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新型Buck变换器主电路设计与控制策略研究

1. 新型Buck变换器主电路设计

1.1 BUCK电路的研究与组成

1.1.1 BUCK电路的研究

• BUCK电路因其简洁的结构、卓越的可靠性和高效的性能而广泛应用于大功率电源变换器设计中。
• 为了提高系统效率，输入电压通常需要进行整流滤波处理。
• 传统的RCD或RLD缓冲电路仅将功率开关管的开关损耗传递至缓冲电阻，对系统效率提升有限。

1.1.2 BUCK电路组成

• Buck类型转换器由电子开关S、二极管D、电感器L、电容C和基础负荷R组成。
• 变换器将两个输入端的电源转换为一个输出端可调节的电流源。
• 通过级联电感器和滤波器，实现输出电压的稳定直流。

1.2 BUCK电路工作原理

1.2.1 工作原理分析

• 切换关闭时，等效电路呈现切换关闭形式，能量从供电端注入并储存于电感端。
• 为了防止电源侧的负载产生短路和过冲，可以使用变压器将电能转换为电力。
• 当开关关闭时，电感器内的电流不会突然变化，形成左负右正极的电位，促进二极管的导电。
• 随着开关的运转，电感器内的电流逐渐增大，磁储能增多，输出端电压攀升。
• 通过调节工作周期，可以实现对输出电压的精准调节。

1.2.2 工作波形分析

• 串联式开关变换器电路中，串联电感的作用是滤波。
• 开关闭合时，电路方程列出，分析电感电流变化规律。
• 开关断开时，微分方程列出，分析电感电流变化。
• 输出电压与输入电压和占空比D之间的关系。

1.3 缓冲电路的设计

1.3.1 无损缓冲架构

• 提出一种无源无损缓冲架构，旨在降低大功率Buck变换器的切换损耗，同时避免增加开关管的电压应力。
• 该架构具有最小电压应力（MVS）特性，构造简单，但谐振电感与谐振电容的比率限制了软切换的占空比范围。
• 采用感应耦合方式的被动式无损缓冲区可在更大范围内工作，但其谐振环的振荡会增加系统噪声和器件失配。
• 提出一种具有耦合电感式的 MVS缓冲器构造，结合了上述两种缓冲器的优点。

1.4 缓冲电路参数设计

1.4.1 参数设计原理

• 设计被动式非破坏性参量时，应保证在一个切换循环中，缓冲器电路蓄能单元的能量被充分地释放。
• 要使切换损失和缓冲器的损失最小化，通常将Cr作为最佳值。
• Cr与Cs的比例通常为1/30-1/10，过小或过大都会对系统性能产生不利影响。

1.5 仿真分析

1.5.1 PSPICE软件应用

• PSPICE软件是电子设计领域的重要工具，支持原理图编辑、电路模拟、激励源编辑等。
• 软件界面友好，操作简便，使用灵活方便，适用于各种电路的仿真。
• 通过仿真，可以观察和处理各种电路状态下的电流和电压波形，得到精确可靠的结论。

2. 新型Buck变换器控制策略

2.1 单周期控制技术

2.1.1 控制技术原理

• 单周期控制技术是一种基于时间优化的控制策略，实现有功功率和无功功率解耦控制。
• 该技术的核心思想是通过调整切换过程中的占空率，确保各个切换过程参数的平均值与所需参数的取值相等或成比例。
• 单周期控制可以确保输出电压在每个开关周期内都与参考值保持一致。

2.1.2 控制原理扩展

• 单周期控制技术适用于各种类型的切换系统，其关键在于保证每个切换循环中被控量的均值与参考值相等或成比例。
• 通过非线性调制占空比，使得输出电压仅与参考电压呈线性关系，与输入电压不相关。

2.1.3 固定开关频率的单周期控制

• 恒频单周控制器的目标是使得系统的输出参数与被控对象之间存在线性正比关系。
• 电路中使用积分式时钟信号驱动切换，通过比较器翻转和触发器信号实现占空比的调整。

2.1.4 开关误差自动补偿

• 在实际电路中，开关的开启和关闭都需要一定的时间，存在着一定的导通压力差。
• 通过积分器来检测电流，并积累切换管暂态的开启和关闭情况，以补偿开关延时和导通压降。
• 通过使用开关元件来实现此功能，通过将积分器的输出与一个基准电压进行对比，实现切换器断路。

2.2 仿真分析

2.2.1 PSPICE软件应用

• PSPICE软件适用于各种电路的仿真，包括IGBT、PWM、模拟电路、模拟数字变换等。
• 软件提供多种类型电路的仿真服务，包括激发建立、温度和噪声分析、模拟控制等。
• 使用该系统对各种电路状态下的电流和电压波形进行观察和处理，得到精确可靠的结论。

2.3 本章小结

• 本章主要针对新型Buck变换器的主电路和控制电路进行了设计和研究。
• 首先介绍了Buck电路的工作原理和缓冲电路的设计方法。
• 然后详细描述了单周期控制技术的原理和实现方式。
• 最后，通过PSPICE软件对新型Buck变换器的仿真结果进行了分析。 """