Buck變換器的結(jié)構(gòu)及工作原理

高壓水射流清洗技術(shù)是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術(shù)，具有清洗速度快、效率高、成本低、清潔環(huán)保、不腐蝕損傷基體、適用范圍廣、易于實現(xiàn)自動化和智能化控制等優(yōu)點(diǎn)，可清洗形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件[1]。近年來，隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化水平日益提高。為了提高高壓水射流設(shè)備的清洗效率和清洗效果，有研究人員將自動控制技術(shù)運(yùn)用到射流清洗過程中。其清洗效果和清洗效率相對于傳統(tǒng)的人工清洗有了很大的提升，但該過程對于控制系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性具有較高的要求。因而作為控制系統(tǒng)的驅(qū)動部分，直流電源輸出的快速性、穩(wěn)定性也有較高的要求。

傳統(tǒng)的驅(qū)動電源多以線性直流穩(wěn)壓電源為主，由于電壓調(diào)整功能的器件始終工作于線性放大區(qū)，因而在應(yīng)用過程中存在著功耗大、能量轉(zhuǎn)換效率低、輸出響應(yīng)速度慢等問題。這為線性直流電源的應(yīng)用帶來了很大的局限性。近年來，隨著電力電子功率器件的不斷發(fā)展，開關(guān)電源得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其相關(guān)的技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀如文獻(xiàn)[2]所述。開關(guān)電源具有較多的優(yōu)點(diǎn)。如內(nèi)部功率損耗小、轉(zhuǎn)換效率高。隨著超高頻功率變換技術(shù)[3]的不斷發(fā)展與應(yīng)用，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率可以大幅度提高，其轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%以上，即達(dá)到文獻(xiàn)[4]所述合理使用能源、減少能量損耗的目的。而且開關(guān)電源由于沒有傳統(tǒng)的工頻變壓器，散熱器相對較小，因而具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。開關(guān)電源不僅具有以上所說的優(yōu)點(diǎn)，與其相應(yīng)的電路的控制方法也比較多，如循環(huán)控制方法[5]、滯環(huán)控制方法[6]、移相控制方法[7]等。設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求和需要，靈活地選用各種類型的開關(guān)電源電路和控制方法。

本文針對傳統(tǒng)線性直流穩(wěn)壓電源與開關(guān)直流電源的以上特點(diǎn)，結(jié)合射流清洗設(shè)備的觸摸屏驅(qū)動電源輸入輸出響應(yīng)要求。設(shè)計了一種基于傳統(tǒng)線性直流電源電路的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)，文中首先給出了相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，并對相應(yīng)的工作原理做了簡要說明，其次給出了仿真結(jié)構(gòu)圖的搭建方法及結(jié)果分析，最后給出了所得結(jié)論。

1傳統(tǒng)線性直流電源概述

傳統(tǒng)的線性直流電源采用的一般結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，圖中Ui為電網(wǎng)中引入的220 V工頻交流電，T為變壓器，U為整流器，D1為二極管，R1~R6均為電阻，C1為穩(wěn)壓電容，Dz為穩(wěn)壓管，VT1、VT2為工作在線性狀態(tài)的開關(guān)管，RL為負(fù)載電阻。

工作原理簡述如下：工頻交流電Ui，經(jīng)降壓變壓器T變?yōu)榉悼烧{(diào)的交流電，然后經(jīng)整流器U整流為脈動的直流電，最后經(jīng)濾波、緩沖、輸出反饋、穩(wěn)壓為負(fù)載提供直流穩(wěn)壓電源。在線性直流電源中開關(guān)管工作在線性放大狀態(tài)，直流穩(wěn)壓電路的種類較多，為了不失線性直流電源的一般化，此處選取常用的帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其中VT1為功率調(diào)整管，VT2與R3組成比較放大電路。

假設(shè)變壓器T的一次側(cè)電壓為U1，二次側(cè)電壓為U2，變壓比為n：1，負(fù)載電壓為Uo，Ui為工頻電網(wǎng)電壓，若不計及變壓器一次側(cè)損耗、變壓器漏抗。則當(dāng)空載時，負(fù)載獲得的平均電壓最大為：

實際設(shè)計時，往往根據(jù)負(fù)載的情況確定電容C1的值。

1引入Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源

2.1 Buck變換器的結(jié)構(gòu)及工作原理

Buck變換器原理圖如圖2所示，其中Ui為直流電源，V為IGBT（絕緣柵雙極晶體管），D為二極管，L為電感，C為電容，R、RL均為電阻。

其工作原理簡述如下：在某一時刻，驅(qū)動信號控制開關(guān)管V導(dǎo)通，電源Ui向負(fù)載RL供電，負(fù)載電壓Uo=Ui，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。當(dāng)開關(guān)管V關(guān)斷時，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，負(fù)載電壓Uo近似為0，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。若所取電感L值較大，則負(fù)載電流連續(xù)且輸出脈動較小[8]。

假設(shè)V的一個通斷周期為T，導(dǎo)通時間為ton，關(guān)斷時間為toff，導(dǎo)通占空比為α，則負(fù)載電壓的平均值：

由式(3)可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo最大為Ui，減小占空比α，Uo隨之減小。

2.2 引入Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源

由于傳統(tǒng)線性直流電源存在的上述問題，本文將Buck變換器引入其中，同時去除了前置的交流變壓器，將線性直流電源變換為體積小、重量輕的開關(guān)電源。其電路原理圖如圖3所示，其中Ui為電網(wǎng)引入的220 V工頻交流電，U為整流器，C1為濾波電容，C2為穩(wěn)壓電容，C3為緩沖電容，V1、V2為IGBT開關(guān)管，VD1、VD2、VD3均為二極管，L1、L2為電感，R1、RL為電阻。

其工作原理簡述如下：

220 V工頻交流電，經(jīng)整流器U整流得到紋波較大的直流電，經(jīng)濾波電容C1濾波，然后經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓形成較為穩(wěn)定的直流電。其輸出到負(fù)載的功率，可由后置的Buck變換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)主開關(guān)管V1的占空比，即可得到輸出功率合適的直流電。圖中V2、VD1、L1、C3構(gòu)成輔助電路，其作用是實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓關(guān)斷與開通。

假設(shè)V1的導(dǎo)通比為α，負(fù)載電壓為Uo，電容C1兩端的電壓為Uc1，Ui為電網(wǎng)電壓的有效值，若不計及電路中電感的感抗，則當(dāng)空載時，負(fù)載獲得的電壓最大為：

由上述分析不難看出，含Buck變換器的直流電源比線性直流電源更容易進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通比可以滿足不同直流輸出的要求。而線性直流電源的輸出受負(fù)載的大小影響較大，而較難實現(xiàn)不同直流電源實時輸出的要求。

在高壓水射流的應(yīng)用中，對于系統(tǒng)響應(yīng)的實時性有較高的要求，在不同的應(yīng)用環(huán)境下負(fù)載往往存在較大的變化。因而，通過以上理論分析可以看出，含Buck變換器的直流電源能夠更好的適應(yīng)高壓水射流的應(yīng)用需求，下面通過仿真實驗分析加以說明。

1兩種電源的MATLAB仿真與分析

3.1 建立電源的仿真結(jié)構(gòu)圖

在MATLAB的Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖1、圖3設(shè)計的電路圖搭建仿真結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)負(fù)載要求設(shè)計相應(yīng)的元件參數(shù)。為了更好地反映引入Buck變換器后的電路特點(diǎn)，在搭建圖3的仿真結(jié)構(gòu)圖時，并未引入專門的控制器，而是選取了常規(guī)的工頻觸發(fā)脈沖來控制開關(guān)管的通斷，應(yīng)當(dāng)注意的是，在含有電力電子器件的電路或系統(tǒng)仿真時，仿真算法一般選用剛性積分算法，如ode23tb、ode15s等，這樣可以得到較快的仿真速度[9]。以下仿真算法選用ode15s。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 仿真參數(shù)選取與輸出響應(yīng)曲線

以射流清洗設(shè)備的觸摸屏驅(qū)動電源輸出要求為例進(jìn)行比較，其輸出要求：

直流電源電壓Uo=20.4~26.4 V，最大輸出功率Po=7 W。在圖1所示的電路圖中主要參數(shù)選取如下：交流輸入Ui的參數(shù)：Ui=220 V，f=50 Hz，φ=0°(φ為初相角)。

變壓器T的參數(shù)：變壓比為1：1。

電阻R1=330 Ω，R2=1 kΩ，R3=R4=R5=R6=RL=100 Ω，電容C1=2 000 μF。按上述主要參數(shù)設(shè)定，仿真結(jié)果如圖4所示。

在圖3所示的電路圖中主要參數(shù)選取為：IGBT工作頻率取為工頻，電感L1=L2=0.001 H，C1=500 μF，C2=100 μF，C3=2 000 μF。

為對兩種電源輸出響應(yīng)進(jìn)行比較與分析，開關(guān)頻率取為工頻，其他參數(shù)的選取與圖4所示仿真框圖一致。

按上述參數(shù)設(shè)定，仿真結(jié)果如圖5所示。

同等條件下，若負(fù)載突變，如取負(fù)載RL=1 000 Ω，則根據(jù)上述已搭建好的仿真框圖，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

線性直流電源輸出響應(yīng)為Uo=47 V，Io=0.047 A。含Buck變換器直流電源的輸出響應(yīng)為Uo=23 V，Io=0.023 A。即在負(fù)載變化較大時，線性直流電源的輸出需要再次做較大的調(diào)整方可滿足輸出要求。由圖6不難看出，線性直流電源的響應(yīng)速度也有所下降。

3.2.2 響應(yīng)曲線的分析與比較

由上述仿真圖形圖4、圖5不難看出：兩種直流電源在負(fù)載較小時，均能滿足所需的輸出要求，當(dāng)兩種電源的輸出電壓同為Uo=23 V，輸出電流為Io=0.023 A時，輸出功率均為Po=5.29 W。由仿真圖形圖6、圖7可以看出當(dāng)負(fù)載較大時，含buck變換器的直流電源優(yōu)勢較為明顯，通過仿真數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)兩種電源有以下輸出特點(diǎn)：

在輸出相同直流電壓或電流時，含Buck變換器的直流電源輸出響應(yīng)時間為0.007 s，遠(yuǎn)小于線性直流電源的0.5 s，即在線性直流電源中引入Buck變換器后，電源的輸出響應(yīng)速度明顯增大，這對于對輸出響應(yīng)實時性要求較高的高壓水射流驅(qū)動電源來說，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

同時，由仿真圖形對比可以看出上述線性直流電源的輸出響應(yīng)紋波還比較大，若想獲得紋波較小的直流穩(wěn)壓電源，則需加入相應(yīng)的調(diào)壓裝置。而開關(guān)管在工頻工作時，含Buck變換器的直流電源在同等條件下，輸出電壓、電流波形相對穩(wěn)定。

值得注意的是，由于水射流觸摸屏所需的電源輸出功率較小，因而線性直流電源的穩(wěn)壓裝置中需要相應(yīng)的電阻來減小電壓波動。這就造成了電源自身的損耗增大，不僅使功率轉(zhuǎn)換效率降低，還會導(dǎo)致電源發(fā)熱量增加，需要更大的散熱裝置。而對于含Buck變換器的直流電源，在開關(guān)管工作在工頻時，開關(guān)損耗幾乎可以忽略不計。在高頻時，可以通過輔助電路實現(xiàn)零電壓關(guān)斷、開通，因而在功率轉(zhuǎn)換電路中的損耗較小，電源的發(fā)熱量也比較小，即功率轉(zhuǎn)換效率更高。

當(dāng)然，在圖5中還可以看出在0.008 5 s時，輸出響應(yīng)存在著微小的電壓降落，實際應(yīng)用中還需要加入相應(yīng)的反饋控制器，或者電壓降落補(bǔ)償器加以調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制回路，以保證輸出響應(yīng)的持續(xù)穩(wěn)定。

4結(jié)論

本文從高壓水射流設(shè)備的實際需求出發(fā)，結(jié)合開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了含Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源主電路結(jié)構(gòu)，并以水射流設(shè)備觸摸屏的驅(qū)動要求為例進(jìn)行仿真說明。通過圖形對比可以發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計的含Buck變換器的直流電源具有輸出響應(yīng)速度快、功率轉(zhuǎn)換損耗低、輸出波形穩(wěn)定的特點(diǎn)。

在對于輸出響應(yīng)要求較高的電源中，往往為開關(guān)管設(shè)置專門的控制器，采用各種各樣的先進(jìn)控制方法，如預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊PID控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。通過PWM技術(shù)與這些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高開關(guān)頻率（在一些電子工業(yè)發(fā)達(dá)和先進(jìn)的國家，可以做到兆赫級）以提高直流電源的可靠性，增大輸出功率可調(diào)范圍，實現(xiàn)開關(guān)電源的輕量化、小型化。