基于大功率交錯并聯(lián)的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、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。止匕外，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， 并分析了兩相交錯并聯(lián) Buck 電路的工作過程，

2、通過具體的實例說明了 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第三章交錯并聯(lián)63.1交錯并聯(lián)簡介63.2交錯并聯(lián)的優(yōu)點63.3多相交錯并聯(lián)的Buck變換器連接方式6第四章基于大功率交錯并聯(lián)的Buck變換器設(shè)

3、計及仿真84.1 MATLAB簡介84.2設(shè)計意義及目的84.3方案設(shè)計及仿真結(jié)果比較84.3.1單個Buck變換器設(shè)計及仿真94.3.2兩相交錯并聯(lián)Buck變換器設(shè)計及仿真94.3.3反饋才制PWM波兩相交錯并聯(lián)Buck變換器設(shè)計及仿真104.4仿真過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法11第五章結(jié)語12第一章概述BuckBuck 電路，也稱 BuckBuck 變換器，是最基本的拓撲結(jié)構(gòu)之一。隨著電力電子技術(shù)在生活中的應(yīng)用，BuckBuck 變換器在一些如計算機、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的提高，對于器件的要求越來越高，單個的 BuckBuck

4、 變換器并不能滿足要求。人們發(fā)現(xiàn)，讓變換器并聯(lián)運行，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) BuckBuck 變換器的仿真設(shè)計及分析是基于軟件 MATLABMATLAB 來實現(xiàn)的，MATLABMATLAB 是電力電子技術(shù)里的常用軟件，在熟練運用 MATLABMATLAB 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BuckBuck 變換器也稱降壓式變換器，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)通時的通態(tài)壓降；在一個開關(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，忽略開關(guān)紋波，認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,認為其是理想的無源儲能元件，忽略線路上的電阻。2.2 Buck 電路工作原理在圖 1 1 中，為在 V V 關(guān)斷時給負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，也可拖動直流電動機或帶著蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中 E Em所示，若負載中無反電動勢時，只需要令 E Em等于 0,0,以下的分析及表達式均可使用。圖 2 電流連續(xù)時的波形圖 3 電流斷

7、續(xù)時的波形如圖 2 2 中 V V 的柵射電壓 U UGE波形所示，在 t=0t=0 時刻驅(qū)動 V V 導(dǎo)通，電源 E E 向負載供電，負載電壓 U Uo=E,=E,負載電流 i io按指數(shù)曲線上升。當 1 1 工1時刻，控制 V V 關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管 VDVD 續(xù)流，負載電壓 u uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常使用聯(lián)的電感 L L 值較大。至一個周期結(jié)束，再驅(qū)動 V V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖 2 2 所示，負載電壓的平均值為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)的時間，t toff為 V V 處于斷態(tài)的時間，T T 為開關(guān)周期，a為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。由?2-1)(2-1)可知，輸出到負載的電壓平均UO最大為 E,E,減小占空比a,U U0隨之減小，因此將該電路稱為降壓斬波電路。也有很多文獻中直接使用其英文名稱，稱為 BuckBuck 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，認為開關(guān)變換器已達到了穩(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 CCMCCM 模式， 其波形圖

9、如圖 2;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 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的提高，對于器件的要求越來越高，讓變換器并聯(lián)運行，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)簡介單個 BuckBuck 變換器在進行大電流輸出時，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)

10、，需要去耦電容和大量的輸出濾波電路，這樣便會進一步增加系統(tǒng)的成本和體積。因此，在低電壓大電流的場合進行設(shè)計時，一般不會采用單個的 BuckBuck 變換器。并聯(lián)運行技術(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)上進行了改進。 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

11、。假設(shè)開關(guān)變換器由 N 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/NT/N(其中 T 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，減小輸出電壓的紋波，使輸出電壓更加地平滑。3.2 交錯并聯(lián)的優(yōu)點(1)(1)在相同輸出

12、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)(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)(3)多相并聯(lián)的拓撲結(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 N 相交錯并聯(lián) BuckBuck 變換器的連接如圖 4 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 N 相組成，則每兩相之間就采用 2 2 冗/N/N 的相位差來驅(qū)動門極電路。圖 4N 相交錯并聯(lián) Buck 電路原理圖交錯技術(shù)是

13、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 4 所示，N N 相交錯并聯(lián) BuckBuck 電路中各個 IGBTIGBT（S Si、S S2、S）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 S Si、S S2、S Sn交錯導(dǎo)通，達到交錯并聯(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)運行模式。交錯并聯(lián)系統(tǒng)不僅具有并聯(lián)運行系統(tǒng)的所有優(yōu)點，由于提高了輸出電流紋波頻率，交錯并聯(lián)系統(tǒng)還

14、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。通過合理的設(shè)計，可以實現(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MATLABMATLAB 是美國 MathWorksMathWorks 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 MATLABMATLAB 和 SimulinSimulink k兩大部分。MATLABMATLAB 和 MathematicaMathematica、MapleMaple 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

15、。MATLABMATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(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。MATLABMATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLABMATLAB 來解算問題要比用 C,FORTRANC,FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLABMATLAB 也吸收了像 MapleMaple 等軟件的優(yōu)點，使 MATLABMATLAB 成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。4.2 設(shè)計意義及目的隨著 BuckBuck 電路

16、在電力電子技術(shù)中的使用越來越頻繁， 而單個 BuckBuck 變換器在應(yīng)用中的局限，對 BuckBuck 變換器的改進及使用值得探究，通過對單個 BuckBuck 電路與兩相交錯并聯(lián) BuckBuck 變換器的設(shè)計及仿真對比，探討基于大功率交錯并聯(lián) BuckBuck 變換器相對于 BuckBuck 變換器的優(yōu)勢，為以后 BuckBuck 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) BuckBuck 變換器的設(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，為了更好地實現(xiàn)結(jié)果，多次更改了設(shè)

17、計方案，在熟悉了單個 BuckBuck 電路原理的基礎(chǔ)上，采用了兩相交錯并聯(lián) BuckBuck 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。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，輸出電壓最大值達到 600V,600V,紋波明顯，波動較大。4.3.2兩相交錯并聯(lián) BuckBuck 變換器設(shè)計及仿真 - -! !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，相對于單相 BuckBuck 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 8 兩相交錯并聯(lián) Buck 變換器仿真波形圖C-LCKkiF*PWM 波兩相交錯并聯(lián) Buck 變換器原理圖GOOi-圖 10 反饋控制 PWM

19、 波兩相交錯并聯(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 BuckBuck 電路仿真運行時，紋波較大，而采用兩相交錯并聯(lián) BuckBuck 變換器的時候，紋波明顯被削弱。前兩種方案仿真運行時過電壓都過大，采用反饋控制 PWMPWM 波兩相交錯并聯(lián)BuckBuck 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作用。4.4 仿真過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法(1)(1)對 MATLABMATLAB 軟件不熟悉，且最開始使用 MATLABMATLAB 軟件與電腦不兼容,經(jīng)過查閱MATLABMATLAB 相關(guān)書籍及使用教程，最終得

20、到了解決。(2)(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)(3)在設(shè)計的過程中，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)語經(jīng)過方案的對比與分析，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 BuckBuck 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)果進行了驗證。在本次設(shè)計中也遇到很多困難，首先是：對 MATLABMATLAB 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，能夠熟練運用MATLABMATLAB, ,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)