基于大功率交錯(cuò)并聯(lián)的BUCK變換器仿真設(shè)計(jì)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(jì)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(gè) Buck 變換器在進(jìn)行大電流輸出時(shí)，器件應(yīng)力的增加，會(huì)產(chǎn)生效率和熱量等方面的諸多問(wèn)題。止匕外，為了提高動(dòng)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(huì)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(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般不會(huì)采用單個(gè)的 Buck變換器。熟悉了 Buck 變換器的工作原理，了解了交錯(cuò)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(cuò)并聯(lián) Buck 電路的工作過(guò)程，

2、通過(guò)具體的實(shí)例說(shuō)明了 Buck 變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程，使用 MATLAB 仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真印證，通過(guò)對(duì)單個(gè) Buck 變換器與交錯(cuò)并聯(lián) Buck 變換器的仿真結(jié)果的比較，得出交錯(cuò)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(cuò)并聯(lián)，MATLAB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5第三章交錯(cuò)并聯(lián)63.1交錯(cuò)并聯(lián)簡(jiǎn)介63.2交錯(cuò)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)63.3多相交錯(cuò)并聯(lián)的Buck變換器連接方式6第四章基于大功率交錯(cuò)并聯(lián)的Buck變換器設(shè)

3、計(jì)及仿真84.1 MATLAB簡(jiǎn)介84.2設(shè)計(jì)意義及目的84.3方案設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果比較84.3.1單個(gè)Buck變換器設(shè)計(jì)及仿真94.3.2兩相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器設(shè)計(jì)及仿真94.3.3反饋才制PWM波兩相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器設(shè)計(jì)及仿真104.4仿真過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法11第五章結(jié)語(yǔ)12第一章概述BuckBuck 電路，也稱(chēng) BuckBuck 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，BuckBuck 變換器在一些如計(jì)算機(jī)、精密儀器等高性能的 DC-DC-DCDC 直流變換器中經(jīng)常使用。然而隨著變換器功率等級(jí)的提高，對(duì)于器件的要求越來(lái)越高，單個(gè)的 BuckBuck

4、 變換器并不能滿(mǎn)足要求。人們發(fā)現(xiàn)，讓變換器并聯(lián)運(yùn)行，可以在不增加器件應(yīng)力的同時(shí)提高功率等級(jí)。因此，在輸出大電流的場(chǎng)合，常常使用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，這樣開(kāi)關(guān)管的電流僅僅是輸出電流的幾分之一，而且通過(guò)交錯(cuò)并聯(lián)，可以減小輸出電流紋波和降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高變換器效率。大功率的交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器的仿真設(shè)計(jì)及分析是基于軟件 MATLABMATLAB 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，MATLABMATLAB 是電力電子技術(shù)里的常用軟件，在熟練運(yùn)用 MATLABMATLAB 的基礎(chǔ)上，完成了此次設(shè)計(jì)及仿真。第二章Buck電路2.1 Buck 電路原理圖BuckBuck 變換器也稱(chēng)降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓

5、的單管不隔離直流變換器。BuckBuck 變換器又稱(chēng)為降壓斬波電路。電路原理圖如圖 1 1 所示。它是由全控型電力電子功率器件 V V（圖中使用的是 IGBT,IGBT,也可以使用其他器件，若采用品閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路）、功率二極管 VDVD、由濾波電感 L L 和濾波電容 C C 組成的二階低通濾波環(huán)節(jié)構(gòu)成。圖 1Buck 變換器電路圖另外，為獲得 BuckBuck 變換器電路的基本工作特性而又不能簡(jiǎn)化分析，假定該 BuckBuck 電路是理想電路，理想條件是：全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件 S 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(shí)的通態(tài)壓降；在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸

6、入直流電壓 u ui保持不變；輸出電壓比較平直，忽略開(kāi)關(guān)紋波，認(rèn)為輸出電壓的平均值 u uo保持不變；忽略電感等效用聯(lián)電阻 ESLESL 和電容上等效電聯(lián)電阻 ESR,ESR,認(rèn)為其是理想的無(wú)源儲(chǔ)能元件，忽略線(xiàn)路上的電阻。2.2 Buck 電路工作原理在圖 1 1 中，為在 V V 關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VDVD0 0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)或帶著蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中 E Em所示，若負(fù)載中無(wú)反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只需要令 E Em等于 0,0,以下的分析及表達(dá)式均可使用。圖 2 電流連續(xù)時(shí)的波形圖 3 電流斷

7、續(xù)時(shí)的波形如圖 2 2 中 V V 的柵射電壓 U UGE波形所示，在 t=0t=0 時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V V 導(dǎo)通，電源 E E 向負(fù)載供電，負(fù)載電壓 U Uo=E,=E,負(fù)載電流 i io按指數(shù)曲線(xiàn)上升。當(dāng) 1 1 工1時(shí)刻，控制 V V 關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VDVD 續(xù)流，負(fù)載電壓 u uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線(xiàn)下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常使用聯(lián)的電感 L L 值較大。至一個(gè)周期結(jié)束，再驅(qū)動(dòng) V V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖 2 2 所示，負(fù)載電壓的平均值為U U0=t=tonE/(tE/(ton+t+toff)=

8、t)=tonE/T=aE(2-1)E/T=aE(2-1)式中，t ton為 V V 處于通態(tài)的時(shí)間，t toff為 V V 處于斷態(tài)的時(shí)間，T T 為開(kāi)關(guān)周期，a為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱(chēng)占空比或?qū)ū?。由?2-1)(2-1)可知，輸出到負(fù)載的電壓平均UO最大為 E,E,減小占空比a,U U0隨之減小，因此將該電路稱(chēng)為降壓斬波電路。也有很多文獻(xiàn)中直接使用其英文名稱(chēng)，稱(chēng)為 BuckBuck 變換器。降壓型開(kāi)關(guān)變換器在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中，忽略開(kāi)關(guān)變換器的暫態(tài)過(guò)程，認(rèn)為開(kāi)關(guān)變換器已達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。按照電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)總是大于零，把這種工作模式稱(chēng)為電流連續(xù)導(dǎo)電模式， 即 CCMCCM 模式， 其波形圖

9、如圖 2;2;電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有時(shí)大于零，有一段時(shí)間等于零，把這種工作模式稱(chēng)為電流斷續(xù)導(dǎo)電模式，即 DCMDCM 模式，其波形圖如圖3 3。2.3 Buck 電路在應(yīng)用中的局限隨著變換器功率等級(jí)的提高，對(duì)于器件的要求越來(lái)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(shí)提高功率等級(jí)。在輸出大電流的場(chǎng)合，常常使用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，這樣開(kāi)關(guān)管的電流僅僅是輸出電流的幾分之一，通過(guò)交錯(cuò)并聯(lián)可以減小輸出電流紋波和降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高變換器效率。第三章交錯(cuò)并聯(lián)3.1 交錯(cuò)并聯(lián)簡(jiǎn)介單個(gè) BuckBuck 變換器在進(jìn)行大電流輸出時(shí)，器件應(yīng)力的增加，會(huì)產(chǎn)生效率和熱量等方面的諸多問(wèn)題。此外，為了提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)

10、，需要去耦電容和大量的輸出濾波電路，這樣便會(huì)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(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般不會(huì)采用單個(gè)的 BuckBuck 變換器。并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)經(jīng)常用在大功率的場(chǎng)合， 它通過(guò)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(gè)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?xún)r(jià)比。而交錯(cuò)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(cuò)技術(shù)是指在功率變換電路中各個(gè)功率單元采用開(kāi)關(guān)頻率一致，驅(qū)動(dòng)脈沖在時(shí)序上相互錯(cuò)開(kāi)，從而使開(kāi)關(guān)器件交錯(cuò)導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖的周期和占空比都相同，但驅(qū)動(dòng)脈沖開(kāi)通時(shí)刻依次滯后并且持續(xù)開(kāi)通時(shí)間相同

11、。假設(shè)開(kāi)關(guān)變換器由 N N 個(gè)功率單元相同的變換器并聯(lián)組成， 則并聯(lián)交錯(cuò)技術(shù)是開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)周期系統(tǒng)，各個(gè)開(kāi)關(guān)依次滯后的時(shí)間為 T/NT/N(其中 T T 為開(kāi)關(guān)周期)， 從而使每個(gè)并聯(lián)的功率變換單元中輪流導(dǎo)通的電流依次交錯(cuò)開(kāi)來(lái)。 它是在沒(méi)有增加開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)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(cuò)并聯(lián)輸出的總電流紋波幅值，同時(shí)增加了電流紋波頻率，相當(dāng)于 N 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(gè)開(kāi)關(guān)變換器的功率密度，減小了開(kāi)關(guān)變換器的電磁干擾等問(wèn)題，提高了變換器的輸出電壓質(zhì)量，減小輸出電壓的紋波，使輸出電壓更加地平滑。3.2 交錯(cuò)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)(1)(1)在相同輸出

12、效率的情況下，交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)不需要采用很大的電感。(2)(2)在每相開(kāi)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)(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(cuò)并聯(lián)的 Buck 變換器連接方式N N 相交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器的連接如圖 4 4 所示。 交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在多相變換器中是一個(gè)很好的解決方案，例如，若系統(tǒng)由 N N 相組成，則每?jī)上嘀g就采用 2 2 冗/N/N 的相位差來(lái)驅(qū)動(dòng)門(mén)極電路。圖 4N 相交錯(cuò)并聯(lián) Buck 電路原理圖交錯(cuò)技術(shù)是

13、指在功率變換電路中各個(gè)功率單元采用開(kāi)關(guān)頻率一致， 驅(qū)動(dòng)脈沖在時(shí)序上相互錯(cuò)開(kāi)，從而使開(kāi)關(guān)器件交錯(cuò)導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖的周期和占空比都相同，但驅(qū)動(dòng)脈沖開(kāi)通時(shí)刻依次滯后并且持續(xù)開(kāi)通時(shí)間相同。如圖 4 4 所示，N N 相交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 電路中各個(gè) IGBTIGBT（S Si、S S2、S）開(kāi)關(guān)頻率采用相同頻率，并使驅(qū)動(dòng)脈沖在時(shí)序上相互錯(cuò)開(kāi)，從而使 S Si、S S2、S Sn交錯(cuò)導(dǎo)通，達(dá)到交錯(cuò)并聯(lián)的優(yōu)勢(shì)。由上述分析可得，交錯(cuò)并聯(lián)系統(tǒng)是指并聯(lián)運(yùn)行的各通道的控制信號(hào)頻率相同，相位互相錯(cuò)開(kāi)的并聯(lián)運(yùn)行模式。交錯(cuò)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(cuò)并聯(lián)系統(tǒng)還

14、能夠降低對(duì)濾波電容以及磁性原件的要求，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)輸出零紋波。第四章基于大功率交錯(cuò)并聯(lián)的Buck變換器設(shè)計(jì)及仿真4.1 MATLAB 簡(jiǎn)介MATLABMATLAB 是美國(guó) MathWorksMathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLABMATLAB 和 SimulinSimulink k兩大部分。MATLABMATLAB 和 MathematicaMathematica、MapleMaple 并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指

15、。MATLABMATLAB 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(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLABMATLAB 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 MATLABMATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C,FORTRANC,FORTRAN 等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLABMATLAB 也吸收了像 MapleMaple 等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使 MATLABMATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。4.2 設(shè)計(jì)意義及目的隨著 BuckBuck 電路

16、在電力電子技術(shù)中的使用越來(lái)越頻繁， 而單個(gè) BuckBuck 變換器在應(yīng)用中的局限，對(duì) BuckBuck 變換器的改進(jìn)及使用值得探究，通過(guò)對(duì)單個(gè) BuckBuck 電路與兩相交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器的設(shè)計(jì)及仿真對(duì)比，探討基于大功率交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器相對(duì)于 BuckBuck 變換器的優(yōu)勢(shì)，為以后 BuckBuck 變換器的使用提供新的方式和可能。通過(guò)對(duì)基于大功率交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器的設(shè)計(jì)及仿真，鍛煉思維能力及文字撰寫(xiě)能力，通過(guò)不斷地嘗試達(dá)到最終的結(jié)果。對(duì)于每個(gè)人來(lái)說(shuō)，都是一種鍛煉。4.3 方案設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果比較在本次設(shè)計(jì)中，為了更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)果，多次更改了設(shè)

17、計(jì)方案，在熟悉了單個(gè) BuckBuck 電路原理的基礎(chǔ)上，采用了兩相交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器的方式，最開(kāi)始,由于方案的不成熟，導(dǎo)致電壓電流波形過(guò)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。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 6 可以看出，單相 BuckBuck 變換器仿真時(shí)，輸出電壓最大值達(dá)到 600V,600V,紋波明顯，波動(dòng)較大。4.3.2兩相交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器設(shè)計(jì)及仿真 - -! !LiTLiT-C*._LEIpni.3ft-e&txIT.*H3GET

18、F00,010.020.03004。5006007003。依01,Lm,IGBTLLS-s-iUmh圖 7 兩相交錯(cuò)并聯(lián) Buck 變換器原理圖圖 9 反饋控制如圖 8 8 所示，電壓最大值達(dá)到 600V,600V,相比單相 BuckBuck 變換器，紋波明顯削弱，波形趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，相對(duì)于單相 BuckBuck 變換器而言，交錯(cuò)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(cuò)并聯(lián) Buck 變換器設(shè)計(jì)及仿真圖 8 兩相交錯(cuò)并聯(lián) Buck 變換器仿真波形圖C-LCKkiF*PWM 波兩相交錯(cuò)并聯(lián) Buck 變換器原理圖GOOi-圖 10 反饋控制 PWM

19、 波兩相交錯(cuò)并聯(lián) Buck 變換器波形圖如圖 1010 所示，電壓最大值只有 500V500V 左右，紋波基本被消除。單個(gè) BuckBuck 電路仿真運(yùn)行時(shí)，紋波較大，而采用兩相交錯(cuò)并聯(lián) BuckBuck 變換器的時(shí)候，紋波明顯被削弱。前兩種方案仿真運(yùn)行時(shí)過(guò)電壓都過(guò)大，采用反饋控制 PWMPWM 波兩相交錯(cuò)并聯(lián)BuckBuck 變換器能有效的抑制過(guò)電壓，對(duì)電力電子器件能有更好地保護(hù)作用。4.4 仿真過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法(1)(1)對(duì) MATLABMATLAB 軟件不熟悉，且最開(kāi)始使用 MATLABMATLAB 軟件與電腦不兼容,經(jīng)過(guò)查閱MATLABMATLAB 相關(guān)書(shū)籍及使用教程，最終得

20、到了解決。(2)(2)由于使用開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)，最開(kāi)始電壓電流波形很大，在詢(xún)問(wèn)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(duì)平滑，削減了過(guò)沖現(xiàn)象。(3)(3)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選取了 PIPI 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(yǔ)經(jīng)過(guò)方案的對(duì)比與分析，很容易看出交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)大大減小了流過(guò)每一個(gè)通道的電流，降低了開(kāi)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 BuckBuck 變換器的工作原理，分析了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的原理，以及變換器的工作過(guò)程，并設(shè)計(jì)了變換器參數(shù)，最后通過(guò)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在本次設(shè)計(jì)中也遇到很多困難，首先是：對(duì) MATLABMATLAB 軟件的不熟練。對(duì)待這個(gè)從未接觸過(guò)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(gè)漫長(zhǎng)卻又充實(shí)的探索過(guò)程。不得不說(shuō)，學(xué)會(huì)應(yīng)用軟件是本次設(shè)計(jì)重中之重，能夠熟練運(yùn)用MATLABMATLAB, ,是完成本次課程設(shè)計(jì)的一個(gè)良好開(kāi)端。其次，閉環(huán)系統(tǒng)