DC-DC电源模块并联均流控制技术研究

1、安徽工业大学毕业设计( 论文 ) 任务书课题名称DC-DC电源模块并联均流控制技术研究学校安徽工业大学学院电气信息学院专业班级姓名学号毕业设计( 论文 ) 的主要内容及要求：主要内容：(1) 常用的均流方法介绍(2) Buck电路的拓扑、工作原理，主要波形、参数计算及设计(3) Buck电路的小信号分析，电路仿真及补偿(4) 平均电流自动均流法改进型的介绍及仿真课题要求: (1) 阅读与毕业设计相关的中、英文参考文献( 8 篇以上， 至少 2 篇英文)(2) 熟练地应用计算机，包括上网查找中、英文参考资料等。(3) 翻译一篇与本课题有关的英文资料。起止时间：R2012 年 3 月 1 日 至

2、2012 年 6 月 12 日共 15 周指导教师系 主 任院 长签 字签 字签字摘要随着大功率负载和大电流负载的需求，电源模块并联控制技术研究的越来越重要， 而如何很好的实现并联电源模块间输出电流的平均分配成为并联技术的核心。针对这个问题，本文介绍了在并联变换器模块的简化、近似线性化的小信号数学模型下的均流方法。论文简要介绍了常用的均流方法及其优缺点，对Buck变换器的基本电路结构和工作原理作了说明，给出了主电路的主要点的电压电流波形、主要关系式，然后计算出了各元件的参数，并基于这些参数建立了小信号模型，做了一个Buck 变换器仿真对结论进行了验证以及补偿的设计。对平均电流自动均流法改进型及

3、其优缺点，最后在 matlab 上进行了验证性仿真。关键词：并联DC/DC变换器均流控制；小信号分析；平均电流自动均流法word 文档 可自由复制编辑RESEARCOHNT HEC ONTROTLE CHNOLOGOYF THEP ARALLELEDDC/DC CONVERTER MODULESAbstractWith the increasing demand of large power load and large current load， the important of research on paralleled power supply modules is increasin

4、g， while how to achieve the equilibration of output currents is the key technology of marking the modules work in parallel.as for the question,a method of current-sharing control is introduced， which is in condition that the approximate linearization small-signal models.First of all, this paper brie

5、fly introduces some common methods of current-sharing control and their advantages and disadvantages, detailed introduces the basic circuit ， structure and working principle of buck converter, and gives the waveform, main expression of the main circuit, parameter calculation, small signal model, mad

6、e a buck converter to verify the conclusion and compensation design.Second,detailed introduces the improving average current sharing control methods and their advantages and disadvantages , and the last in the matlab simulation on the verification.Key words：paralleled DC/DC converters ； current-shar

7、ing control；Small-signal model ； the average current sharing controls.第一章 绪论 5.1.1 课题的研究背景和意义 5.1.2 并联均流控制 6.1.2.1 均流控制的必要性6.1.2.2 交错并联运行7.1.3 常用的并联均流控制方法 7.1.3.1 输出阻抗法7.1.3.2 主从设置法8.1.3.3 平均电流自动均流法 9.1.3.4 自动主从控制法1.01.3.5 外加均流控制器均流法1.11.4 并联均流控制方法的扩展1.21.5 本课题的目的和主要研究内容1.3第 2 章 DC/DC 变换器主电路的设计1.52.

8、1 Buck变换器 1.5.2.2 Buck电路的数学模型2.22.3 具体 Buck变换器主电路参数设计2.42.3.1 占空比 D 2.4.2.3.2 滤波电容L2.4.2.3.3 滤波电容C2.42.4 Buck 电路的 Matlab/simulink 闭环系统仿真2. 52.5 小结 2.9.第3 章平均电流自动均流法3.03.1 DC/DC并联变换器不均流分析3.03.2 改进的平均电流自动均流法3.23.2.1 电压型均流控制3.33.2.2 改进型一平均电流型均流控制1 3. 33.2.3 改进型二平均电流型均流控制2 3. 43.3 仿真3.5.3.4 小结3.9.结论4.0.

9、致谢4.1.参考文献4.2.第一章 绪论1.1 课题的研究背景和意义随着科技的发展，电子设备往往需要大容量的直流电源供电，例如：巨型计算机系统需要5V、几百安培的电源供电：通讯用电源系统需要50V/2400A的电源供电；固态雷达发射机需要40V/1000A的稳定度高、纹波低且噪声小的电源供电；下一代的微处理器需要1.1V-1.8V/30A-50A 的特种电源一电压调整模块供电等等。由于单个电源组件的功率容量毕竟是有限的，在需大容量供电的情况下，如果采用单个电源供电，该变换器势必要处理巨大的功率，电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单个电源发生故障，则导致整个系

10、统崩溃。而采用多个电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的一个新方向。并联电源系统中每个电源模块只处理较小的功率，解决了上述单个电源遇到的问题，而且还可以应用冗余技术，提高系统的可靠性。近年来，分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。相对于传统的集中式供电， 分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大功率电源系统。 在空间上各模块接近负载，供电质量高，通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，设计灵活，每个模块承受较小的电应力，开关频率可以达到兆赫级，从而提高了系统的功率密度，分布式电源系统可方便地实现冗余，减少产品种类，便于标准化。总而言之，大功率负载需求和

11、分布式电源系统的发展，使得开关电源并联控制技术研究的重要性日益增加。较之传统的单电源供电而言，并联电源系统具有很多优点，例如：可实现大电流、高效率，能够保证较高的可靠性，能够根据需要配置成冗余系统，能够实现电源容量的可扩充性，能够降低成本投入等等。然而，由于工艺水平的限制和误差的不可避免性，实际系统中参与并联的各个模块，它们彼此之间的参数或多或少都会有差异，这种差异只可以尽量缩小，却难以完全避免。此外，各个模块的参数还会随着时间和温度等外界因素的变化而发生变化，而这种由于外界因素而产生的各模块参数的差别可能要比模块本身固有的差别还要大的多。鉴于系统中参与并联的各个电源模块的特性无法做到完全一致

12、，如果将各电源模块直接并联的话，势必很难保证各电源模块均匀分担负载电流，严重影响系统的稳定性和可靠性。因此， 并联均流技术成为电源模块并联运行的一个研究热点与难点。1.2 并联均流控制1.2.1 均流控制的必要性DC/DC并联电源稳态输出直流电压，则单个模块的输出电流将直接决定于该模块的等效空载电压和输出电阻的大小，如此一来，参与并联的每个模块都可以等效为一个电压源(代表空载电压)和一个电阻(代表输出电阻)的串联，这种等效的方法可以为下面进一步研究DC/DC变换器并联时的电流分布情况提供便利。图 1-1 是两个模块并联时输出电流与输出电压的关系曲线。图1-1(a) 是两个模块的输出阻抗相等(

13、输出特性曲线的斜率相等), 但空载输出电压不相等时的情况, 图1.1(b) 是两个模块的空载输出电压相等, 但输出阻抗不相等(输出特性曲线的斜率不相等 ) 时的情况。图 1-1(a) 中两个模块的输出特性分别为：V1=V01-I1 R0(1.1)V2=Vo2-I1 R0(1.2)输出电流差异为：I=I2-I1= V02-V01(1.3)R0图 1-1(b) 中两个模块的输出特性分别为：V1 =V0-I 1 R01V2=V0-I2 R02(1.4)输出电流差异为：I=I2-I1V0(R01-R02)(1.5)RL(R01+R02)这只是针对两个模块并联的情况，且要么空载电压存在差别，要么输出电阻

14、存在差别，而非两者同时存在差别。更一般的，如果不是两个模块而是多个模块并联，如果各模块的空载电压和输出电阻都存在差别，那么，输出电流的情况就可想而知了。因此， 在采用并联技术实现分布式电源的同时，必须采取一定的措施来保证每个模块分担相同的电流，只有这样，才能保证系统稳定可靠的工作，充分发挥并联电源的优点。(b) 空载电压相等，输出阻抗不同1-1 两个模块并联运行时输出电流与输出电压的关系1.2.2 交错并联运行交错并联运行其实也是并联方式的一种，N个模块并联交错运行是指各个并联模块的开关频率相同，但起始导通时刻彼此依次错开1/N个开关周期。DC/DC变换器并联运行时，如果能够实现并联模块的交错

15、运行，那么除具有普通并联的一系列优点外，还具有一些特有的优点: 首先， 并联交错运行能够降低输出电流、电压的纹波幅值，提高输出电压、电流纹波频率。对于一台N模块并联交错运行的变换器来说，其输出电流和电压的纹波峰值要比单独一台子模块电源的小, 较之同样的N个模块并联同步运行的变换器更是大为减小。其次 , 并联交错运行可以减小输出滤波器的体积和重量, 同时不增加开关频率、开关损耗和器件应力；改善输入电流波形, 减小输入电容的容量和体积；提高输入端功率因素，减小输入端EMI；提高系统效率和功率密度等等。1.3 常用的并联均流控制方法从目前国内外对均流控制技术的研究来看, 常用的并联均流方法有: 输出

16、阻抗法、主从设置法、平均电流自动均流法、自动主从控制法、外加均流控制器均流法等。1.3.1 输出阻抗法输出阻抗法在有的文献里也称为电压调整率法或下垂法，是一种通过改变并联模块的外特性斜率来实现均流的一种方法。图1-2为输出阻抗法实现近似均流的一个实例。 图中，Rs为检测模块输出电流的采样电阻。采样所得到的电流信号经过电流放大器处理得到V1， 与模块输出的反馈电压Vf共同加到电压放大器的输入端。这个综合的信号与电压基准信号Vr比较后，所得误差经过放大得到Ve， 控制PWM调制器和驱动器，进而自动调节模块的输出电压。当某个模块电流增加得多时，V1 上升，Ve下降，于是模块的输出电压随着下降，即外特

17、性向下倾斜，接近其他模块的外特性，使其他模块+I1R1Vs-+Vs-RLIo1-3 并联示意图输出阻抗法是一种最简单的自动均流方法, 不需要模块之间的控制线, 模块化特性好 , 它依靠自己内部的输出阻抗, 或者外加的阻抗来保证模块间负载电流的相对均分。 由于它实际上是一种自身调节的控制技术，因此不会存在稳定性的问题。然而这种方法的主要缺点是：当均流性能要求很高时，负载调整率比较差，当模块的电压稳定性要求很高时，均流性能比较差。因此，由于上述这些特点，使得下垂法不适合应用在高功率、高性能的场合，但是由于其简单性，该方法在小功率场合被广泛应用。1.3.2 主从设置法这种方法适用于电流型控制（ 即有

18、电压环和电流环双环控制） 的并联电源系统。主从设置法是在并联的N个变流器模块中, 人为的指定其中一个为主模块, 而其余的各个模块为从模块, 从模块电流是跟随主模块电流进行分配的。如图1-4 所示 , 图中每个模块都是双环控制系统, 设模块 1为主模块, 按电压控制规律工作, 模块 2为从模块 , 按电流控制方式工作。Vr为主模块的基准电压, Vf为输出电压反馈信号, 通过电压误差放大器得到误差信号Ve, 它是主模块的电流基准, 与 VI1 比较后产生控制电压Vc, 控制脉宽调制器和驱动器工作。于是主模块电流将按照电流基准Ve调制, 即主模块电流近似与Ve成正比。各个从模块的电压误差放大器接成跟

19、随器的形式, 主模块的电压误差Ve输入跟随器, 于是跟随器输出Ve, 成为从模块的电流基准, 因此 , 从模块也是按照Ve进行调制的, 从而各个模块实现了均流。该均流法要求主从模块间必须有通讯联系，所以整个系统比较复杂。且如果主模块失效，则整个电源系统不能工作，因此可靠性取决于主模块，只能均流，不适用于构成冗余并联系统。电压环的工作频带宽，容易受外部噪声干扰。1.3.3 平均电流自动均流法这种方法要求并联的各个模块的电流放大器输出端各自通过一个相同阻值的电阻接到一条公用母线上，该母线称为均流母线，如图1-5所示均 流 母 线 Vb1-5 平均电流自动均流法控制电路原理图图中电压放大器输入为Vr

20、* ，反馈电压为Vf ， Vr* 是基准电压Vr和均流控制电压Vc的综合，它与Vf进行比较放大后，产生电压误差Ve， 控制调制器和驱动器。V1 为电流放大器的输出信号，与模块的负载电流信号成比例，Vb为母线电压。当n=2，即两个模块并联时，V1 和 V2 为模块1和模块2的电流信号，都经过阻值相同的电阻R接到母线上，因此当流入母线的电流为零时(V1 Vb) R (V2 Vb) R 0(1.6)Vb (V1 V2) 2(1.7)即母线电压Vb是 V1和 V2的平均值，也代表了模块1和模块2输出电流的平均值。V1 , V2 与 Vb之差为均流误差，通过调整放大器输出一个调整用电压Vc。当V1 Vb

21、 时，电阻R上的电压为零，Vc 0，表明已经实现了均流。当R上电压不为零，表明模块间电流分配不均匀，V1 Vb ， 此时基准电压Vr* Vr Vc将按进行修正，即通过调整放大器改变Vr*，以达到均流目的。平均电流自动均流法的均流效果较好, 易实现准确均流, 为了使系统在动态调节过程中始终稳定, 通常要限制最大调节范围, 要将所有电压调节到电压捕捉范围以内,如果有一个模块的均流线短路, 则系统无法均流, 单个模块限流也可能引起系统不稳定 , 在大系统中, 系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决。1.3.4 自动主从控制法与主从设置法不同，该均流法由系统自动设定主模块和从模块。在n个并联的模块

22、中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，其余的模块则为从模块，它们的误差电压依次被整定，以校正负载电流分配不均衡。在n个并联的模块中事先未人为设定哪个模块为主模块，而是按电流大小排序，电流大的模块自动成为主模块。因此，该均流法又称最大电流自动均流法，或民主均流法。将图1-5平均电流法自动均流控制电路原理图中a、 b两点间的电阻用一个二极管代替，如图1 6所示，均流母线上的电压Vb反映的是并联各模块的VI 中的最大值。由于二极管的单向性，只有对电流最大的模块。二极管才会导通，a点方能通过它与均流母线相连。设正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。如果某个模块的电流突然增大， 成为并联的n个模块中

23、电流最大的一个，于是从模块的VI 与 Vb(即 VI max)比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。由于二极管存在正向压降，因此主模块的均流会有一定的误差，但从模块的均流均比较好。该均流法无论均流母线开路或短路均不会影响各电源模块独立工作。负载电流VbVr母 线均 流1-6 自动主从均流法原理图美国 Unitrode 集成电路公司根据最大电流自动均流法均流原理, 研制开发了UC3907系列负载均流集成控制器。该电路的具体原理、特点和应用在此不再进行详细介绍。最大电流自动均流法的电路简单，易于实现；通过调节电压给定来调节输出电流，会造成输出电压的波动，影响稳压精度；通常要限定对电压给定

24、的调节范围，但带来的新问题是，当均流电路调节能力达到极限时，电源只能退出均流；均流是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程，系统中主，从模块的身份不断交替，各模块输出电流存在低频振荡。1.3.5 外加均流控制器均流法采用该均流法，要求在每个模块的控制电路中加一个特殊的均流控制器，用以检测并联各模块电流的不平衡情况，调整控制信号Ve从而实现均流。图 1-7为 n个并联的电源模块中的一个模块均流控制电路原理图。图中突出了均流控制器SC， 其输入为反映模块负载电流的信号VI ，由电流放大器（图中未画出）供给，SC输出Vc与基准电压Vr 和反馈电压Vf （由电压检测器测得）综合比较后，输出Vc经电压

25、放大器输出控制调制器和驱动器。各均流控制器的另一端b接均流母线。1-8 外加均流控制器均流控制原理SC1-9 n 个均流控制器的联接图设 n个并联的模块输出功率相等，电流检测、放大电路相同，n个并联模块的均流控制器SC连接如图1-9所示。n个均流控制器的输入端分别接VI1 、 VI2、 , 、 V In ；输出端分别为Vc1 、 Vc2 、 , 、Vcn。 b端并联在均流母线上。当 n=2时，均流控制器的工作原理如图1-10所示。 图中放大器1为跟随器，放大器2为比较器。跟随器输入端经开关Sk(k=1 ， 2)接到均流母线。当所有开关S都合上时，每个跟随器的输出电压Va(VI1 VI2 ) 2

26、， 即它所反映的是两个并联模块的负载电流平均值。第k个均流控制器的Va 与 VIk 通过第k个比较器比较，如果有差别，表示两个模块负载电流不均衡，该控制器若为比例控制，输出电压Vck由下式决定1.8)VckAVIk Va ，k=1,2A为比例系数。调节k个模块的输出电压，使第k个模块电流跟随平均电流，从而实现均流。1-10 n=2 时均流控制器的原理图外加均流控制器均流法效果非常好，各模块的输出电流基本相等；但需要外加专门的控制器，加大了投资，控制器与各电源模块要进行多路连接，连线较复杂，均流控制器的引入，将使并联电源系统的动态过程分析更加复杂，如果不注意均流控制环的正确设计，将使系统不稳定，

27、或者使系统动态性能变坏。1.4 并联均流控制方法的扩展目前已经提出的均流控制方法非常多，从本质上讲，模块并联运行需要均流主要是由于模块输出属于电压源性质，输出电压的稍微偏差可以导致输出电流的很大差别。为实现均流，可以通过改变电压源的特性（使特性变软）或改变电压源的幅值来实现， 从这种意义上讲，目前的并联均流控制方法可以分为两大类，即下垂法和有源均流法。其中，根据下垂法中电压电流特性的形成方式，可以分为串联电阻，输出电流负反馈，变增益控制，低直流增益的电流模式控制和利用变流器内在环路特性等5种。有源法一般由两部分组合而成，即控制方法和均流母线形成方法两部分组成。控制方法主要用来调节输出电压。从变

28、流器闭环控制的方法出发，能够改变输出电压的存在4种方法，改变输出电压基准或输出电压反馈，改变电流内环的给定或反馈，同时改变电压基准或电流基准以及采用外部闭环控制。根据这四种方法，对应有4种均流的控制方法，即内环调节、外环调节、双环调节、和外控制器法。均流母线主要用来获得模块输出间的电流误差信号，均流母线形成方法共有两大类，即平均法和主从法。基于上述四种均流控制方法和两种均流母线形成方式，可以设计出其他许多新的均流控制方案，如外环调节+自动主从法或指定主从法，外环调节+基本平均法，内环调节+自动主从法或指定主从法，内环调节+基本平均法，双环调节+基本平均法等等。其具体的工作原理、结构和和优缺点见

29、文献，鉴于篇幅这里不再重复。然而，上述这些并联均流控制技术，虽然其原理不尽相同，但均流控制器的设计都是在并联电源模块简化、近似的线性化小信号数学模型基础上进行的。传统的基于简单平均化线性小信号模型的均流控制方法在负载大范围变化和存在干扰的情况下得不到很好的动态响应，同时，由于并联电源系统的强耦合性、非线性特性，其均流控制器的PID参数整定非常困难, 因而很难在工程上找到同时满足优化稳定性和动态特性要求的解决方案。随着计算机技术的迅速发展，复杂参量和系统的状态实时计算、估计已成为现实，自适应控制、鲁捧控制、滑模变结构控制、单周期控制等现代控制理论以及模糊控制、神经网络等智能控制方法都已应用于电力

30、电子系统。因此， 在设计高精度、高稳定度电源时使用先进的控制策略将更具吸引力和实用价值，对于并联电源系统当然也不例外。目前国内外关于这方面的文献很少，而且大多数都只是停留在仿真阶段，但是随着各种软硬件技术的开发，尤其是高速廉价单片机、处理器的出现，大大方便了先进控制策略应用系统的实现。所以，研究新型的，先进的并联电源均流控制策略是十分必要和有价值的。1.5 本课题的目的和主要研究内容本课题的主要目的在于研究非线性控制技术在DC/DC变换器模块并联均流控制中的应用，并通过仿真验证所提出的均流控制策略的合理性。主要研究安排如下：（ 1）分析研究DC/DC变换器模块并联运行常用的均流控制技术，明确其

31、结构特点及各种均流控制策略的优缺点。（ 2）介绍基本的DC/DC的 PWM变换器，主要是Buck变换器的电路结构、工作原理、波形、参数推导，仿真等。（ 3） 从电路原理和数学知识推导不均流的原理及验证性仿真，平均电流自动均流法几种方法的比较，及自己所采用的方法及仿真。（ 4）均流模块的小信号模型，补偿网络的设计。（ 5）总结本论文的过程及不足之处，并对后续的研究工作提出展望。第 2 章 DC/DC 变换器主电路的设计采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压，将一种直流电压变换为另一种直流电压，称为开关型DC/DC变换器。一个周期TS内，电子开关接通

32、时间ton。所占整个周期TS的比例，称为接通占空比D,D=ton/TS；断开时间toff所占TS比例，称为断开占空比D'， D'=toff/TS。接通占空比越大， 负载上的电压越高；1 Ts fs称为开关频率，fs越高， 负载上的电压也越高。DC/DC变换器中的开关在某一频率下工作，保持开关频率恒定而改变接通时间的长短（ 即脉冲的宽度） ，使负载变化时，负载上的电压变化不大的方法，称为脉冲宽度调制法（PulseWidth Modulation） 。脉冲宽度调制方式控制电子开关的开关变换器，称为PWM开关变换器。保持脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比而调整负载上的电压

33、的方法，称为脉冲频率调制法（Pulse Frequency Modulation） ，脉冲频率调制方式控制电子开关的开关变换器，称为PFM开关变换器。直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压（Buck）斩波电路，升压（boost）斩波电路，buck-boost 斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路，利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，利用相同的基本斩波电路进行组合，可够成多相多重斩波电路。上面是直接直流变流电路，还有间接直流交流变流电路，是在直流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离。如

34、正、 反激变换器，推挽变换器等。本论文采用最基本的斩波电路Buck变换器，介绍其主回路结构和基本特征，包括电路结构、工作原理、波形、主要关系式，参数等，最后对一个具体电路进行设计与仿真。为模块并联做准备。2.1 Buck 变换器Buck变换器是一种输出电压平均值Vo小于或等于输入电压VI 的单开关管非隔离型直流变换器，该变换器主要由全控型开关管T、 电感元件L、 电容器C和续流二极管D构成，图2-1 给出了它的电路拓扑图，图2-2 给出了它的电压电流波形。isiL+Ui2-1 Buck 变换器电路拓扑作用是在控制开关T接通期间ton限制大电流通过，防止输入电压Ui 直接加到负载R上，对负载R进

35、行电压冲击。D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间toff，给储能滤波电感L 释放能量提供电流通路。如图 2-1 所示，当开关管T导通时，输入电压U i 。施加在电感上，电能储存在电感L和电容C中，同时也反馈给负载。当开关管T截止时，储存在电感、电容中的能量释放，继续向负载供电，二极管D构成电流回路。当开关管T导通时，电源电压U i 。等于电感电压UL 与输出电压Uo之和， iL 在时间ton内线性上升；当开关管T截止时，U L等于负的输出电压Uo， iL 在时间 toff 内线性下降。在一个周期TS内，电感iL 呈锯齿状，当锯齿的谷点刚好与横轴时间

36、座标相交时，为电流连续与不连续的电感电流的平均值就是输出电流的平均值。为便于计算，将一个周期的开始0点。设0， t1 期间开关管T导通，导通时间为ton；t1,t2 期间开关管T截止，截止时间为toff，则开关管T的开关周期为Ttontoff，开关频率为fs1Ts，占空比D=ton/TS。 改变驱动信号的占空比即改变开关管的导通时间，即可得电路的输出电压。(1) 在开关管T导通0， t1 期间， 电感L两端所加电压Uin Uo， 电感电流线性上升线性电感储存能量。电感中的电流：L dditL1Ui UoiL1U in U oL dtt=0时， iL1 ILmin，由此可得在开关管T导通期间，电

37、感L中的电流表达式为：2.1 )Uin UoitIL1LLmint= ton时，电感电流到达最大值，即L maxUin Uott onI L min2.2)(2) 在开关管T截止t1,t2 期间，电感释放能量，此时电感的感应电势刚好转向，其值等于输出电容两端电压Uo，此时电感电流：L diL2 Uo dti L2Lodtt=ton 时，iL2 I Lmax ，得到i L2UL o (t ton ) IL max2.3)t= T s时，由上式可得：Uoi L2 (Ts )L (TSton ) I L max2.4)U U Uoi L2 （Ts）L toff LtonI Lmin分析（ 2.3）式

38、，可见Buck变换器有三种工作状态。工作状态一：当t= Ts时，若iL20，则有：2.5)LtoffI L maxUO即当开关管T截止末了（ t2时刻 ）时，电感电流刚好降到零，而开关管再导通时电感电流又从零开始上升，因此在一个工作周期内，开关管T导通期间电感储存的能量，在开关管截止期间刚好释放完，电路工作在临界连续工作状态。工作状态二：当t= Ts时，若iL2 0，则：t U in U o ttofftonUo即当开关管T截止末了（ 时刻 ） 之前，电感电流已经等于零，电感上出现了电流断续工作状态。在电感断续期间，完全由电容C放电来维持向负载供电，此时电压的波纹较大。作为开关稳压电源，这种工

39、作状态是不期望的。工作状态三：当t= Ts时，若 iL2 0，则：t offI L maxUO即在时刻电感电流没有降到零，在这种情况下，电感在开关管导通期间储存能量，在开关管截止期间向负载释放能量，这样连续不断地储能和释放能量，没有间断，输出电压比较稳定，波纹较小。电源一般工作在这种电感电流连续的工作状态。在稳态条件下，电感在一个工作周期中的储能和释放的能量相等，将式可得：(2.2) 代入式 (2.4)解出：iL2(Ts)ULOU in U o t I Ion L min L minLtonU otoffUin UoUton U DUoin inTs式 （2.6） 为 Buck变换器的输出电压

40、与输入电压之间的关系式。由此可见， 换器的输出电压与输入电压的比值等于占空比，由于占空比小于2.6)Buck变l ，因此输出电压Uo总是小于输入电压Uin，因此Buck变换器又称降压型开关电源。（3） 电感电流iL平均值在电感电流连续的稳态情况下，电感电流的平均值I L 等于负载的输出电流I o ， 即：1ton1TsIL=IoiL1dtiL2dtTs 0Ts ton1ton U UT10 UinLUotILminTs1Tsudt 1 ULo (tton) ITtonsLmaxdttonTS2.2）和（2.4）可得：Uin2LUotonILmin toff 2ULotoff ILmaxTs2.

41、7)代入（ 2.7）式可得U in U o t I1 (tonI L min (2L2U in Uton I L min ) I Lmin 12IUo2LLmin ILmaxt I 1( Uot toffI L max ( toff2L1=ILminI Lmax2：IL Ioton2Ts2Ts toff 2T(ILmin ILmax)ILmax) ILmaxtoff (I I )Lmin Lmax 2Ts)( I Lmin I Lmax ) s1= ILmin ILmax 22.7)式还可得到电感电流的平均值为IL I o in o ton I Lmin2LUot ItoffI L max2L

42、2.9)Uot ItoffI Lmin2L若 iLmin0 ，则会发生电流不连续，因此，处于临界状态时的电感电流的平均值为：2.10)U in U o U oI 2Lton2Ltoff(4) 最小临界电感值由式 (2.9) 和式( 2.10)可知，若要使电感电流连续，开关管的电流峰值即电感ILmin 0)2.11 )U in U o U oI PK I L max I Lmin L ton L toff电感电流峰峰值的一半小于或等于负载电流时，电感电流是连续的，即该变换器U in U oin otonIo2LUot ItoffI o2LLminUo 2fIU in U oU o2Io2Ioto

43、ff(1 Uo)o Uin(Uin Uo)UoTTs2IoUin s2.12)(5) 输出电压纹波由于滤波电容C两端的电压值实际上等于开关稳压电源的输出电压U o ，因此电容两端电压的变化量实际上也是所要计算的输出电压纹波值Uo， 由图 2-2所示 Uc波形可见，在开关管T导通的ton/2 到 ton的时间内，电容开始充电充电至与U c 相等时，T截止，电容C在这段时间内的电压变化量为Uo；从ton时刻开关管T开始截止至ton/2这段时间内，电容C由电感L继续不断充电，电容电压继续上升，最后达到最大值。设这段时间内电容C两端电压变化量为，则有：Uo Uo1 Uo2由图 2-2中 ic和 Uc波

44、形可见，当开关管T开始导通时，电容C放电电流就开始减小，经过 ton/2 之后，电容C的放电电流过零，此时电容电压具有最小值。然后电容开始充电，其两端电压U c开始上升，当充电持续到时，开关管T开始截止，这段时间内电容on ，因此：两端电压的变化值取决于电容器的充电电流ic和充电时间ton tc2U o1C1tton i c dtt on2iciL1 IoiL1U in U 0t I LminIoU in U o t I on Lmin2LUotoffI L max2L所以icU in U o U in U ot2Lton开关管 T截止后，电感o1Uo1t onC t on2UinL上储存的能

45、量开始释放，一部分供给负载，一部分继续给U in U oU in U o2Lton )dt8LCUot2onUin8LCUo (UoTsUin)2ton 时刻电容电压充至最大值，在开关管T截止的前一半时间内，电容2上的电压增量为：o2C* 1ton toff 22 icdton在开关管T截止期间，iL2UoLo(t ton) ILmax所以ULUo (t ton) ILmax (UoLo (tton)Uo2LtoffUoU02LtoffI L max )ULo (ton12 toff )Uo2t1tonoff 2 UU1 ton 2 ULotULo(ton 21toff)dtC tonUo28

46、LCoff2.14)最后得到滤波电容C两端电压的纹波值为：Uo Uo1 Uo2to2ffUin Uo 2 Uo ton8LC on 8LC2.6)有 Uin Uo Uo ttoofnf ，代入上式可得：2U T2UUU UUo UoTsUinUoUo2(1 Uo)( 2.15)o 8LC Uin 8LCf 2 Uin由此可见，要降低开关电源输出电压的纹波值，除与输出电压U in 和输出电压U o的大小有关外，提高开关频率可起到显著降低输出电压的纹波值，增大储能电感L和滤波电容C也可起到一定的作用。(6) 滤波电容根据所需的交流电压输出分量U o和其他给定的设计参数，同时考虑到滤波电感不小于临界

47、滤波电感值的要求，滤波电容C的容量可由下式求出：C=U2o(1 Uo )( 2.16)8Lf 2 Uo Uin2.2 Buck 电路的数学模型开关电源主要采用负反馈控制，使输出电压或输出电流维持稳定，因此遵循控制系统的规律，Buck开关电路以图2-3为例，进行Buck电路的小信号分析研究，推导出其传递函数。Ui2-3 Buck 电路的拓扑2.17)2.18)当开关导通时，电路的状态方程为x A1x B1u0 t DTs开关断开时，电路的状态方程为x A2x B2uDTs t Ts其中， x iL ucT， u ui ，A1 A2C令式( 2.17)乘以 D ，式(1L, 1RCB11L , B

48、20002.18)乘以(1 D)后相加得x Ax DBu( 2.19)其中， A A1 A2 , B B1对于Buck电路有UO DUi，当输入电压Ui波动时控制电路通过开关占空比D 来控制开关电源以实现稳压，设电感工作在CCM状态，此时D 就是一个控制系统的输入变量，记为d， U i 可视为干扰量，记为ui ，由于存在乘积项，则为非线性系统，所以需要线性化处理。采用电路上常用的小信号分析法。设状态方程(2.19)的稳定工作点为(x0,u0,d0)，式(2.19)记为 x F(x,u,d) ，在工作点处泰勒展开，可得：F(x0,u0,d0)F(x0, u0,d0)x F (x0 ,u0, d0

49、)(x x0)(u u0 )xu+F(x0,u0,d0)(dd0)O(xx0)O(uu0)O(dd0)( 2.20)d略去高阶无穷小，由于x0 (x0,u0,d0)，可令：x x x0 ，u u u0 ， d d d0在工作点(x0,u0,d0)附近，有A F x， B F u， C F d 成立，即：x Ax Bu Cd拉氏变换后2.21 )2.22)s x(s) A x(s) B u(s) C d(s)x(s) (sI A) 1B u(s) (sI A) 1C d(s)0A1C根据式( 2.21 )、(Gid (s)2.22) 、(2.23)可解出下面各式：iL(s) ui0(Cs 1 R

50、)d(s) LCs2 RLs 1(2.24)Gvd (s)uc(s)d(s)ui0LCs2 L s 1R2.23)2.25)其中， Gid(s)为变换器中占空比到输出电压的传递函数，Gvd(s)为变换器中占空比到输出电流的传递函数。注意以上推导均未考虑电感电阻及电容寄生电阻等，相关推导请参考其他文献。下面是一个具体Buck电路设计2.3 具体 Buck 变换器主电路参数设计本论文采用的buck模块性能指标如下：输入直流电压Vin =300V， 输出电压Vo =100V， 额定输出电流Io =20A， 最小输出电流 IOmin =2A,输出电压纹波小于1%,开关频率fs=100KHz。2.3.1

51、 占空比 D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系可求出占空比：U o1001DU in300 31D 1 ，可得实际运32.3.2 滤波电容L要电流连续必须最小负载电流IOmin UO (1 D)，由占空比mn 2Lfs行中的临界负载电流IOB UO (1 D) , 即要求：2LfssU100 (1 1 )L O (1 D)3 H 166.7 H2fsIOmin2 100 103 2为确保最小负载电流，电感电流连续，取L 167 H 。由前面分析可知：UoiL I Lmax I L min (1 D)Lfs100167 10 6 100 1031(1) 4A3ILmaxIo12 iL(202)A22AILminIo12 iL(202)A18A开关管T和二极管D通过的最大峰值电流都是ILmax 22A， 开关管 T承受的最大正向电压为Uin 220V , 二极管 D承受的最大反向电压也是Uin 220V 。 取电流过载安全系数为1