《双输入Buck直流电源的设计》8800字（论文）

双输入Buck直流电源的设计目录中文摘要 1英文摘要 21引言 31.1新能源背景的相关介绍 31.2直流变换器的分类 31.3本设计的研究内容与意义 51.3.1研究内容 51.3.2研究意义 52双输入Buck变换器的工作原理 62.1双输入Buck变换器的电路拓扑 62.2双输入Buck变换器的工作原理 62.3输出电压及输入电流的关系 82.4相关直流变换器性能的比较 82.5能量管理与控制策略................................93双输入Buck变换器电路的设计.....................113.1主电路的设计....................................113.1.1滤波电感和滤波电容的选用.......................113.1.2开关管的选择与取用......................................133.1.3二极管的选择与取用.................................................133.2控制电路的设计..............................143.2.1驱动电路的设计.........................................153.2.2采样电路的设计...................................154仿真和实验结果分析 164.1输出电压及电流的仿真 164.2不同工作模式结果的分析 175结论 20参考文献 21图表目录图1-1隔离型变换器图 4图1-2非隔离型变换器图 4图2-1双输入分时Buck变换器 6图2-2双输入Buck变换器 6图2-3双输入Buck变换器不同开关模式下的电路图 8图2-4能量管理及控制策略系统框图 10图3-1主电路的设计图 11图3-21#源控制电路图 14图3-3电流采样电路图 15图3-4AB点间电压vAB采样电路 15图4-1系统仿真电路图 16图4-2输出电压波形图 17图4-3输出电流波形图 17图4-41#源单独供电时vAB的电压波形 18图4-51#源，2#源共同供电时vAB的电压波形 18图4-62#源单独供电时vAB的电压波形 19TOC\h\z\t"标题,图表标题"\c摘要：现如今因为传统能源与可再生能源相比而显露的弊端越发明显，所以可再生能源资源丰富，可持续循环利用，并且清洁干净的优点得到了人们的重视。如今人们研究利用将多个变换器组合成一个系统，来减小体积，即多输入联合供电。所以双输入Buck变换器逐渐进入了人们的视野。它的主要优势在于减少了相关器件的数量，提升了系统的可靠性，节约了成本，因而能在许多低功耗场合中得到良好的应用。但它同时也存在着一些缺陷，由于双输入直流变换器存在着两个输入源，所以通常需要进行能量的管理来实现可再生能源的优先利用，其系统结构较为复杂。双输入Buck变换器是在双输入分时Buck变换器的结构基础上，将两个输入源联合起来，形成一个绕组来组成的。本设计将首先依据能源大背景下新能源日益凸显的作用和对人类生活的意义提出双输入Buck变换器，与双输入分时Buck变换器做性能上的对比，其次对电路的拓扑和变换器的工作原理进行研究和分析，然后得出当两输入源分时工作和同时工作的模式；紧接着介绍两种输入源在不同工作情况下的能量管理策略；再对电路中各元件的参数以及主电路图及控制电路图进行设计；最后根据参数数据在Matlab软件上进行仿真验证并做最后的总结。关键词：新能源；双输入Buck；直流变换器；直流电源1引言1.1新能源背景的相关介绍多次的能源革命推动了人类历史的发展，毫无疑问的是，尽管当今社会的能源使用改善了生活质量和生活成本，但由于大量消耗化石燃料而导致的能源短缺也将阻碍人类发展。因此，在某种程度上我们需要更加关注能源消耗和新能源的发展问题。传统能源是指已经得到人类很长时间以来广泛生产和利用的能源。例如水、煤、天然气和石油等，它们都是促进人类生活文明进步的重要能源。然而，传统能源是不可再生的，如果我们无休无止的滥用，传统能源将消耗殆尽。在过去的几十年里，频繁的区域冲突和战争与能源的争夺息息相关。另外，酸雨和温室效应之类的气候问题也逐渐得到了人们的高度关注。比如化石能源中所含的碳、硫等在燃烧过程中就会产生如一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等有危害的气体。如今得到广泛关注的新能源指传统能源外的其他形式的能源，例如太阳能、风能、潮汐能等。其中太阳能已经得到广泛的应用。太阳能的利用形式有将光能转化为电能、热能等。而风能更是具有明显的特性和优势。它和太阳能一样是无穷无尽的，而且对交通不便的偏远地区有十分重要的意义。风力发电目前有两个应用方向，即水平轴风扇和垂直轴风扇。而水平轴风扇是目前产生风力最常见也是最主要的选择。然而，新能源目前仍然会因为一些不稳定的因素使电力供应效果达不到预期。如果此时仅使用一种新能源，则可能会导致断续的电源供应或其他影响，并最终无法实现所需的能源供应效果。因此我们可以通过使用新能源电池和城市电网共同组成一种联合供电系统来共同供电，即使用最稳定，最简单，最有效的方式来满足用户们的需求。这种方法既保证了新能源更多更高效的利用，而且还保证了供电系统的可靠性和稳定性。在本课题中将根据新能源与城市电网联合供电的方式对双输入Buck变换器做研究。1.2直流变换器的分类1.对于输入源向负载提供能量的方式，可分为以下两类：（1）分时供电型。就是在任一给定时间，只有一个输入源能利用电源为负载供电的多输入直流变换器。（2）同时供电型。就是在任一给定时间，有某一个输入源单独供电或者两个及两个以上输入源能利用电源为负载供电的多输入直流变换器。2.根据电路结构中是否存在变压器，可分为以下两类：（1）隔离型。各个输入源各自经过不同的输入源模块，利用磁耦合的方式与直流变换器相连接，其电路图如图1-1所示。（2）非隔离型。各输入源各自经过不同的输入源模块，在同一根母线上相连接，然后与直流变换器相连接。其电路图如图1-2所示。图1-1隔离型变换器框图图1-2非隔离型变换器框图而本设计后续中将要研究的双输入Buck变换器属于非隔离型变换器，使用双输入Buck变换器不仅能有效地实现多种能源的集成互补，从而向负载稳定地提供能量，而且能分别控制多种能源，以同时或分时的方式来提供电能，并确保最大输出功率并最大限度地利用各种新能源。1.3本设计的研究内容与意义1.3.1研究内容本文研究的双输入Buck变换器是在双输入分时Buck变换器的研究基础上得到的新型多输入变换器。它能有效解决传统变换器的缺陷问题。本文的主要研究工作如下：第一章从新能源产生的背景着手，提出了人们对传统能源消耗的关注度提升的现象以及新能源利用的重要性。紧接着给出了双输入Buck变换器的简单分类介绍。然后在章末对全文内容做一个概括。第二章第一节首先介绍了所研究变换器的电路拓扑，其次在第二节对变换器的工作原理做了重点介绍，并给出了不同的工作模式，然后第三节根据基本公式推出输入输出电压关系，紧接着在第四节与其他同类型的变换器的性能做比较，最后在第五节进行能量管理及控制策略的分析。第三章用设计主电路及控制电路。其中，主电路设计中包括变压器、功率管和二极管的选型和参数计算；而控制电路包括对驱动电路及采样电路的选择。第四章依据数据并利用Matlab仿真软件对设计的电路进行仿真验证后，再通过观察仿真显示的电流、电压波形来判断是否符合要求。第五章对本课题的相关思路和策略方法进行总结，得出对此次设计的心得体会。1.3.2研究意义本文所研究的双输入Buck变换器，能在减少使用器件的数量和降低成本的基础上，减少传统能源的消耗并能更大程度的利用新能源，这一点符合能源的可持续发展策略。同时它可以将新能源简便地转换输送到用电端，并能以同时或分时工作的模式实现应用，这对新能源在小功耗供电场所的应用同样有着重要的意义，也为以后更好的利用新能源和优化供电系统打下了基础。

2双输入Buck变换器的工作原理2.1双输入Buck变换器的电路拓扑依据两个输入源在任一时刻是否能同时向负载进行供电有两种模态，一种是在任一某时刻两个输入源中只有一个能向负载供电，即为分时供电；另一种则是在任一某时刻两个输入源能一起向负载供电。如图2-1所示为双输入分时Buck变换器的电路结构，它是由两个输入源的开关并联，并具有反向阻断的能力。但它在任一时刻，只有一电压大的那个输入源能向负载供电，而电压小的输入源支路会被阻断而无法供电。所以双输入分时Buck变换器就相当于两个单输入Buck变换器并联组合在一起。采用类似的思路，可以得到本文将研究的，优化后的双输入Buck变换器，它的两个输入源能实现同时向负载供电供电或各自单独向负载供电。它的电路结构如图2-2所示。图2-1双输入分时Buck变换器图2-2双输入Buck变换器2.2双输入Buck变换器的工作原理为了方便后续内容上的表达，将对电路中所有元器件做具体的符号定义。假设Vin1和Vin2分别是1#源太阳能电池、2#源城市电网的输入电压、D1、D2分别是两个输入源的续流二极管，Q1、Q2分别是两个输入源的开关管，Cf是滤波电容，Lf是滤波电感，RLd是负载，RCf是滤波电容的等效串联电阻。双输入Buck变换器有以下四种工作模式：模式1，如图2-3(a)所示，仅由1#输入源就能满足负载提供所需的功率，这一情况在负载所需求的功率＜1#源能输出的最大功率时发生。如果最大输入电流参考值Iin1_ref保持不变，那么1#源将在最高功率模式下输出功率。此时电压调节器调节后的输出电压是负值。而关断开关管Q2，同时使VD2保持导通状态的时候，电压调节器的输出电压Ve将成为驱动信号使Iin1_ref变小，等效于减小了输入电流的值。此时使用电流调节器与电压调节器调节占空比保证输出电压的稳定。模式2，如图2-3(b)所示，当负载所需功率＞1#源可提供的最大功率时，就会出现两个输入源同时向负载供电的情况。此时输出电压为正，二极管D1和D2始终保持截止状态，1#源在不足以完全满足负载所需功率时，由2#源补足。1#源的输入电流参考值设为Iin1_ref，使得1#源在最高功率模式下向负载输出功率。并使用电压调节器保证输出电压的稳定。模式3，如图2-3(c)所示，当1#源出现故障等影响而导致无法向负载正常供电时,则系统会直接关断开关管Q1。此时只有2#源向负载单独地提供能量。并使用电压调节器保证输出电压的稳定。模式4，如图2-3(d)所示，两个输入源都不向负载供电，各开关管和二极管全部处于关断状态。此时滤波电感Lf将开始释放能量，直到滤波电感Lf中的能量全部释放完毕之后，负载将由输出滤波电容Cf进行供电。(a)(b)(c)(d)图2-3双输入Buck变换器不同开关模式下的电路图2.3输出电压及输入电流的关系图2-2中我们给出了双输入Buck变换器的电路图，根据第二章第二节对电路中元件的名称的定义并结合图2-2，我们可以得出该变换器的输出电压以及1#、2#源的平均输入电流如下:Vo=VAB=Dy1Vin1+Dy2Vin2（1）Iin2=Dy1Il（2）Iin2=Dy2Il（3）上述式中的Dy1，Dy2分别为开关管Q1和Q2占空比的稳态值。2.4相关直流变换器性能的比较第一，从2.1节和2.2节可以看出，本设计所研究的双输入Buck变换器的不仅可以实现单独地向负载提供能量，还可以实现同时向负载提供能量；而单输入Buck变换器或双输入分时Buck变换器在任一时间点仅支持一个输入源向负载提供能量，从新能源的利用效率来看有了显著的提高。第二，本课题所研究的双输入Buck变换器相较于双输入分时Buck变换器来说不仅可以实现电路的基本运行，而且减少了相关器件的使用数量。第三，本课题所研究的双输入Buck变换器相较于双输入分时Buck变换器来说不仅减少了使用器件的数量并降低了系统的成本，而且可以利用新能源与其他能源之间的互补性来达到相对稳定的功率输出的目的。2.5能量管理与控制策略因为双输入Buck变换器中的输出电压是关于占空比的函数，所以既能调节输出电压，也能合理地分配两个输入源的输入功率。比如，在太阳能电池和城市电网的联合发电系统中，因为太阳能是新能源，所以应首先利用它，而城市电网将作为应急电力能源，本文设1#源为太阳能电池，2#源为城市电网，1#源所能提供的最大功率为Pin1_ref，负载所需功率为Po。依据能量管理的策略可以分为以下几点：①当太阳能电池足以可靠的提供负载所需的功率时，就可以使用太阳能电池为负载单独地供电，使其可以在稳定模式下运行并稳定地输出电压，此时城市电网将退出工作；②当太阳能电池无法满足向负载提供其所需的功率时，首先还是应尽可能多地使用太阳能，以便太阳能电池可以在最大功率的状态下运行向负载提供能量，其次城市电网则用来提供另外不足部分的负载功率。一方面，我们需要制定一种更明智的策略和方法来确保电压的稳定性，以便在两个输入源一起向负载提供能量时，整个系统能达到最优的功率分配；另一方面，除输入源故障等因素的影响外，必须确保太阳能电池首先以最大功率模式向负载供能，然后在太阳能电池供能不足时由2#源提供负载所需的能量。此策略不仅能有效减少传统能源消耗不足的现象发生，还能充分连接城市电网电源，确保整个系统正常稳定的向负载供电。图2-4是能量管理及控制策略的系统框图。根据能量管理的需求，在具备稳定的输出电压的情况下，优先利用尽可能多的太阳能。紧接着，根据每种工作模式的要求，给出各自的控制电路，并得出切换模式的方法，以实现各模式之间的平滑切换。下面依据图2-4的框图并按照能量管理的要求，来分析并介绍双输入Buck变换器的三种工作模式:模式一：当Po>Pin1_ref时，太阳能电池和城市电网将同时供电。此时电压调节器可调节开关管Q2的占空比来输出正值的电压，并会导致二极管VD1断开。可以看出，电流调节器和电压调节器是彼此独立地参与工作的。模式二：当Po<Pin1_ref时,该系统的城市电网将不再工作,仅由太阳能电池为该系统的负载提供电能。由于太阳能电池的输出为最大功率,因此输入的电压会急剧上升,此时由于电压调节器将在输入过程中产生呈正或负值的输入电压,使得开关管VD1导通,而二极管Q2断开。模式三：如果城市电网中的太阳能电池是无法正常运行的,则该负载将只由城市电网向该系统的负载提供能量。图2-4能量管理及控制策略系统框图

3双输入Buck变换器电路的设计3.1主电路的设计图3-1主电路的设计图各电路参数设计如下：输入源1#：10块太阳能电池组成的电池组。短路电流约5.5A，开路电压约355V，最大输出功率约955W，输入电压的范围为：Vin1=DC220～358V；输入源2#：220V/50Hz的城市电网中考虑过电压波动上下10%的直流电压。输入电压的范围为：Vin2=DC260V～340V；输出电压：Vo=DC180V；额定功率：Po=850W；开关频率：fs=100kHz。本课题采用的主要电路参数如下：滤波电感：Lf=1.38mH，RLf=0.2；滤波电容：Cf=220F，RCf=0.29；1#源输入电流积分数：ki=1；AB点电压积分常数：kv=70；输出电压的反馈系数：kf=0.03。3.1.1滤波电感和滤波电容的选用1.滤波电感值的选择与取用由第二章的分析可以看出:双输入Buck变换器有着四种不同的工作模式，即1#源单独地向负载供电、2#源单独地向负载供电、两个输入源同时向负载供电以及只通过滤波电容Cf向负载进行供电的情况。但是在这些情况下，电感电流脉动电流的脉动始终等于减小的程度。由于输出电压是保持不变的，如果续流时间越长，那么电感中的电流就会降的越多。当两个输入源一起工作时，电感电流的续流时间比一个输入源单独工作时的电流续流时间长，因此设计时应采用两个输入源同时向负载提供能量的情况。令Dymax=max(Dy1,Dy2)，在电感电流不间断的情况下有：△IL=Vo·(1−Dymax)Lf·fs

依据上述公式可得到如下结论：当Dymax的值越小时，电感电流DD当两个输入源同时工作时，Iin1值越大，Dy1将越小，Dy2将越大，我们可以知道的是当且仅当Dy1与Dy2相等时，最大占空比的值才最小，其值等于Dy1或Dy2。当Iin1为1.42A时，两个占空比相等，其值为0.32。将计算所得的最大占空比值代入上式得，利用∆IL=20%×Io，最终可求得电感Lf=1.38mH。2.磁芯的选择与取用（1）本课题可选用EE55型的磁芯，其有效面积Ae约为385mm2。选择的磁场密度Bm为0.2T。（2）确定电感的匝数，其表达式如下：N电感电流最大值IL_max=IL+ΔIL/2=4.88A，可得匝数NLf≈86匝。（3）确定磁芯气隙δ。根据下述公式：δ=μ0NLfIL_max/Bm可得δ=2.4mm。（4）所需导线的截面积表达式为：SL=IL_rms/J选取的导线电流密度为J=6A/mm2，则SL=4.45/6=0.741mm2。3.滤波电容的选择与取用通过选择一个输出滤波电容中的一个电压纹波即可确定输出滤波电容Cf。而电容的电压纹波主要指的就是等效串联电阻Rcf上的电压纹波及其对于滤波电容Cf进行充放电所产生的电压纹波。由于滤波电容的纹波电流值与滤波电感的纹波电流值相同,故滤波电容的纹波值表达式可定义如下：△Vo_pp1=Rcf·△IL(1)△Vo_pp2=△IL/8·fs·Cf(2)设上式(1)中△Vo_pp1为流过等效串联电阻RCf的电压纹波值，(2)中△Vo_pp2为滤波电容Cf的电压纹波值。实际上使用容量为220µF/450V的电解型电容，此时RCf所引起的电压纹波值为250mV，由Cf引起的电压纹波值为5.5mV。3.1.2开关管的选择与取用选择双输入Buck变换器开关管Q1,Q2的要求如下：开关管Q1、Q2两端电压应力必须是1#源，2#源的输入电压的最大值，则有：Vds1_max=350VVds2_max=342V开关管的电流应力等于通过开关管的最大电流有效值，此时变换器处于重载条件下输出且开关管的占空比最大的情况。当只有1#源向负载供电且输入电压最低的时候，占空比Dy1为最大值；而当变换器重载时，双输入Buck变换器的电感电流平均值为4.44A，通常选取电感电流的纹波值为上下20%的重载电流，故流过开关管Q1的最大电流有效值IQ1_rms=4.22A。同上，开关管Q2的电流应力为IQ2_rms=3.80A。本课题选用场效应晶体管作为开关管，根据最高电压的1.5倍值来选择该功率开关管电压额定值，并根据电流有效值的2倍值来选择该功率开关管电流额定值。因为开关管Q1和Q2的电压和电流应力值差别不大，所以最终均可选择ST公司的场效应晶体管作为开关管，其型号和规格为STP10NK60Z(UDSS=600V，RDS(on)=0.65Ω，ID=10A@25°C，5.7A@100°C)。3.1.3二极管的选择与取用两只二极管的电压应力等于各个输入源电压的最大值，所以二极管D1的电压与零件规格值的比值是VD1_max=358V；二极管D2的电压应力是VD2_max=340V。两只二极管的电流应力等于流过二极管的最大电流有效值。故选定某一个输入源向负载单独地供电时，另一个二极管将始终处于导通状态，因此额定负载电流就是流过二极管的平均电流最大值，同时考虑到有上下20%的电流纹波，则流过二极管的最大有效值电流为：ID_rms=4.45A。根据计算得到的电流和电压应力，并考虑安全裕值和反向恢复的特性，最终选择一种SBD，其型号和规格为：CSD06060(VRRM=600V，IFAVM=6A，VF=1.6V)。3.2控制电路的设计3.2.1驱动电路的设计下图3-2中给出了本课题中的1#源的控制电路，下面将对控制电路的采样电路进行具体地介绍和分析。图3-21#源控制电路图3.2.2采样电路的设计本课题的采样电路中包括了对1#源的输入电流的采样以及对AB点间的电压的采样。其中1#源的输入电流可利用电流互感器(TA)来检验；由于AB点间电压vAB波形是矩形波或阶梯波，因此为了得到更准确的电压波形可以通过差分电路的采样来实现；如图3-3给出了电流采样电路的电路结构，其中n为TA的次级侧的匝数，iin1为TA的初级侧的电流，i'in1为TA的次级侧的电流，e为TA的次级侧的感应电势。在TA中选择磁环时，一方面应选择初始磁导率很高的磁环，以便将励磁电流对控制电路的影响控制在尽可能低的水平；另一方面应确保磁环处于不处于饱和状态并且绕组可以完全缠绕在磁环下方。因此在实际中可选择铁氧体3C85材料，直径为9.4mm，TN9/3的磁环，其窗口面积Ae为1.97mm2，饱和磁密Bm为0.3T，取∆B=0.15T。为了减少TA的初级侧的损耗，可以将初级侧的匝数设置为1匝，则根据伏秒积平衡特性可得：-eavg·Dy1·Ts=n·Ae·△B同时TA的检测电压-epk不应大于2V。当1#源单独供电且输入电压最低时，相应的最大占空比Dy1max=0.9，代入上式得，TA的次级侧匝数n为：n=选取n=60匝，实际选择直径为0.3mm的漆包线，则TA的次级侧电流的峰值i'in1_pk为：I'in1_pk=i则TA的次级侧的检测电阻R1应为：R1其中VD是TA的次级二极管导通压降，根据计算结果取值R1=28Ω。AB点电压的采样可以通过差分电路来实现，如图3-4所示。而使用压摆率高的运算放大器能够及时反映AB点电压波形，比如用压摆率为300V/μs的高速运放AD827放大器就能达到预期的目的。图3-3电流采样电路图3-4AB点间电压vAB采样电路

4仿真和实验结果分析根据上述研究，可得出整个系统的总仿真电路图如图4-1所示。设各仿真参数为：1#输入源电压为Vin1=300V，2#输入源电压Vin2=311V，输出电压Vo=180V,输出功率Po=850W。图4-1系统仿真电路图4.1输出电压及电流的仿真为验证其输入电压及输出电流是否符合本文要求，以第2章中提到的第一种工作模式为例，当Po>Pin1_ref时，太阳能电池和城市电网一起向负载供电，此时的输出电压为正，1#源在不足以完全满足负载所需功率时，由2#源补足。如图4-2所示为整个系统的输出电压的波形，其电压由2#源控制。根据已知的数据在Matlab仿真软件上进行仿真。因为有纹波的影响，所以输出电压并不是一个理想化的值为180V的波形，但波形的变化在允许范围内，由于在仿真中搭建了一个平均值运算元件，依据波形可得到平均值为180V的波形。依据