数字控制的Buck+DCDC变换器研究.pdf

西安科技大学硕士学位论文数字控制的Buck DC-DC变换器研究姓名：王立申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：程红丽;刘健 论文题目：数字控制的 Buck DC-DC 变换器研究 专 业：电路与系统 硕 士 生：王 立 （签名）指导老师：程红丽 （签名）刘 健 （签名）摘 要 为了在失电情况下继续维持智能终端设备短暂工作，研究了一种基于超级电容器储能和 buck DC-DC 变换器的自动化终端备用开关电源解决方案。论述了电路组成、下限工作电压选取和储能电容器容量设计方法。根据能量平衡关系，分析了负载突然增大和负载突然减轻情况下的最严重电压凹陷和电压骤升，并得出输出滤波电容容量的设计考虑。以一个具体的超级电容器储能 FTU 电源为例，详细说明了电路参数的设计方法，并进行了实验研究。实验结果表明所设计的超级电容器储能备用电源能够满足在失去正常供电电源后自动化终端待机、操作和通信的需要，并且所进行的理论分析与实际情况相符。为了改善 buck DC-DC 变换器的动态性能，提出了一种基于微处理器的电流跟踪数字控制方法，根据输出电流和输出电压的采样信息，计算出所需要的输出电流，并将电感电流控制在该输出电流的一个滞环宽度之内。详细分析了负载突变和启动过程中输出电压的动态响应，给出了参数选择和设计依据。在 Simulink 环境下以一个具体的 Buck变换器为例进行仿真实验，获得仿真数据及仿真波形等仿真结果。最后以ARMLPC2138 作为控制平台，制作了一台电流跟踪数字控制的 buck DC-DC 变换器，并进行了实验研究。实验结果表明所提出的电流跟踪数字控制方法是可行性、所进行的理论分析是正确的，并且表明所提出的方法具有动态响应速度快的特点。关 键 词：DC-DC 变换器；电容储能；电流跟踪控制；数字控制；动态特性 研究类型：应用研究 Subject ：On Digital Controlled Buck DC-DC Converters Specialty：Circuit and System Name ：Wang Li (Signature)Instructor：Chong Hongli (Signature)Liu Jian (Signature)ABSTRACT To keep the intelligent terminal units working for a certain period in case of outage,A back-up switching supply based on super capacitor energy storage and buck DC-DC converters is researched.The circuit structure,the selection of the minimum working voltage of the converter and the design considerations of the capacitance of the energy storage capacitor are discussed.Based on the energy balance principle,the lowest output voltage drop and the highest output voltage rise in case of the output current suddenly changing are analyzed,respectively.The design considerations of the output filter capacitor are given.A super capacitor energy storage based back-up supply is used as the example to show the design steps.Experiments are made on the supply,the results of which show that it can meet the requirements of normal working,communication and control,and that the analysis results are in positive to the experiment results.To improve the dynamic behaviour of buck DC-DC converters,a current following digital control approach based on micro-processor is put forward.The output current and the output voltage are measured,based on which,the inductor current to make the output voltage to be the desired value is calculated and is controlled to a narrow range around it.The dynamic performance in case of the load changing and the starting period is analyzed.The design considerations are given.Taking a specific Buck converter as an example,the Simulink simulation results are obtained.Finally a buck DC-DC converter based on current following digital control has been implanted by ARMLPC2138 and the experiments are made,the results of which show that the proposed approach is feasible,the analysis is correct and the proposed method is with fast responding speed.Key words:DC-DC converters Capacitor based energy storage Current following control Digital control Dynamic behaviour Thesis :Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.1.1 开关电源技术的产生 开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态，是利用现代电力技术，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。开关电源和传统变压器升降压是两种不同的变换方式。开关电源是将直流电（如果是交流先整流滤波变成直流）通过高速开关变成交流，变换频率可自己选定，再通过变压器升降压整流滤波。非开关方式的电源变换是通过变压器升/降压然后整流滤波。开关电源的前身是线性稳压电源。各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性稳压电源。开关电源和线性电源在内部结构上是完全不一样的。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但是有两个严重的缺点：一是它工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低，一般只有 45左右；二是电源体积大、重量重1。开关电源就是为了解决线性电源的缺点而出现的。它的工作频率远大于工频，一方面减少了变压器的体积重量，另一方面提高了电源效率。电源的体积和重量越来越小，滤波电容器、电感器数值较小。由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力1。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管(CTR)为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。所以其功耗小，效率可高达 7095。而功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，特别是功率 MOS 管、肖特基二极管等新一代高频大功率元件的出现及一些新颖的电路拓扑和控制技术的采用，开关稳压电源的工作频率可以高达几百千 Hz，甚至几兆 Hz 2-7。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为 22010，而开关型稳压电源在电网电压在 110260 伏范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电西安科技大学硕士学位论文 2 源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20 世纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20 世纪 90 年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。1.1.2 大电容技术 超 级 电 容 器(Super capacitor;ultra capacitor)，又 叫 双 电 层 电 容 器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemical Capacitor，EC)，是电容器方面近年来最新技术。黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法拉8-9。随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。超级电容器可串联组成超高压组件或并联组成低压高能量存储组件。在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池，作为应急保障系统的后备电源。一些工业过程（如半导体、制药、化学）对于电源的短暂中止和混乱非常敏感，并且会引起昂贵的生产损失。工作持续时间从几秒到几分钟的 UPS 装置可以有效地保护这些敏感的负载。将超级电容器用于这类 UPS 装置，能更好的维护系统稳定工作，使系统更加可靠。超级电容器与传统电容器相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，超级电容器具有许多传统电池不具备的优点10：具有非常高的功率密度。超级电容器的功率密度可为电池的 10100 倍，可以达到10kW/kg 左右，能够在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得电容器更适于短时间高功率输出的场合。充电速度快。超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快速、可逆的电化学过程，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电，而普通蓄电池充电需要数小时完成，即使采用快速充电也需几十分钟。使用寿命长。超级电容器充放电过程中的电化学反应具有很好的可逆性，不出现类似电池中活性物质那样的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的寿命终止的现象，碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达 100，000 次以上，比电池高出 10100 倍。使用温度范围广，低温性能优越。超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小。其工作温度为-4085，1 绪论 3 而二次电池仅为 040。高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电容器的可靠性是非常高的。对环境无污染。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程中均没有环境污染，是理想的绿色环保电源。因此可以说，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。1.1.3 数字控制开关电源的重要性及意义 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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。近年来，随着数字信号处理技术的日益成熟、完善，微处理器/微控制器和数字信号处理器性价比的不断提高，数字控制在功率变换器中得到广泛应用。例如电机、不间断电源（UPS）的控制电路、智能均流技术都选用各种数字信号处理器或微处理器作为其核心控制部件。数字控制与传统的或常规的控制有密切的关系,不是相互排斥的。常规控制往往包含在数字控制之中，数字控制力图扩充常规控制方法并建立一系列新的理论与方法来解决更具有挑战性的复杂控制问题。随着芯片技术的不断发展，数字控制在开关电源中将得到迅速的发展。微控制器及 DSP 进入 DC/DC 变换器是技术发展的必由之路。相比与模拟控制数字控制开关电源在结构和性能上有以下特点11：以数字信号处理器 DSP 或微处理器为核心，将开关电源驱动器及 PWM 控制器作为控制对象提高了系统的灵活性，采用数字控制技术可以在同一硬件平台上只通过改变软件就可以改变控制策略从而实现对不同变换器系统的控制，构成智能化开关电源。采用“整合数字电源”技术,实现了开关电源中模拟组件与数字组件的优化组合。高集成度，实现了开关电源单片集成化，将大量的分立元器件整合到一个芯片或一组芯片中。数字控制系统具有很强的抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势，数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能，使所设计的开关电源达到高技术高性能指标。总之，采用了数字控制的开关电源大大提高了变换器的控制性能、灵活性、可靠性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量离散元器件的参数，这就意味着成本和体积的减小以及实现复杂算法的能力。并可实现系统整体控制等功能，是开关电源的发展趋势。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，功率变换器由西安科技大学硕士学位论文 4 模拟控制、模数混合控制向全数字化控制的转变是电力电子功率变换器的一大发展趋势。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。1.2 国内外研究现状 1.2.1 DC-DC 变换器的发展现状 分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，其电源系统需用的 DC/DC 电源模块越来越多。对其性能要求越来越高。除去常规电性能指标以外，对其体积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，也即发热越来越少。这样其平均无故障工作时间才越来越长，可靠性越来越好。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本更高性能的 DC/DC转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。从八十年代末起，工程师们为了缩小 DC/DC 变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时 MOSFET 的开关速度还不够快，大幅提高频率使 MOSFET 的开关损耗驱动损耗大幅度增加。二十年前 Lucent 公司开发出第一个半砖 DC/DC 时，其输出功率才 30W，效率只有78%。而如今半砖的 DC/DC 输出功率已达到 300W，转换效率高达 93.5%。目前，美国几家高级 DC/DC 制造商已经在高功率密度的 DC/DC 中使用了小型微处理器的技术。首先它可以取代很多模拟电路，减少了模拟元件的数量，它可以取代窗口比较器、检测器、锁存器等完成电源的起动、过压保护、欠压锁定、过流保护、短路保护及过热保护等功能。由于这些功能都是依靠改变在微控制器上运行的微程序。所以技术容易保密。此外，改变微控制器的微程序还可以适应同一印板生产多品种 DC/DC 的要求，简化了器材准备、生产管理等的复杂工作。由于它是数字化管理，它的保护功能及控制功能比采用模拟电路要精密得多，有了它还可以解决多个模块并联工作的排序和均流问题。近几十年来，开关型功率调节器已发展成轻型、高效的直流电源。由于具有体积小、重量轻、效率高等特性，DC-DC 变换器被广泛应用于可调整直流开关电源、直流电机驱动等领域12。1.2.2 DC-DC 变换器控制方法的现状 开关电源的模拟控制方法已经使用了数十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3 种:脉冲宽度调制方式 PWM、脉冲频率调制方式 PFM 和 PWM-PFM 混合调制方式。在各种类型的 DC-DC 变换器中，PWM 型 DC-DC 变换器结构种类多，发展快，技术领先，便于实现，构成了最大的一类。尽管己对开关电源做了大量的研究工作，但是在1 绪论 5 DC-DC 变换器的控制方面，只是最近几年才有了较为集中的研究。这主要有两方面的原因：(1)长期以来缺少能方便地应用于控制系统设计的大信号离散模型；(2)常规的控制算法对开关变换器的控制无法取得满意的效果，而控制的快速性又使得复杂的算法难以实现。然而，随着现代控制理论的发展和实现方法的改进，这方面的研究工作已取得了很大进展13。近几年国内外许多学者在变换器控制方面作了许多卓有成效的工作，例如：文献14-17基于模拟控制电路提出了一些新的变换器控制策略，文献18-21将非线性控制方法引入 PWM 变换器中，如模糊控制、滑模控制等。模糊控制和滑模控制能够改善 PWM 变换器的动态响应，但用模拟控制电路实现比较复杂。1976 年，R.D.middlebrook 和 SlobodanCuk 在前人的基础上提出了状态空间平均法，较好地解决了 PWM 型 DC-DC 变换器的稳态和动态低频小信号的分析问题。由于小信号线性化模型简单实用，在工程上获得了广泛的应用。状态空间平均模型和动态低频小信号模型是精确性和实用性的良好折衷，因此基于其原理的控制方法的研究获得了极大的发展。80 年代中期，PWM 型 DC-DC 开关变换器的控制取得了重要的进步，即电压前馈控制、双环控制和复合控制。近年来，在上述几方面仍然有进一步的发展。(1)前馈控制22 在自动控制系统中应用反馈控制的方法，可以实现自动控制和调节。为了消除扰动量对输出的影响，还可以引入补偿扰动量的电路，称为前馈。应当注意的是，只有控制系统的扰动量是可以测量的情况下，才能应用前馈控制。前馈电路检测扰动量，并作用于控制器，因此可以在扰动量对控制系统产生作用以前，就能有效地控制住甚至消除扰动对系统的影响，因此前馈控制是一种开环控制，对系统所受扰动影响起补偿作用，它可以将扰动引起的系统瞬态误差减到最小。但前馈控制不能补偿其他未被测量的扰动量的影响。因此前馈控制是附加于反馈控制的一种补充手段，用于有针对性的补偿某个扰动量的影响。在 DC-DC 变换器中，我们可以引入多个前馈信号，例如输入电压前馈和负载电流前馈，只要设计得好，便可以在相当宽的范围(如从零到开关频率)内，使系统的输出电流及输入电压的扰动影响几乎为零，因而得到近似理想的开关调节系统。(2)双环控制22 如果系统中只有电压反馈，称为单环控制系统。单环控制系统的特点是简单，但是当系统受到某种扰动时，无论是输入电压变化还是元件参数变化或负载扰动，都必须反映到输出端，使输出电压变化以后，电压控制环才起作用。这样，在瞬态过程中，单环控制的 DC-DC 变换器的输出电压可能会产生较大幅度的波动，甚至造成系统的不稳定现象，限制了系统动态控制性能。为了克服这些缺陷，在实际使用当中，可以引入电压电流双闭环控制。对于一个常规 DC/DC 变换器，通常选取电流环作为内环，起到提高系统动态性能的作用，而外环电压环，用于稳定输出电压。西安科技大学硕士学位论文 6 七十年代末期人们在控制系统中开始增加电流负反馈环，组成电流、电压双环控制系统。一般说来，除 Cuk 电路外，开关变换器是二阶电路，有两个状态变量，如电感电流和电容电压。根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控制系统，可以实现动态响应的平方积分(ISE)指标最小。因此，在控制系统中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制时是符合最优控制规律的。电压电流双环控制器整体设计要比单环的困难很多，原因是双环控制参数互相影响，更加难以调整。(3)复合控制 为了将负载扰动减小，在实际应用中，常常引入复合控制，将反馈和前馈一起应用，用前馈量去补偿负载的扰动，理论上可以全补偿。前馈是开环，反馈是闭环，两者结合可以提高系统的稳定性能和动态性能。传统的模拟控制很难提高系统的控制性能，且难以保证系统的大信号稳定性。近年来，随着微处理器/微控制器和数字信号处理器性价比的不断提高，数字控制 DC-DC 变换器研究越来越多，提出了一些新的数字控制算法，如数字 PID 控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、极点配置控制、预测控制等。这些非线性控制策略极大提高了控制系统的动静态性能及抗干扰能力，系统鲁棒性也大大提高23。1.2.3 DC-DC 变换器的发展方向 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。现在 DC/DC 变换器向着小体积、高功率密度、高可靠性、高频化、高效率、智能化数字化、低电压、大电流、方向发展。DC/DC 变换器的发展方向：(1)集成化。它将控制电路、驱动电路、保护电路以及功率 MOSFET 开关管进行一体化的集成。集成化和模块化不仅减少了开关电源的连线和焊接，提高可靠性，缩小电源体积，减轻重量。目前，DC-DC 开关电源的功率密度可达到 713W/cm3。(2)高频化。为缩小开关电源的体积，提高其功率密度，改善动态响应，DC-DC 电源的开关频率由现在的 200500KHz 提高到 1MHz 以上。但高频化又会产生新的问题，例如，开关损耗以及无源元件的损耗增大、高频寄生参数以及高频电磁干扰(EMI)等问题。(3)高效率。为提高效率，需采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术、有源软开关技术，如 ZVS/ZCS 谐振、准谐振、恒频零开关技术等，以减小开关损耗和开关应力，实现高效率的高频化。软开关技术的最大优点在于减少开关损耗、提高效率，并可大大减少电磁干扰。该技术常见的实现方法有缓冲电路、谐振环路和谐振开关等。其基本思路是利用电感或电容等储能元件，在开关管开通和关断时，将电压1 绪论 7/电流转移或谐振到零，从而实现零电压或零电流开关。(4)智能化数字化。开关电源的数字控制，是指控制器能在数字域执行所有系统控制算法，不是使用传统模拟 PWM 比较器，它会将所有模拟系统参数转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后将新产生的控制信息传加至系统。开关电源的数字控制，可以很好的改善电路的瞬态响应，使之速度更快，更精确并提高了开关电源的稳定性、可靠性、可控性和抗干扰性等，易实现模块化管理，能够消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰等优点24-25。(5)低电压、大电流。低电压、大电流的开关变换器的要求 数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压低达 1.11.8V，而电流达 50100A，其供电电源低电压、大电流输出 DC-DC 变换器模块，又称为电压调整器模块(VRM)。新一代微处理器对 VRM 的要求是：输出电压很低，输出电流很大，电流变化率高，动态响应快等。第一，为降低 IC 的电场强度和功耗，必须降低微处理器供电电压，因此 VRM 的输出电压要从传统的 3V 左右降低到小于 2V，甚至 1V。第二，运行时，电源输入电流大于 100A，由于寄生 L、C 参数，电压扰动大，应尽量减小 L。第三，微处理器起停频繁，不断从休眠状态启动、工作、再进入休眠状态。因此要求 VRM 电流从 0 突变到 50A，又突降到 0，电流变化率达 5A/ns。第四，设计时应控制扰动电压远小于 10%，允许输出电压变化在2%范围内。电压纹波与冲击电压问题 电压纹波与等效串联电阻(ESR)。对于电压在 1V 以下、电流在 100A 以上的负载，其负载电阻在 10m 以下，低于滤波电容的内部等效串联电阻，会出现电压纹波问题。现在，假设可以通过升降压或升压型变换器实现这种电源，但流过电容的纹波电流在100A 以上，效率小于 50%。对此，降压型变换器中含有串联滤波电感，可抑制纹波电流。但是，负载电阻与等效串联电阻(ESR)相当，纹波电流分别流过电容和负载，其动作模式和目前的滤波电路不同。为进一步降低低压大电流输出电压纹波，即减小滤波电容等效串联电阻(ESR)值，必须采取一定的方法和策略。负载突变引起的冲击电压。对于数字电路的负载，为快速响应各种模式的转换，输出电压相应与负载变化的瞬态响应特性就显得非常重要。此时，如果电流的变化率大，冲击产生时间比开关周期短，则很难期待由反馈而带来的输出电压稳定效果。目前技术还没有办法，正处于仿真研究阶段。以上围绕低压大电流开关电源，对开关电源的未来技术发展方向进行了论述。按照摩尔定律，每 18 个月 IC 的集成度会增加 2 倍，因此很难断定电压会降低到何种程度为西安科技大学硕士学位论文 8 止。如果这种趋势无限制的持续下去，可以预想对电源的要求会越来越高。要满足这些要求，首先以开发新的半导体和电容为前提，另外，从电路角度来简化元器件微细结构模型也可能成为解决问题的关键点。因此，各种层面学科界线进行协同研究的必要性会越来越高8。1.3 本文主要研究内容 本课题设计分为两大部分：为了在失电情况下继续维持智能终端设备短暂工作，研究了一种基于超级电容器储能和 buck DC-DC 变换器的自动化终端备用开关电源解决方案；为了改善 buck DC-DC 变换器的动态性能，提出了一种基于微处理器的数字电流跟踪控制方法，并设计了一种基于 ARM 控制的电流跟踪数字控制的 buck DC-DC 变换器。主要开展以下几个方面的工作：(1)研究基于电容储能的配电自动化终端备用开关电源的解决方案，研究电容储能开关电源结构及其工作原理。以一个具体的电容储能配电终端（FTU）电源为例，研究电路参数的设计方法，并对所提出的方案进行实验验证。(2)设计基于 ARM 控制的电流跟踪数字控制的 buck DC-DC 变换器主电路系统，并利用 Matlab/Simulink 软件进行仿真实验。(3)设计 ARM7LPC2138 的 buck DC-DC 变换器数字控制系统及其外围电路，包括电源电路、复位电路、系统时钟电路、JTAG 接口电路、串口电路等。(4)设计基于 ARM7LPC2138 的 Buck 变换器数字控制系统的软件部分，采用ADS1.2 作为集成开发环境，实现以电流参数为控制对象的闭环控制策略及其相应的算法程序。(5)制作软硬件，并进行实验验证。2 Buck DC-DC 变换器稳态分析 9 2 Buck DC-DC 变换器稳态分析 2.1 Buck 型变换器的基本结构 Buck 变换器又称降压变压器(Step Down Converter)，其拓扑结构如图 2.1 所示。其中 S 为功率开关，D 为二极管，L 为电感，Co为输出电容，RL为负载。Vi为输入电压，Vo和 Io分别为输出电压和输出电流。因为 MOSFET 管开关速度较快，控制逻辑相对简单，所以，开关管 S 一般都采用 MOSFET 管。+iVSDLoCLR+oIoV 图 2.1 Buck 变换器基本结构 2.2 Buck 型变换器的工作原理 根据电感中电流的情况，开关电源的工作模式可以分为连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)。在开关管 S 导通期间，电感 L 中的电流上升；在开关管 S 截止期间，电感 L 电流下降。如果在稳压电源的开关管截止期间，电感中的电流降到零，并在截止期间的剩余时间内电感中存储的能量也为零，这种我们称开关电源工作于不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode-DCM)；否则工作于连续导通模式(Continuous Conduction Mode-CCM)8。下面对 Buck 型开关电源的两种工作模式分别进行说明和分析，以便于进行系统设计26。(1)连续导通模式(CCM)ton表示开关管导通的时间，用 toff表示开关管截止的时间。Ts表示一个开关周期。开关导通状态 在工作过程中，当栅极控制脉冲使开关管 S 导通后，电容 Co开始充电，加在 RL两端的输出电压 Vo开始上升，在 Co充电过程中，电感 L 内的电流逐渐增加，存储的磁场能量也逐渐增加，电路结构如图 2.2(a)所示。西安科技大学硕士学位论文 10 开关断开状态 经过导通时间 ton后，控制信号使开关管 S 截止，L 中的电流减小，L 两端产生的感应电势使 D 导通，L 中存储的磁场能量便通过续流二极管 D 传递给负载，电路结构如图 2.2(b)所示。inI+LVLLIoCoI+LRoViViVLVLLIoCoILRoV+(a)开关导通时 Buck 工作电路 (b)开关断开时 Buck 工作电路 图 2.2 Buck 工作电路图 当输出电压 Vo低于电容 Co两端的电压时，Co便向负载放电，脉冲控制信号又使开关导通，当开关管 S 导通时，电感 L 中的电流从最小值 ILmin增大到最大值 ILmax，当开关管 S 截止时，L 中的电流又从最大值 ILmax减小到最小值 ILmin。上述过程重复发生。各节点的波形，如图 2.3 所示。L()ioIontofftLmaxILminIsTQ1IQ2ILIDVL()i+图 2.3 CCM 工作模式波形图 假设开关具有理想的开关特性，其导通压降可以忽略不计。那么，在开关管导通期间，LLiodiVVVLdt=(2.1)由此可得：2 Buck DC-DC 变换器稳态分析 11 ioLioon1()()VVIVV dttLL+=(2.2)开关导通状态终止，即t=ton时，L中的电流到达最大值即ILmax，即 ioLmaxonLminVVItIL=+(2.3)当开关管截止时，L中的电流经续流二极管D向负载释放能量，忽略D的正向压降，可得 LodiVLdt=(2.4)oLooff1()VIV dttLL=(2.5)开关截止状态终止，即t=toff时，L中的电流下降到最小值即ILmin，即 oLminoffLmaxVItIL=+(2.6)根据伏秒平衡原理，由式(2.2)和(2.5)，得 oonononoffsiVttDVttT=+(2.7)式中Ts为主开关工作周期，D=ton/Ts为占空比。式(2.7)即为Buck型开关电源工作于连续导通模式时输入电压和输出电压之间的直流关系。由式(2.7)可知，输出电压Vo与主开关管的占空比D成正比。由于占空比D总是小于1，所以Vo总是小于Vi，故常称为降压型开关稳压器。(2)不连续导通模式(DCM)假设用DTs表示开关管导通的时间，用D1Ts表示开关管关断直至电感电流持续下降直到零的时间，用D2Ts表示电感电流保持为零的时间，我们有D=1-Dl-D2。不连续导通模式的工作原理分析如下：在工作过程中，当控制脉冲使开关导通之后，电容Co开始充电，加到负载R两端的输出电压Vo开始上升，电感L内的电流从零开始逐渐增加，存储的磁场能量也从零开始逐渐增加。此时，续流二极管D因反向偏置而截止。经过导通时间DT以后开关管截止，L中的电流减小，L两端产生的感应电势使D导通，L中存储的磁场能量便通过续流二极管D传递给负载。当负载电压低于电容Co两端的电压时，Co便向负载放电。经过关断时间D1Ts以后，电感中的电流减小到零，电感中没有能量的存储，完全靠电容Co对负载放电维持输出电压。此时，续流二极管D因反向偏置而截止，故电感中不会出现反向电流。在经过D2Ts后，控制脉冲信号又重新使开关导通，上述过程重复发生。各节点波形，如图2.4所示。西安科技大学硕士学位论文 12 LIDVDViDVVsDT1 sDT2sD TQ1IDIttLisTtt 图 2.4 DCM 工作模式波形图 根据伏秒平衡原理，得 ioso1 s()VV DTV DT=(2.8)io1()V DV DD=+(2.9)由式(2.9)可得，oi1VDVDD=+(2.10)由式(2.10)可得，i1o(1)VDDV=(2.11)可知，ios()IVV DT L=(2.12)将式(2.8)代入式(2.12)可得，o1 sIV DT L=(2.13)那么，输出电流可表示为：o11so1()1()22V D DD TII DDL+=+=(2.14)则 2oo1os1oso1 s122()VLRDD R TD R TLIDT DD=+=+(2.15)2 Buck DC-DC 变换器稳态分析 13 211s20LDDDRT+=(2.16)从而可以解得，2os182LDDR TD+=(2.17)将式(2.17)代入式(2.10)可得，o2ios28VDVLDDR T=+(2.18)式(2.18)即为Buck型开关电源工作于非连续导通模式时输入电压和输出电压之间的关系。连续导通模式和非连续导通模式之间临界状态的负载电流为：oioois()2V VVIV f L=(2.19)西安科技大学硕士学位论文 14 3 电容储能的自动化终端备用开关电源的设计 在电力系统监测、监控和自动化系统中，开关电源是智能终端设备的关键部件之一，其输入一般来自电压互感器二次侧或配电变压器二次侧。但是在故障或其它因各种原因导致输入电源失去的情况下，这些智能终端设备还必须维持工作一段时间，否则就不能完成故障检测、处理和继电保护以及信息记录和上报功能，因此需要采取储能措施。在变电站内的智能终端设备，可以采用蓄电池储能构成备用电源系统。但是安装在户外环网柜、柱上开关、配电变压器等的智能终端设备，需要在恶劣的环境下工作，采用蓄电池无论对于设备可靠性或维护方便性而言都是不理想的。实际上对于绝大多数户外智能终端设备，在失去电源时仅需要维持短暂的工作时间即可27，比如：对于配电变压器监测终端（TTU），只需在停电时上报该信息即可；对于柱上开关监控终端（FTU），只需在失电时上报故障信息和开关状态，有必要的话分断该开关即可；对于环网柜监控终端，只需在失电时上报故障信息和开关状态，并将故障线路上游相邻开关分断即可。完成上述功能所需要的时间一般在1分钟之内。由于分断开关所需的能量可以由专门的工作储能电容器提供，因此在故障或者失电时，智能终端设备的电源只需要提供维持本机工作和通信单元所需要的能量即可，峰值功率一般不会超过5W，平均功率小于2.5W。随着科学技术的发展，超级电容器和大容量电解电容器技术已经日趋成熟。与蓄电池相比，电容器具有充电速度快且管理方便、寿命长、体积小、重量轻等诸多优点，是一种很有发展前景的电力储能设备并且已经成功地应用在电力系统中28-30。从户外智能终端设备在失电后需要若干分钟平均功率较小的维持电源供应需求看，采用超级电容器和大容量电解电容器作为储能手段是完全可行并且较蓄电池而言更加合适31。本章论述一种采用电容储能的备用开关电源分析和设计方法，并对其性能进行实验验证。3.1 系统电路的组成及原理 电容储能开关电源由整流电路、切换电路、DC-DC变换器、工作储能电容器和操作储能电容器等部分组