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t t e pb u c kd c d c 变换器研究与应用 专业： 电路与系统 硕士生：张兰芸 指导老师：姜孝华教授 摘要 该设计将应用于国际空间站上的一个大型科学实验一阿尔法磁谱仪。阿尔法 磁谱仪的主要目标是精确测量高能宇宙线的能谱，寻找反物质以及暗物质。测定 宇宙射线中各元素和同位素的含量，研究y 射线以及捕捉新的奇异物理现象。因 为太空装置受到太阳光辐射，位置变化时温度变化非常大，而太空装置内仪器传 感系统的温度必须保持在1 0 2 0 摄氏度内，因而必须研制一热控制系统一即硅微 条轨迹探测器的热控制系统t t c s ( t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ) 。本文研制 的m p ( t r a c k e rt h e r m a le l e c t r o n i cc o n t r o lp o w e rs y s t e m ) d c d c 变换器， 就是针对t t c s 的需求，使d c d c 变换器输出可变的直流电压来控制t t c s 的 制冷和加热装置，以使装置内的温度达到要求。 本文最开始阐述了开关电源发展的现状及其分类，并简要的介绍了丌关电源 技术的发展趋势，综述了本文研究的背景和意义，最后是论文内容的安排。 论文的主体涉及了两大部分。第一部分是在标准的b u c kd c d c 变换器的 基础上，针对实际需要改进b u c kd c d c 变换器的电路拓扑结构( t o p o l o g y ) 。 对b u c k 电路拓扑结构、电路元器件参数进行设计分析，包括功率管m o s f e t 、滤 波电容c 、滤波电感l 等，使电路达到最佳效果。在参数设计和调试过程中，发 现有与现有理论分析结果不符的异常现象，对此异常现象进行了实验和理论分 析，给出了产生该异常现象的原因，并进一步分析了b u c k 变换器作为一类典型 的电力电子电路所具有的固有非线性和不确定性。第二部分提出并设计了闭环控 制方案，从理论上和实现上综述比较了多种控制方法，认为单周期控制方法较为 适用。 关键词：b u c kd c d c 变换器单周期控制非线性p s p i c e t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft t e p b u c kd c - d cc o n v e r t e r m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ： z h a n gl a n y u n s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n g x i a o h u a a b s t r a c t t h ed e s i g ni sa p p l i e dt oal a r g ei n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i ce x p e r i m e n ti no u t e rs p a c e a m s ( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) a s mi su s e dt om e a s u r et h es p e c t r u mo fh i g h e n e r g e t i cc o s m i cr a y s ，f i n da n t i m a t t e ra n dd a r k - m a t t e r , d e t e r m i n et h ec o n t e n to f e v e r ye l e m e n ta n di s o t o p ei nt h ec o s m i cr a y s , s e a r c hyr a d i a la n dc a t c hs o m en e w p h y s i c a lp h e n o m e n o n t h et e m p e r a t u r eo fo u t e rs p a c ec h a n g e sv i o l e n t l yb e c a u s eo f t h es u nr a yr a d i a t i o n ，b u tt h ed e v i c em u s tw o r ku n d e rt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n1 0 。c t o2 0 c ，s ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e mn a m e dt f c s ( t r a c k e rt h e r m a l c o n t r o ls y s t e m 、s h o u l db en e e d e d i no r d e rt o k e e pt h et e m p e r a t u r ei n t h ed e v i c e b e t w e e n1 00 ct o2 0 。c ，t h et r e p ( t r a c k e rt h e r m a le l e c t r o n i cc o n t r o lp o w e r s y s t e m ) b u c kd c d cc o n v e r t e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft f c s i tw i l l p r o d u c ev a r i a b l ed cv o l t a g et oc o n t r o lt h er e f r i g e r a t i o na n dh e a t i n gd e v i c ei nt i c s a tt h e b e g i n n i n g o ft h e p a p e r , t h e c u r r e n ts i t u a t i o n , c l a s s i f i c a t i o na n d d e v e l o p m e n tt r e n do fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sp r e s e n t e d t h e nt h eb a c k g r o u n da n d t h em e a n i n go ft h ei n v e s t i g a t i o na r eb r i e f l yi n t r o d u c e d a tt h ee n d ，i t st h e a r r a n g e m e n to ft h et h e s i sc o m e n t t h et h e s i sh a si n v o l v e dt w op a r t s o n ei sb a s e do nt h es t a n d a r db u c kd c d c c o n v e r t e rt oc r e a t ean e wt o p o l o g yi nv i e wo fa c t u a ln e e d s w ea n a l y z et h en e w t o p o l o g yo fb u c ka n di t sc o m p o n e n t s p a r a m e t e r s ( s u c ha sp o w e rt r a n s i s t o rm o s f e t ， f i l t e rc a p a c i t a n c ec ，f i l t e ri n d u c t a n c ela n ds oo n ) 时h a gt om a k et h ec i r c u i tw o r k i n g o nt h eb e s tc o n d i t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fc i r c u i td e b u g g i n ga n dp a r a m e t e rt e s t i n g ， w eo b s e r v es o m ea b n o r m a lp h e n o m e n o nt h a ti si n c o n s i s t e n tw i t ht h ee x i s t i n gt h e o r y c a r r y i n go ne x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ef i n do u tt h er e a s o no ft h e c o n t r a d i c t i o n f u r t h e r , w ea n a l y z et h ei n h e r e n tn o n l i n e a r i t ya n du n c e r t a i n t yo fb u c k d c d cc o n v e r t e ra st y p i c a lp o w e re l e c t r o n i cc i r c u i t s t h eo t h e ri st od e s i g nt h eo p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gm a n yd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d s ， w et h o u g h tt h eo n e c y c l ec o n t r o li sm o r ea p p r o p r i a t et h a no t h e rc o n t r o lm e t h o d s k e yw o r d s ：b u c kd c - d cc o n v e r t e r , o n e c y c l ec o n t r o l , n o n - l i n e a r i t y , p s p i c e 1 1 引言 第1 章绪论 功率电子学作为一门独立的学科而受到各方面的重视是在2 0 世纪7 0 年代。 其起源有二：首先起源于大功率低频率领域，固体器件( 主要是晶闸管) 广泛用 于电机控制是其基础【l 】：其次起源于相对小的功率和相对高的频率领域，宇航事 业的发展是其主要推动力。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们 的工作、生活的关系只益密切，而几乎所有的电子设备都离不开可靠的电源，进 入8 0 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。 进入9 0 年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、 电力检测设备电源、控制设备电源等都己广泛地使用了开关电源，这就更加促进 了开关电源技术的迅速发展。 丌关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 率，维持稳定输出电压的一种电源。_ 丌关电路周期性地将电源和负载直接连接、 交叉连接或完全脱离，适时、适当地安排开关状态变换的顺序和各状态的持续时 间，可以使电源输入至开关电路的电压( 电流) 变换为负载所需要的电压( 电流) ， 再从开关电路输出至负载。开关电源一般由脉冲宽度调制( p w m ) 控制i c 和 m o s f e t 构成。开关电源与传统的线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增 加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某输出功率点上，反而高于 开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关 电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关 电源提供了广阔的发展空间。 t t e pb u c kd c - d c 变换器研究与应用 1 2 开关电源的分类 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发相关变频技 术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、 低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为a c - d c 和d c - d c 两大 类，d c - d c 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟 和标准化，并已得到用户的认可，但a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在 模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类丌关电 源的结构和特性作以阐述。 1 2 1d c d c 变换 d c - d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波， 是接在恒定直流电源与负载之问，用于改变加到负载电路上的直流电压平均值的 一种装置。d c d c 开关变换器有多种形式，其最常用的无变压隔离的d c d c 开 关变换电路有以下几类： ( 1 ) b u c k 电路降压斩波器，其输出平均电压u 。小于输入电压u ；，极 性相同。 ( 2 ) b o o s t 电路升压斩波器，其输出平均电压u 。大于输入电压u i ， 极性相同。 ( 3 ) b u c k - - b o o s t 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u 。大于或 小于输入电压，极性相反，电感传输。 ( 4 ) c u k 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u 。大于或小于输入 电压u ；，极性相反，电容传输。 d c d c 变换具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，从历史上看， 这种技术广泛应用于以电机为负载的直流调速系统，如地铁列车、无轨电车及其 他蓄电池供电的电动车辆等。由于交流调速技术的日趋完善，地铁、城市轨道车 第1 章绪论 辆的调速都大量采用交流调速方式，故而d c d c 变换技术应用的更多领域是开 关电源，如通信电源、笔记本电脑、移动电话、远程控制器电源等。而在这一领 域中大都将这种技术称为直流变换技术，而不称斩波技术。 随着电力电子器件技术的发展，采用全控型电力电子器件它提高了斩波器的 工作频率，从而减少了低频谐波分量，降低了对滤波元件的要求，从而减小了体 积和重量，同时还起到有效控制网侧谐波电流的作用。 1 2 2a c d c 变换 a c d c 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电 源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。a c d c 变换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤 波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及e m c 指令 的限制( 如i e c 、f c c 、c s a ) ，交流输入侧必须加e m c 滤波及使用符合安全 标准的元件，这样就限制a c - d c 电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、 高压、大电流开关动作，使得解决e m c 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高 密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使 得电源工作损耗增大，限制了a c d c 变换器模块化的进程，因此必须采用电源 系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 a c d c 变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数 可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、 四象限。 1 3 开关电源技术的发展趋势 开关电源的发展方向是高频率、高可靠、低功耗、低噪声、抗干扰和模块化。 由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都 致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在 t r e pb u c kd c d c 变换器研究与应刖 功率铁氧体( m n 、z n ) 材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度 ( b s ) 下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。s m t 技术的 应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保丌关电 源的轻、小、薄。开关电源的高频化就是对传统的p w m 开关技术进行创新，而 z v s 、z c s 的软开关技术已成为丌关电源的主流技术，它大幅提高了开关电源的 工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低 结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系 统，可以设计成n + 1 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电 源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分 谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技 术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域丌展大量的工作，以使得该 项技术得以实用化。 综上所述，丌关电源的高频化是其发展方向，高频化使开关电源小型化， 并使丌关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用推动了高新 技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源 及保护环境方面都具有重要的意义。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业 有着广阔的发展前景。 1 4 本文研究的背景和意义 1 4 1 研究的背景 2 3 1 该设计来自于阿尔法磁谱仪的子项目t t c s ( t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ， 硅微条轨迹探测器热控制系统) 。“阿尔法磁谱仪( a m s ) 轨迹探测器热控制系 统的研制”项目是由1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承担的国际性大型科研项 目，项目主要目的是寻找太空中的反物质和暗物质，并研究宇宙射线的成分与能 谱。其不仅是国际空间站上唯一的大型科学实验，还是人类第一次在太空中使用 第1 章绪论 粒子物理探测仪器和技术的实验。 宇宙中是否存在反物质? 例如对应宇宙中存在的氦、碳等元素，是否也有存 在着反氦、反碳等元素的反宇宙存在呢? 这是人类至今未能完全解决的谜题。早 在1 9 2 8 年，诺贝尔物理奖获得者p a m ，d i r a c 就是提出了波动方程，其中包括了 反电子和电子自旋的概念。而其后分别在1 9 3 2 年、1 9 5 5 年和1 9 7 4 年，1 9 3 6 年、 1 9 5 9 年和1 9 7 6 年的诺贝尔物理奖获得者c a n d e r s o n 、o c h a m b e r l a i n 、e s e g r e 和b r i c h t e r ，s c c t i n g 分别发现了正电子、反质子、夸克和反夸克，近年w o e l e r t 也于1 9 9 6 年在欧洲核子研究中心发现了9 个反氢原子的实验证据。但除了正电 子外，至今为止所有的反物质( 反粒子) 都是通过人工( 加速器) 的办法获得的， 至今宇宙中是否存在反物质仍有待探测。为此，就产生了由1 5 个国家的5 6 个研 究机构合作承担的国际性大型科研项目：a m s 一0 2 ( a l p h a m a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ， 第二代阿尔法磁谱仪) 。 第一代阿尔法磁谱仪，即a m s 0 1 已经在s t s 一9 1 行动中( 1 9 9 8 年6 月2r 到1 2 日) 在太空穿梭机中进行了实验，其搜集了数亿个宇宙微粒，虽然没有探 测到所需探测的反物质，但这次实验进一步确认了这个项目的重大意义且为后续 开发提供了重要提示。而第二代阿尔法磁谱仪，即a m s - 0 2 正在研发中，预计在 2 0 0 7 年升天，并将放置在天空站中持续运行至少三年，搜集几十亿个高能量的 质子和核子，其主要任务就是要搜集宇宙中的反物质、暗物质和其他未发现的物 质。 a m s 0 2 体积为3 米t 3 米；3 米，重7 吨；有6 5 0 个微处理器，和2 0 万个数 据采集信道：使用超导磁体( 一2 7 1 3 5 ) 及5 种新的探测器。这5 种探测器分别 是t r d ( t r a n s i t i o nr a d i a t i o nd e t e c t o r ，穿越辐射探测器) 、t o f ( t i m eo ff l i g h t ， 飞行时间探测器) 、t r a c k e r ( s i l i c o nt r a c k e r ，硅微条轨迹探测器) 、r i c h ( r i n g i m a g ec h e r e n k o vc o u n t e r ，环形成像切伦科夫计算器) 和c a l o r i m e t e r ( 电磁量能 计) 。其中的t r a c k e r ，即6 6 m 2 硅微条探测器，其分为8 层，并有2 0 万读出信 道，定位精度为l o 微米。对物质通过这5 种探测器时所测量的数据进行综合分 析，就可确定该物质的准确身份。 为保持t r a c k e r 在正常的温度范围下工作，需要研制一个热控制系统：t i c s ( t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，硅微条轨迹探测器热控制系统) ，t r c s 的主 t t e pb u c kd c - d c 变换器研究与应用 要功能就是把在空间轨道上工作的t r a c k e r 的1 9 2 个数据采集电路所产生、总共 约1 4 4 瓦的热量带走并维持t r a c k e r 的温度高度稳定。其中的关键器件之是高 可靠性、抗空间辐射的输出可变的d c d c 电源。 1 4 2 研究的意义 在电力系统中，公用电网提供的电源是固定频率的某一标准等级的单相或三 相交流电源。但是用电设备的类型、功能千差万别，对电能的电压、频率要求各 不相同。普通的日光灯照明需要2 2 0 v ( 或1 1 0 v ) 5 0 h z ( 或6 0 h z ) 单相交流电， 而机械工业中的感应加热设备必须由中频或高频交流电源供电。为了满足一定的 生产工艺和流程的要求，确保产品质量、提高劳动生产率、降低能源消耗、提高 经济效益，供电电源的电压、频率、甚至波形都必须满足各种用电设备的不同要 求。儿此种种，都要求能将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为各个用电 设备最佳工况所需要的另一种特性和参数( 频率、电压、相位和波形) 的电能， 再供负载使用h 】。 d c d c 变换器是开关电源的主要组成部分，它的功能是将不可调直流电压 变为幅值可调的稳定直流电压，它现已广泛应用在电机拖动、余属焊接、加热与 照明、有源滤波、无功补偿、计算机电源、航天等各个领域p l 。作为电力电子技 术的一个重要分支，d c - d c 变换器从2 0 世纪7 0 年代开始j x l 靡于欧、美、同等 世界各国，目前仍方兴未艾，正在以前所未有的速度，朝着轻型、高效、模块化 和集成化的方向发展。 随着各个领域对开关电源要求的不断提高，要求设计者从电路设计、参数选 择以及电源结构和抗干扰能力等方面予以全面考虑。当电源的主电路结构和参数 确定以后，控制电路的研究是十分重要的。控制系统的性能一般从以下三个方面 来评价：首先是系统的稳定性；其次是系统的响应速度和稳态精度 6 1 。稳定是控 制系统能够正常工作的基本前提，而动态品质和稳态精度则是对控制系统动、静 态性能优劣的评价。设计控制系统时，必须满足它的动、静态性能指标的要求。 但在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。如稳态精度很高 第1 章绪论 的系统容易导致动态品质的恶化，甚至不稳定。为了解决这个矛盾，就必须合理 地设计控制器，对系统进行校正，这正是控制系统设计的核心内容。 1 4 3 内容安排 本文研究的内容可分为四个部分： ( 1 ) 对b u c kd c - d c 变换器的拓扑结构进行理论分析，分析开环电路的工作 模式及其各元器件对输出的影响。 ( 2 ) 针对实际电路的应用环境，设计适合t r c s 系统工作环境的元器件参数、 型号等，详细介绍了电路的设计过程。 ( 3 ) d c d c 变换器作为一类典型的电力电子技术应用系统，存在固有的非线 性和不确定性，而非线性系统具有不可预测性。我们在对电路进行仿真和实际测 试时，发现了不期望的信号波形，它与现有的理论分析结果不吻合。论文对此情 况进行了分析，找出产生异常现象的原因。 ( 4 ) 关于闭环控制系统的设计，综述了各种控制方法的优缺点，采用单周控 制方法。逐步分析每一部分的功能及电路，包括积分电路、比较电路、触发电路 以及驱动电路，对各部分电路做了仿真实验和分析。 2 1 引言 第2 章b u c kd c - d c 变换器 如果要有效的改变一个直流电压的幅度值，成为另一幅度的直流电压，我们 就会用到d c - d c 变换器。我们之所以需要d c - d c 变换器，是因为直流电不能 够像交流电那样只需简单的通过一个变压器就可进行升压或降压。在某种意义 上，d c - d c 变换器可以认为是直流电的变压器。 2 1 1d c d c 变换器的分类 7 】 d c - d c 变换器按输入和输出间是否有电气隔离可以分为两类：一类是没有 电器隔离的称为不隔离的d c d c 变换器，一类是有电气隔离的称为有隔离的 d c d c 变换器。不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分为单管、 双管和四管三类。单管直流变换器有六种，即降压式( b u c k ) 变换器、升压式 ( b o o s t ) 变换器、升降压式( b u c k - b o o s t ) 变换器、c u k 变换器、z e t a 变换器和 s e p i c 变换器等。在这六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的， 另外四种是从中派生的。 直流变换器按开关条件又可以分为硬开关和软开关。如果开关器件在其端电 压不为零时开通电路则称为硬开通，如果开关器件在其承载电流不为零时关断电 路则称为硬关断。硬开通、硬关断统称为硬丌关。在硬开关过程中，开关器件在 较高电压下承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。为了解决这一问题，产生 了软开关技术。理想的软开关技术包括零电压开通( 即开关器件在开通时，其端 电压为零) 、零电流关断( 即在开关器关断过程之前其承载的电流己降为零) 。软 开关方式显著的减小了开关损耗和开关过程中激起的震荡。 第2 章b u c k d c - d c 变换器 2 1 2i ) c d c 变换器概述 把直流电压变换为另一种直流电压最简单的办法是串联一个电阻，这样不会 涉及变频的问题，显得简单，但是效率却很低。现在一般用开关调节方式控制电 能流动的变换电路来变换电压，用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器 的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，而通过滤波器滤波使得负载上也得 到另一个直流电压。 我们将开关功率管在一个周期t 内的相对导通时间记为l ，关断时间记为 l 。占空比记为d - d = - r r , ，1 - d = 肛 ( 2 - 1 ) 通过调节d 就可以有效的调节电路的输出电压。可以通过两种方式改变导通占 空t e d 来调节或控制输出电压 4 1 ： ( 1 ) 脉冲宽度调制方式p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 保持半导体功率器开关的开关周期【( 或频率丘) 固定，通过改变占空比 d 从而达到调节输出电压的控制方式。 ( 2 ) 脉冲频率调制方式p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 保持半导体功率器开关的导通时问l 不变，通过改变开关的周期t ( 或频 率 ) 来控制输出电压的控制方式。 实际应用中广泛采用p w m 方式。因为采用定频p w m 开关时，输出电压中 谐波的频率固定，滤波器设计相对容易，开关过程中所产生的电磁干扰也容易控 制。此外由控制系统获得可变频率信号容易实现。 直流一直流变换输出的直流电压有两类不同的应用领域：一是要求输出电压 可在一定范围内调节控制，即要求直流直流变换器输出可变的直流电压，例如 负载为直流电动机，要求可变的直流电压供电以改变其转速。另一类负载则要求 直流直流变换器的输出电压无论在电源电压变化或负载变化时都能维持恒定不 变，即输出一个恒定的直流电压。 1 3 y , pb u c kd c - d c 变换器应_ i ! l j 与研究 2 2d c d c 变换器的基本工作原理l d c d c 变换器又称为斩波器，斩波电路是斩波器的重要组成部分，可将直 流电压变换成脉冲电压。图2 - 1 ( a ) 为基本斩波电路原理图，通过对电力电子开 关s 的通断控制，获得如图2 - 1 ( b ) 所示的脉冲电压。s 导通时，“。；u ；s 阻 断时，u 。= 0 。设斩波周期为t ，每一周期内，s 导通的时问为f 。，s 阻断时 间为。定义d = t 。t 为占空比或占空系数，用于表示一个周期中电力电子开 关导通所占的时间比例。调节占空比，可以实现对输出电压的控制。占空比的调 节范围为0 s ds 1 ，根据负载要求确定。 基本d c d c 变换器只能将直流电源电压u 变换成幅值为u 的矩形脉冲电 压，不能实现脉冲电压幅值和极性的变换。由电力电子开关元件和储能元件构成 的斩波器还可以实现脉冲电压幅值和极性的变换。 s l 一一 ( a ) t “d u 一 - rh ! 堕 l 0d tt 图2 - 1 基本斩波电路 图2 - 2 ( a ) 是由电力电子开关s 和储能元件电感l 构成的具有升幅功能的 斩波电路。s 导通期间，构成电源为电感储能的闭合回路，t 上升， = u + p 。= 0 ；s 阻断期间，构成电源电压u 与电感电势e 。顺相串联为负载供 电的闭合回路，i l 下降，h 。= u + e l 。通过对电力电子开关的通断控制，可以得 第2 章b u c k d c d c 变换器 到幅值高于电源电压的脉动电压m 。，有关电量的波形如图2 2 ( b ) 所示。 ( a ) u d u o 图2 2 具有升幅作用的斩波电路 图2 3 ( a ) 为由电力电子丌关s 和储能元件电感l 构成的具有极性反转功 能的斩波电路，其电感l 两端生成正、反双向脉冲电势e 。，正向脉冲的幅值为 电源电压u ，反向脉冲电势的幅值受s 通断时间的控制。用二极管v d 可以阻断 正向脉冲，从而获得极性反转电压。图2 - 3 ( b ) 为有关电量波形。 u f 、 o 卜面亍卜一一t 一- 一行一r f 、l 一 一 “d o 1 订可_ i _ t i ，一、一 图2 - 3 具有极性反转功能的斩波电路 2 3b u c kd c d c 变换器的分析 在t r c s 中的b u c k 变换器并不是典型的b u c k 电路，而是在典型b u c k 电路 二|；!|!；i可 厂一h 阿_ 蕊 t t e pb u c kd c - d c 变换器应用与研究 的基础上的一个应用拓扑结构，因此，在进行理论分析和仿真分析时采用的都是 这个b u c k 电路的拓扑结构。 2 3 1 理论分析 在这一部分，将讨论b u c kd c - d c 变换器的工作模式，并得出一些有价值的结 论。 图2 - 4 的电路原理图是我们在项目中使用的b u c kd c d c 变换器的基本结 构。下面我们将讨论图2 4 的b u c k 电路的工作模式。 立 工。 0 图2 4 b u c k 变换器的原理图( p s p i c e 中的仿真电路图) b u c k 共有两种工作模式，一种是c c m 模式( 连续导通模式) ，一种是d c m 模式( 非连续导通模式) 。非连续导通模式是指电感电流在一个p w m 周期中会 减小至零一段时间，而连续导通模式是指只要负载电阻电流不为零，则电感电流 在整个周期内也不会为零。处于这两种工作模式的临界点称为电感电流临界连续 状态，也就是电感电流刚好降为零。 ( 1 ) c c m 模式 在c c m 模式下有两种开关状态。 i 第一种开关状态，m o s f e t 导通，二极管d 截止。 t 。表示该状态的持续时间。它的等效电路由图2 5 ( a ) 给出。 n-上飞 第2 章b u c k d c - d c 变换器 0 图2 5 ( a ) m o s f e t 导通，二极管d 截止时，b u c k 的等效电路 t = 0 时，m o s f e t 导通，电源电压v ，通过t 加到二极管d 和输出滤波电感l 、 输出滤波电容c 上，因此d 截止。假设输出滤波电容的电压在一个p w m 周期 保持不变，则电感的电压为v rv 。，这个电压使电感电流线性增加： l 讲，出= l 讲a t = v ，一v 。 ( 2 - 2 ) 当t = d t ，= t 。，i 达到最大值i 。，。 在t 。期间，i 。的增量为a i 工+ ： 缸+ = 半t o n = 半o t ， 协s ， i 。表示电感电流。 i i 图2 5 ( b ) 显示的是第二种开关状态的等效电路，m o s f e t 关断，二极管d 导通。 0 _ _ _ v i 图2 5 ( b ) m o s f e t 关断，二极管d 导通时，b u c k 的等效电路 卅寸 刖一 旷上飞 t e e pb u c kd c - d c 变换器应用与研究 当t = t 。，m o s f e t 断开，i 通过二极管d 续流。电感l 的电压为v 。，i 线性减小。 l d i l d t = v 。 ( 2 - 4 ) 当t = t ，i 。达到最小值i 。l i i i 。它的减小量i 。： 缸一= 争( t ，- t 鲁( 1 - d ) t ，( 2 - 5 ) 当t = t ，m o s f e t 再次导通，b u c k 开始下一个开关周期。 在第一个丌关状态，负载电流是由v ，提供的。在第二个开关状态，电流通 过二极管d 和电感l 环流。 当电路工作在稳态时，电容和负载r 2 的电压平均值保持不变，电容的平均 输入电流为零，所以电感i 。的平均电流就是负载的电流l 。 1 1 1 在c c m 模式下，b u c k 变换器的输出电压。 当b u c k 工作在稳态时，在t 。时间内，i 。从l 。“。增大到1 l 一，随后又从 i 。，减小到l 。图2 5 ( c ) 给出了它的波形图。所以在t 。时问内，i 。的增 加量等于它在t 研时间的减小量。t ，= t 酊+ t 。是p w m 的一个周期。 一，i ，二：二互 二e 盔二1 0 一一一i r 孽牢篷三：二重 图2 - 5 ( c ) c c m 模式下电感电流 a i l + = 缸一吐一 。= 半d 牛鲁( 1 d ) - t , m = 匕v , = d ( d 是p w m 周期的占空比，d = t 。t ，) ( 2 ) d c m 模式 1 4 第2 章b u c k d c d c 变换器 f 囱将讨论d c m 工作模式f 的三种开关状态。 i m o s f c t 导通，二极管d 截止的持续时问定义为t 。，t 。= d t ，。电感电流从 零增加到最大i 。，它的增量为i 。+ ： i l = il 。= v , l - v o 。- t _ ( 2 - 6 ) 在m o s f e t 导通期间，变换器的输出电压为v o e = v ，。 i i m o s f e t 断开，二极管导通的持续时间定义为t 酊，电感电流在t 啊其问下降 到零，t 7 酊 ( t ，一t 。) ，d l ( 1 - d ) ，( d + d 1 ) d( 2 8 ) d + d l ( 在c c m 模式下有d ，：1 一d ，因此有m ：三一：d 。) d + 1 一d 根据上面的公式以及分析，变压比m 和输出滤波参数之间的关系可以如下 式表示： m ：生： ” 2 、i i + 。4 ：荨1 0 2 l f ( 2 9 ) t 1 e pb u c kd c - d c 变换器应用与研究 所以在d c m 模式下，输出电压v 。不仅仅取决于输入电压v ，还与电感的 大小和p w m 的频率f 有关。若f 和d 是常数，电感越大，输出电压v 。则越小。 ( 3 ) 临界负载电流 i 临界电感电流用i 。表示，它的表达式为： 。产1 1 ，_ 丢半小学。 在电感电流临界连续状态，变压比也满足公式： m ：堡：d 因此有 i 一旦( 1 一d ) ( 2 - 1 0 ) 1 “2 孟( 1 加) 可以看出i 。与v 。，l ，f ，d 都有关。如果开关频率f 越大，电感l 越大， i 。就越小。1 。越小也就意味着越容易实现电感电流工作在c c m 模式下。当负 载电流，。 1 “，b u c k 工作在d c m 模式下。 2 3 2 仿真分析 为了测试理论分析的结果是否与仿真的结果一致，现对b u c kd c d c 变换器 进行仿真，通过仿真得出一些对实际电路设计有用的结论。仿真电路如图2 6 ； 第2 章b u c k d c - d c 变换器 图2 6 测试原理图 各种状态的仿真波形图： 1 对开关管m 施加等时间周期的脉冲v 2 ，在v 2 为高电平时m o s f e t 导通， 在v 2 为低电平时m o s f e t 截止。e 点的波形图如图2 - 6 ( a ) 所示： 十 2 麓e 口v m 2 e r “t ，s 5 ”。”“”5 ”“ ? l j t m 图2 - 6 ( a ) e 点的电压与输入脉冲信号 说明：脉冲幅度为2 8 v 的波形为e 点电压波形，脉冲幅度为1 2 v 的波形为 输入信号v 2 的波形。 2 在参数为原理图所示的参数时即l = 2 0 0 u h , c = 3 * 4 7 u f , r = 1 00 一，在c c m 情况下，各元器件的波形图如图2 - 6 ( b ) 所示，为电感电流波形： t 1 e pb u c kd c d c 变换器应用与研究 f | f ? l 一 | t | t l ? t 一 6 5 翟，。，“5 ”6 ”。” t 岫 图2 - 6 ( b ) c c m 模式下l 的电流l 输出电压波形( 图2 - 6 ( c ) ) l 、 。、 粤o t z ? + “ = j ” 图2 - 6 ( c ) c c m 模式下输出电压k 电感电流处于临界连续状态： 电感电流波形( 图2 - 6 ( d ) ) ： 八八卜、八 j ? 图2 - 6 ( d ) 临界状态l 的电流j 。 第2 章b u c k d c - d c 变换器 输出电压波形( 图2 - 6 ( e ) ) 1 i嘏一黼l 础i 粼粼黼| | | 刹瓣渊黼黥渊黼黼黼黼 。 口| v n z ；“= 一2 “ 图2 - 6 ( e ) 临界状态输出电压k 在d c m 模式下的各信号波形： 电感电流波形( 图2 - 6 ( f ) ) ： “ 八 八八 1 、 、 一一 ， 、， 一一 图2 - 6 ( f ) d c m 模式下l 的电流j 。 输出电压波形( 图2 - 6 ( g ) ) ： 洲燃燃燃燃燃 l l溅髓 渺 l 嶝州“ o l ma 一；“ 一 = 1 “ 图2 - 6 ( g ) d c m 模式下输出电压k 唧b u 咄d c - d c 变换器应用与研究 仿真实验结果分析： 占空比增大到一定程度，输出电压没有明显变化，大约2 4 伏左右。e 点电 压脉冲明显降低，电感电流不会断流。 改变其他参数的值，输出电压与电感电流及零界占空比时的d u t y t i m e 的值 如下表2 - 1 所示： 表2 - 1 临界占空比时的d u t y t i m e 与v o 随l 值的变化( c c m 情况下) l1 6 0 u h2 0 0 u h2 5 0 u h3 0 0 u h3 6 0 u h d u t yt i m e 2 3 5 船2 3 4 n s2 3 0 n s2 2 8 n s2 2 6 n s v o ( m a x )2 3 7 v2 3 7 v2 3 7 v2 3 7 v2 3 7 v v o ( m m ) 2 4 6 m v2 2 4 m v1 7 0 m v 1 3 5 m v 1 2 0 m v 其他参数不变，改变电容值，输出电压值不发生明显变化。( 测试参数 c = 1 0 u f 、1 4 1 u f 、2 0 u f ) 若增大电阻r 2 到3 5 q ，输出电压可达2 6 5 伏，8 0 q 时达2 7 伏。但输出电压 最小值将增大至6 2 0 m v ，8 0q 时达1 1 v 。 3 1 引言 第3 章t t e p 中的d c d c 变换器 t t c s ( t r a c kt h e 珊a lc o n t r o ls y s t e m ) 为a m s 太空实验装置中的微硅条 轨迹探测器热