸出電流紋波頻率，交錯并聯(lián)系統(tǒng)還能夠降低對濾波電容以及磁性原件的要求，從而提高整個系統(tǒng)的功率密度。通過合理的

13、設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)輸出零紋波。第四章 基于大功率交錯并聯(lián)的Buck變換器設(shè)計及仿真4.1 MATLAB簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATL

14、AB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。4.2 設(shè)計意義及目的隨著Buck電路在電力電子技術(shù)中的使用越來越頻繁，而單個Buck變換器在應(yīng)用中的局限，對Buck變換器的改進(jìn)及使用值得探究，通過對單個Buck電路與兩相交錯并聯(lián)Buck變換器的設(shè)計及仿真對比，探討基于大功率交錯并聯(lián)Buck變換器相對于Buck變換器的優(yōu)勢，為以后Buck變換器的使用提供新的方式和可能。通過對基于大功率交錯并聯(lián)Buck變

15、換器的設(shè)計及仿真，鍛煉思維能力及文字撰寫能力，通過不斷地嘗試達(dá)到最終的結(jié)果。對于每個人來說，都是一種鍛煉。4.3 方案設(shè)計及仿真結(jié)果比較在本次設(shè)計中，為了更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)果，多次更改了設(shè)計方案，在熟悉了單個Buck電路原理的基礎(chǔ)上，采用了兩相交錯并聯(lián)Buck變換器的方式，最開始，由于方案的不成熟，導(dǎo)致電壓電流波形過大，在老師的指導(dǎo)下，以及查閱一系列資料，再次更改了方案，采用閉環(huán)控制的方式，明顯改變了之前的不足。4.3.1 單個Buck變換器設(shè)計及仿真圖5 單相Buck變換器原理圖圖6 單相Buck變換器仿真波形圖如圖6可以看出，單相Buck變換器仿真時，輸出電壓最大值達(dá)到600V，紋波明顯，波動較

16、大。4.3.2 兩相交錯并聯(lián)Buck變換器設(shè)計及仿真圖7 兩相交錯并聯(lián)Buck變換器原理圖圖8 兩相交錯并聯(lián)Buck變換器仿真波形圖如圖8所示，電壓最大值達(dá)到600V，相比單相Buck變換器，紋波明顯削弱，波形趨于穩(wěn)定。由此可見，相對于單相Buck變換器而言，交錯并聯(lián)能很大程度上削弱紋波，使得波形趨于平緩。4.3.3 反饋控制PWM波兩相交錯并聯(lián)Buck變換器設(shè)計及仿真圖9 反饋控制PWM波兩相交錯并聯(lián)Buck變換器原理圖圖10 反饋控制PWM波兩相交錯并聯(lián)Buck變換器波形圖如圖10所示，電壓最大值只有500V左右，紋波基本被消除。單個Buck電路仿真運(yùn)行時，紋波較大，而采用兩相交錯并聯(lián)Bu

17、ck變換器的時候，紋波明顯被削弱。前兩種方案仿真運(yùn)行時過電壓都過大，采用反饋控制PWM波兩相交錯并聯(lián)Buck變換器能有效的抑制過電壓，對電力電子器件能有更好地保護(hù)作用。4.4 仿真過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法（1）對MATLAB軟件不熟悉，且最開始使用MATLAB軟件與電腦不兼容，經(jīng)過查閱MATLAB相關(guān)書籍及使用教程，最終得到了解決。（2）由于使用開環(huán)設(shè)計，最開始電壓電流波形很大，在詢問老師及查閱相關(guān)資料后，設(shè)置了閉環(huán)控制系統(tǒng)，波形就顯得相對平滑，削減了過沖現(xiàn)象。（3）在設(shè)計的過程中，選取了PI控制、電壓控制，相比較各種控制方式，最終選擇了電壓控制的控制方式。第五章 結(jié)語經(jīng)過方案的對比與分析，

18、很容易看出交錯并聯(lián)技術(shù)大大減小了流過每一個通道的電流，降低了開關(guān)損耗和輸出總電流紋波，電感和電容取值的減小使得電路體積變小，功率密度變大。本文介紹了Buck變換器的工作原理，分析了交錯并聯(lián)技術(shù)的原理，以及變換器的工作過程，并設(shè)計了變換器參數(shù)，最后通過仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。在本次設(shè)計中也遇到很多困難，首先是：對MATLAB軟件的不熟練。對待這個從未接觸過的軟件，從最初的懵懵懂懂，到最后的熟練應(yīng)用，我們小組成員經(jīng)歷了一個漫長卻又充實(shí)的探索過程。不得不說，學(xué)會應(yīng)用軟件是本次設(shè)計重中之重，能夠熟練運(yùn)用MATLAB，是完成本次課程設(shè)計的一個良好開端。其次，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計相對之前的開環(huán)設(shè)計難度增大，開環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計在我們小組成員的相互學(xué)習(xí)探討中很快完成，但是閉環(huán)系統(tǒng)上的設(shè)計耗費(fèi)了大量時間。針對閉環(huán)系統(tǒng)，雖然是在先前的開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上修改，但是由于與開環(huán)系統(tǒng)還是有很大不同，所以我們不得不再次查閱資料，學(xué)習(xí)參考，不斷改進(jìn)，完成設(shè)計。開環(huán)控制系統(tǒng)只是一個簡單的開始，閉環(huán)控制系統(tǒng)才是我們本次設(shè)計的重中之重，成功完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，確實(shí)讓我們學(xué)到了很多。最后，我們小組成員在本次課程設(shè)計中學(xué)到的最重要的一點(diǎn)是：小組成員要明確分工，團(tuán)結(jié)合作。本次課程設(shè)計期間遇到了很多困難，小組成員的相互協(xié)作是攻克難關(guān)的制勝訣竅。一起查閱資料，一起探討，相互提點(diǎn)，相互學(xué)習(xí)，相互交流，最終順利達(dá)到了課程設(shè)