雙輸入Buck直流電源的設(shè)計(jì)目錄中文摘要 1英文摘要 21引言 31.1新能源背景的相關(guān)介紹 31.2直流變換器的分類 31.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容與意義 51.3.1研究?jī)?nèi)容 51.3.2研究意義 52雙輸入Buck變換器的工作原理 62.1雙輸入Buck變換器的電路拓?fù)?62.2雙輸入Buck變換器的工作原理 62.3輸出電壓及輸入電流的關(guān)系 82.4相關(guān)直流變換器性能的比較 82.5能量管理與控制策略................................93雙輸入Buck變換器電路的設(shè)計(jì).....................113.1主電路的設(shè)計(jì)....................................113.1.1濾波電感和濾波電容的選用.......................113.1.2開關(guān)管的選擇與取用......................................133.1.3二極管的選擇與取用.................................................133.2控制電路的設(shè)計(jì)..............................143.2.1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).........................................153.2.2采樣電路的設(shè)計(jì)...................................154仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 164.1輸出電壓及電流的仿真 164.2不同工作模式結(jié)果的分析 175結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 21圖表目錄圖1-1隔離型變換器圖 4圖1-2非隔離型變換器圖 4圖2-1雙輸入分時(shí)Buck變換器 6圖2-2雙輸入Buck變換器 6圖2-3雙輸入Buck變換器不同開關(guān)模式下的電路圖 8圖2-4能量管理及控制策略系統(tǒng)框圖 10圖3-1主電路的設(shè)計(jì)圖 11圖3-21#源控制電路圖 14圖3-3電流采樣電路圖 15圖3-4AB點(diǎn)間電壓vAB采樣電路 15圖4-1系統(tǒng)仿真電路圖 16圖4-2輸出電壓波形圖 17圖4-3輸出電流波形圖 17圖4-41#源單獨(dú)供電時(shí)vAB的電壓波形 18圖4-51#源，2#源共同供電時(shí)vAB的電壓波形 18圖4-62#源單獨(dú)供電時(shí)vAB的電壓波形 19TOC\h\z\t"標(biāo)題,圖表標(biāo)題"\c摘要：現(xiàn)如今因?yàn)閭鹘y(tǒng)能源與可再生能源相比而顯露的弊端越發(fā)明顯，所以可再生能源資源豐富，可持續(xù)循環(huán)利用，并且清潔干凈的優(yōu)點(diǎn)得到了人們的重視。如今人們研究利用將多個(gè)變換器組合成一個(gè)系統(tǒng)，來(lái)減小體積，即多輸入聯(lián)合供電。所以雙輸入Buck變換器逐漸進(jìn)入了人們的視野。它的主要優(yōu)勢(shì)在于減少了相關(guān)器件的數(shù)量，提升了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了成本，因而能在許多低功耗場(chǎng)合中得到良好的應(yīng)用。但它同時(shí)也存在著一些缺陷，由于雙輸入直流變換器存在著兩個(gè)輸入源，所以通常需要進(jìn)行能量的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。雙輸入Buck變換器是在雙輸入分時(shí)Buck變換器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將兩個(gè)輸入源聯(lián)合起來(lái)，形成一個(gè)繞組來(lái)組成的。本設(shè)計(jì)將首先依據(jù)能源大背景下新能源日益凸顯的作用和對(duì)人類生活的意義提出雙輸入Buck變換器，與雙輸入分時(shí)Buck變換器做性能上的對(duì)比，其次對(duì)電路的拓?fù)浜妥儞Q器的工作原理進(jìn)行研究和分析，然后得出當(dāng)兩輸入源分時(shí)工作和同時(shí)工作的模式；緊接著介紹兩種輸入源在不同工作情況下的能量管理策略；再對(duì)電路中各元件的參數(shù)以及主電路圖及控制電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后根據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)在Matlab軟件上進(jìn)行仿真驗(yàn)證并做最后的總結(jié)。關(guān)鍵詞：新能源；雙輸入Buck；直流變換器；直流電源1引言1.1新能源背景的相關(guān)介紹多次的能源革命推動(dòng)了人類歷史的發(fā)展，毫無(wú)疑問(wèn)的是，盡管當(dāng)今社會(huì)的能源使用改善了生活質(zhì)量和生活成本，但由于大量消耗化石燃料而導(dǎo)致的能源短缺也將阻礙人類發(fā)展。因此，在某種程度上我們需要更加關(guān)注能源消耗和新能源的發(fā)展問(wèn)題。傳統(tǒng)能源是指已經(jīng)得到人類很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)廣泛生產(chǎn)和利用的能源。例如水、煤、天然氣和石油等，它們都是促進(jìn)人類生活文明進(jìn)步的重要能源。然而，傳統(tǒng)能源是不可再生的，如果我們無(wú)休無(wú)止的濫用，傳統(tǒng)能源將消耗殆盡。在過(guò)去的幾十年里，頻繁的區(qū)域沖突和戰(zhàn)爭(zhēng)與能源的爭(zhēng)奪息息相關(guān)。另外，酸雨和溫室效應(yīng)之類的氣候問(wèn)題也逐漸得到了人們的高度關(guān)注。比如化石能源中所含的碳、硫等在燃燒過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生如一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等有危害的氣體。如今得到廣泛關(guān)注的新能源指?jìng)鹘y(tǒng)能源外的其他形式的能源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等。其中太陽(yáng)能已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。太陽(yáng)能的利用形式有將光能轉(zhuǎn)化為電能、熱能等。而風(fēng)能更是具有明顯的特性和優(yōu)勢(shì)。它和太陽(yáng)能一樣是無(wú)窮無(wú)盡的，而且對(duì)交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)有十分重要的意義。風(fēng)力發(fā)電目前有兩個(gè)應(yīng)用方向，即水平軸風(fēng)扇和垂直軸風(fēng)扇。而水平軸風(fēng)扇是目前產(chǎn)生風(fēng)力最常見也是最主要的選擇。然而，新能源目前仍然會(huì)因?yàn)橐恍┎环€(wěn)定的因素使電力供應(yīng)效果達(dá)不到預(yù)期。如果此時(shí)僅使用一種新能源，則可能會(huì)導(dǎo)致斷續(xù)的電源供應(yīng)或其他影響，并最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的能源供應(yīng)效果。因此我們可以通過(guò)使用新能源電池和城市電網(wǎng)共同組成一種聯(lián)合供電系統(tǒng)來(lái)共同供電，即使用最穩(wěn)定，最簡(jiǎn)單，最有效的方式來(lái)滿足用戶們的需求。這種方法既保證了新能源更多更高效的利用，而且還保證了供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在本課題中將根據(jù)新能源與城市電網(wǎng)聯(lián)合供電的方式對(duì)雙輸入Buck變換器做研究。1.2直流變換器的分類1.對(duì)于輸入源向負(fù)載提供能量的方式，可分為以下兩類：（1）分時(shí)供電型。就是在任一給定時(shí)間，只有一個(gè)輸入源能利用電源為負(fù)載供電的多輸入直流變換器。（2）同時(shí)供電型。就是在任一給定時(shí)間，有某一個(gè)輸入源單獨(dú)供電或者兩個(gè)及兩個(gè)以上輸入源能利用電源為負(fù)載供電的多輸入直流變換器。2.根據(jù)電路結(jié)構(gòu)中是否存在變壓器，可分為以下兩類：（1）隔離型。各個(gè)輸入源各自經(jīng)過(guò)不同的輸入源模塊，利用磁耦合的方式與直流變換器相連接，其電路圖如圖1-1所示。（2）非隔離型。各輸入源各自經(jīng)過(guò)不同的輸入源模塊，在同一根母線上相連接，然后與直流變換器相連接。其電路圖如圖1-2所示。圖1-1隔離型變換器框圖圖1-2非隔離型變換器框圖而本設(shè)計(jì)后續(xù)中將要研究的雙輸入Buck變換器屬于非隔離型變換器，使用雙輸入Buck變換器不僅能有效地實(shí)現(xiàn)多種能源的集成互補(bǔ)，從而向負(fù)載穩(wěn)定地提供能量，而且能分別控制多種能源，以同時(shí)或分時(shí)的方式來(lái)提供電能，并確保最大輸出功率并最大限度地利用各種新能源。1.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容與意義1.3.1研究?jī)?nèi)容本文研究的雙輸入Buck變換器是在雙輸入分時(shí)Buck變換器的研究基礎(chǔ)上得到的新型多輸入變換器。它能有效解決傳統(tǒng)變換器的缺陷問(wèn)題。本文的主要研究工作如下：第一章從新能源產(chǎn)生的背景著手，提出了人們對(duì)傳統(tǒng)能源消耗的關(guān)注度提升的現(xiàn)象以及新能源利用的重要性。緊接著給出了雙輸入Buck變換器的簡(jiǎn)單分類介紹。然后在章末對(duì)全文內(nèi)容做一個(gè)概括。第二章第一節(jié)首先介紹了所研究變換器的電路拓?fù)洌浯卧诘诙?jié)對(duì)變換器的工作原理做了重點(diǎn)介紹，并給出了不同的工作模式，然后第三節(jié)根據(jù)基本公式推出輸入輸出電壓關(guān)系，緊接著在第四節(jié)與其他同類型的變換器的性能做比較，最后在第五節(jié)進(jìn)行能量管理及控制策略的分析。第三章用設(shè)計(jì)主電路及控制電路。其中，主電路設(shè)計(jì)中包括變壓器、功率管和二極管的選型和參數(shù)計(jì)算；而控制電路包括對(duì)驅(qū)動(dòng)電路及采樣電路的選擇。第四章依據(jù)數(shù)據(jù)并利用Matlab仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，再通過(guò)觀察仿真顯示的電流、電壓波形來(lái)判斷是否符合要求。第五章對(duì)本課題的相關(guān)思路和策略方法進(jìn)行總結(jié)，得出對(duì)此次設(shè)計(jì)的心得體會(huì)。1.3.2研究意義本文所研究的雙輸入Buck變換器，能在減少使用器件的數(shù)量和降低成本的基礎(chǔ)上，減少傳統(tǒng)能源的消耗并能更大程度的利用新能源，這一點(diǎn)符合能源的可持續(xù)發(fā)展策略。同時(shí)它可以將新能源簡(jiǎn)便地轉(zhuǎn)換輸送到用電端，并能以同時(shí)或分時(shí)工作的模式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，這對(duì)新能源在小功耗供電場(chǎng)所的應(yīng)用同樣有著重要的意義，也為以后更好的利用新能源和優(yōu)化供電系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

2雙輸入Buck變換器的工作原理2.1雙輸入Buck變換器的電路拓?fù)湟罁?jù)兩個(gè)輸入源在任一時(shí)刻是否能同時(shí)向負(fù)載進(jìn)行供電有兩種模態(tài)，一種是在任一某時(shí)刻兩個(gè)輸入源中只有一個(gè)能向負(fù)載供電，即為分時(shí)供電；另一種則是在任一某時(shí)刻兩個(gè)輸入源能一起向負(fù)載供電。如圖2-1所示為雙輸入分時(shí)Buck變換器的電路結(jié)構(gòu)，它是由兩個(gè)輸入源的開關(guān)并聯(lián)，并具有反向阻斷的能力。但它在任一時(shí)刻，只有一電壓大的那個(gè)輸入源能向負(fù)載供電，而電壓小的輸入源支路會(huì)被阻斷而無(wú)法供電。所以雙輸入分時(shí)Buck變換器就相當(dāng)于兩個(gè)單輸入Buck變換器并聯(lián)組合在一起。采用類似的思路，可以得到本文將研究的，優(yōu)化后的雙輸入Buck變換器，它的兩個(gè)輸入源能實(shí)現(xiàn)同時(shí)向負(fù)載供電供電或各自單獨(dú)向負(fù)載供電。它的電路結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-1雙輸入分時(shí)Buck變換器圖2-2雙輸入Buck變換器2.2雙輸入Buck變換器的工作原理為了方便后續(xù)內(nèi)容上的表達(dá)，將對(duì)電路中所有元器件做具體的符號(hào)定義。假設(shè)Vin1和Vin2分別是1#源太陽(yáng)能電池、2#源城市電網(wǎng)的輸入電壓、D1、D2分別是兩個(gè)輸入源的續(xù)流二極管，Q1、Q2分別是兩個(gè)輸入源的開關(guān)管，Cf是濾波電容，Lf是濾波電感，RLd是負(fù)載，RCf是濾波電容的等效串聯(lián)電阻。雙輸入Buck變換器有以下四種工作模式：模式1，如圖2-3(a)所示，僅由1#輸入源就能滿足負(fù)載提供所需的功率，這一情況在負(fù)載所需求的功率＜1#源能輸出的最大功率時(shí)發(fā)生。如果最大輸入電流參考值Iin1_ref保持不變，那么1#源將在最高功率模式下輸出功率。此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的輸出電壓是負(fù)值。而關(guān)斷開關(guān)管Q2，同時(shí)使VD2保持導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓Ve將成為驅(qū)動(dòng)信號(hào)使Iin1_ref變小，等效于減小了輸入電流的值。此時(shí)使用電流調(diào)節(jié)器與電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)占空比保證輸出電壓的穩(wěn)定。模式2，如圖2-3(b)所示，當(dāng)負(fù)載所需功率＞1#源可提供的最大功率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)輸入源同時(shí)向負(fù)載供電的情況。此時(shí)輸出電壓為正，二極管D1和D2始終保持截止?fàn)顟B(tài)，1#源在不足以完全滿足負(fù)載所需功率時(shí)，由2#源補(bǔ)足。1#源的輸入電流參考值設(shè)為Iin1_ref，使得1#源在最高功率模式下向負(fù)載輸出功率。并使用電壓調(diào)節(jié)器保證輸出電壓的穩(wěn)定。模式3，如圖2-3(c)所示，當(dāng)1#源出現(xiàn)故障等影響而導(dǎo)致無(wú)法向負(fù)載正常供電時(shí),則系統(tǒng)會(huì)直接關(guān)斷開關(guān)管Q1。此時(shí)只有2#源向負(fù)載單獨(dú)地提供能量。并使用電壓調(diào)節(jié)器保證輸出電壓的穩(wěn)定。模式4，如圖2-3(d)所示，兩個(gè)輸入源都不向負(fù)載供電，各開關(guān)管和二極管全部處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)濾波電感Lf將開始釋放能量，直到濾波電感Lf中的能量全部釋放完畢之后，負(fù)載將由輸出濾波電容Cf進(jìn)行供電。(a)(b)(c)(d)圖2-3雙輸入Buck變換器不同開關(guān)模式下的電路圖2.3輸出電壓及輸入電流的關(guān)系圖2-2中我們給出了雙輸入Buck變換器的電路圖，根據(jù)第二章第二節(jié)對(duì)電路中元件的名稱的定義并結(jié)合圖2-2，我們可以得出該變換器的輸出電壓以及1#、2#源的平均輸入電流如下:Vo=VAB=Dy1Vin1+Dy2Vin2（1）Iin2=Dy1Il（2）Iin2=Dy2Il（3）上述式中的Dy1，Dy2分別為開關(guān)管Q1和Q2占空比的穩(wěn)態(tài)值。2.4相關(guān)直流變換器性能的比較第一，從2.1節(jié)和2.2節(jié)可以看出，本設(shè)計(jì)所研究的雙輸入Buck變換器的不僅可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)地向負(fù)載提供能量，還可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)向負(fù)載提供能量；而單輸入Buck變換器或雙輸入分時(shí)Buck變換器在任一時(shí)間點(diǎn)僅支持一個(gè)輸入源向負(fù)載提供能量，從新能源的利用效率來(lái)看有了顯著的提高。第二，本課題所研究的雙輸入Buck變換器相較于雙輸入分時(shí)Buck變換器來(lái)說(shuō)不僅可以實(shí)現(xiàn)電路的基本運(yùn)行，而且減少了相關(guān)器件的使用數(shù)量。第三，本課題所研究的雙輸入Buck變換器相較于雙輸入分時(shí)Buck變換器來(lái)說(shuō)不僅減少了使用器件的數(shù)量并降低了系統(tǒng)的成本，而且可以利用新能源與其他能源之間的互補(bǔ)性來(lái)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的功率輸出的目的。2.5能量管理與控制策略因?yàn)殡p輸入Buck變換器中的輸出電壓是關(guān)于占空比的函數(shù)，所以既能調(diào)節(jié)輸出電壓，也能合理地分配兩個(gè)輸入源的輸入功率。比如，在太陽(yáng)能電池和城市電網(wǎng)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，因?yàn)樘?yáng)能是新能源，所以應(yīng)首先利用它，而城市電網(wǎng)將作為應(yīng)急電力能源，本文設(shè)1#源為太陽(yáng)能電池，2#源為城市電網(wǎng)，1#源所能提供的最大功率為Pin1_ref，負(fù)載所需功率為Po。依據(jù)能量管理的策略可以分為以下幾點(diǎn)：①當(dāng)太陽(yáng)能電池足以可靠的提供負(fù)載所需的功率時(shí)，就可以使用太陽(yáng)能電池為負(fù)載單獨(dú)地供電，使其可以在穩(wěn)定模式下運(yùn)行并穩(wěn)定地輸出電壓，此時(shí)城市電網(wǎng)將退出工作；②當(dāng)太陽(yáng)能電池?zé)o法滿足向負(fù)載提供其所需的功率時(shí)，首先還是應(yīng)盡可能多地使用太陽(yáng)能，以便太陽(yáng)能電池可以在最大功率的狀態(tài)下運(yùn)行向負(fù)載提供能量，其次城市電網(wǎng)則用來(lái)提供另外不足部分的負(fù)載功率。一方面，我們需要制定一種更明智的策略和方法來(lái)確保電壓的穩(wěn)定性，以便在兩個(gè)輸入源一起向負(fù)載提供能量時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能達(dá)到最優(yōu)的功率分配；另一方面，除輸入源故障等因素的影響外，必須確保太陽(yáng)能電池首先以最大功率模式向負(fù)載供能，然后在太陽(yáng)能電池供能不足時(shí)由2#源提供負(fù)載所需的能量。此策略不僅能有效減少傳統(tǒng)能源消耗不足的現(xiàn)象發(fā)生，還能充分連接城市電網(wǎng)電源，確保整個(gè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定的向負(fù)載供電。圖2-4是能量管理及控制策略的系統(tǒng)框圖。根據(jù)能量管理的需求，在具備穩(wěn)定的輸出電壓的情況下，優(yōu)先利用盡可能多的太陽(yáng)能。緊接著，根據(jù)每種工作模式的要求，給出各自的控制電路，并得出切換模式的方法，以實(shí)現(xiàn)各模式之間的平滑切換。下面依據(jù)圖2-4的框圖并按照能量管理的要求，來(lái)分析并介紹雙輸入Buck變換器的三種工作模式:模式一：當(dāng)Po>Pin1_ref時(shí)，太陽(yáng)能電池和城市電網(wǎng)將同時(shí)供電。此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)開關(guān)管Q2的占空比來(lái)輸出正值的電壓，并會(huì)導(dǎo)致二極管VD1斷開。可以看出，電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器是彼此獨(dú)立地參與工作的。模式二：當(dāng)Po<Pin1_ref時(shí),該系統(tǒng)的城市電網(wǎng)將不再工作,僅由太陽(yáng)能電池為該系統(tǒng)的負(fù)載提供電能。由于太陽(yáng)能電池的輸出為最大功率,因此輸入的電壓會(huì)急劇上升,此時(shí)由于電壓調(diào)節(jié)器將在輸入過(guò)程中產(chǎn)生呈正或負(fù)值的輸入電壓,使得開關(guān)管VD1導(dǎo)通,而二極管Q2斷開。模式三：如果城市電網(wǎng)中的太陽(yáng)能電池是無(wú)法正常運(yùn)行的,則該負(fù)載將只由城市電網(wǎng)向該系統(tǒng)的負(fù)載提供能量。圖2-4能量管理及控制策略系統(tǒng)框圖

3雙輸入Buck變換器電路的設(shè)計(jì)3.1主電路的設(shè)計(jì)圖3-1主電路的設(shè)計(jì)圖各電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下：輸入源1#：10塊太陽(yáng)能電池組成的電池組。短路電流約5.5A，開路電壓約355V，最大輸出功率約955W，輸入電壓的范圍為：Vin1=DC220～358V；輸入源2#：220V/50Hz的城市電網(wǎng)中考慮過(guò)電壓波動(dòng)上下10%的直流電壓。輸入電壓的范圍為：Vin2=DC260V～340V；輸出電壓：Vo=DC180V；額定功率：Po=850W；開關(guān)頻率：fs=100kHz。本課題采用的主要電路參數(shù)如下：濾波電感：Lf=1.38mH，RLf=0.2；濾波電容：Cf=220F，RCf=0.29；1#源輸入電流積分?jǐn)?shù)：ki=1；AB點(diǎn)電壓積分常數(shù)：kv=70；輸出電壓的反饋系數(shù)：kf=0.03。3.1.1濾波電感和濾波電容的選用1.濾波電感值的選擇與取用由第二章的分析可以看出:雙輸入Buck變換器有著四種不同的工作模式，即1#源單獨(dú)地向負(fù)載供電、2#源單獨(dú)地向負(fù)載供電、兩個(gè)輸入源同時(shí)向負(fù)載供電以及只通過(guò)濾波電容Cf向負(fù)載進(jìn)行供電的情況。但是在這些情況下，電感電流脈動(dòng)電流的脈動(dòng)始終等于減小的程度。由于輸出電壓是保持不變的，如果續(xù)流時(shí)間越長(zhǎng)，那么電感中的電流就會(huì)降的越多。當(dāng)兩個(gè)輸入源一起工作時(shí)，電感電流的續(xù)流時(shí)間比一個(gè)輸入源單獨(dú)工作時(shí)的電流續(xù)流時(shí)間長(zhǎng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用兩個(gè)輸入源同時(shí)向負(fù)載提供能量的情況。令Dymax=max(Dy1,Dy2)，在電感電流不間斷的情況下有：△IL=Vo·(1?Dymax)Lf·fs

依據(jù)上述公式可得到如下結(jié)論：當(dāng)Dymax的值越小時(shí)，電感電流DD當(dāng)兩個(gè)輸入源同時(shí)工作時(shí)，Iin1值越大，Dy1將越小，Dy2將越大，我們可以知道的是當(dāng)且僅當(dāng)Dy1與Dy2相等時(shí)，最大占空比的值才最小，其值等于Dy1或Dy2。當(dāng)Iin1為1.42A時(shí)，兩個(gè)占空比相等，其值為0.32。將計(jì)算所得的最大占空比值代入上式得，利用?IL=20%×Io，最終可求得電感Lf=1.38mH。2.磁芯的選擇與取用（1）本課題可選用EE55型的磁芯，其有效面積Ae約為385mm2。選擇的磁場(chǎng)密度Bm為0.2T。（2）確定電感的匝數(shù)，其表達(dá)式如下：N電感電流最大值IL_max=IL+ΔIL/2=4.88A，可得匝數(shù)NLf≈86匝。（3）確定磁芯氣隙δ。根據(jù)下述公式：δ=μ0NLfIL_max/Bm可得δ=2.4mm。（4）所需導(dǎo)線的截面積表達(dá)式為：SL=IL_rms/J選取的導(dǎo)線電流密度為J=6A/mm2，則SL=4.45/6=0.741mm2。3.濾波電容的選擇與取用通過(guò)選擇一個(gè)輸出濾波電容中的一個(gè)電壓紋波即可確定輸出濾波電容Cf。而電容的電壓紋波主要指的就是等效串聯(lián)電阻Rcf上的電壓紋波及其對(duì)于濾波電容Cf進(jìn)行充放電所產(chǎn)生的電壓紋波。由于濾波電容的紋波電流值與濾波電感的紋波電流值相同,故濾波電容的紋波值表達(dá)式可定義如下：△Vo_pp1=Rcf·△IL(1)△Vo_pp2=△IL/8·fs·Cf(2)設(shè)上式(1)中△Vo_pp1為流過(guò)等效串聯(lián)電阻RCf的電壓紋波值，(2)中△Vo_pp2為濾波電容Cf的電壓紋波值。實(shí)際上使用容量為220μF/450V的電解型電容，此時(shí)RCf所引起的電壓紋波值為250mV，由Cf引起的電壓紋波值為5.5mV。3.1.2開關(guān)管的選擇與取用選擇雙輸入Buck變換器開關(guān)管Q1,Q2的要求如下：開關(guān)管Q1、Q2兩端電壓應(yīng)力必須是1#源，2#源的輸入電壓的最大值，則有：Vds1_max=350VVds2_max=342V開關(guān)管的電流應(yīng)力等于通過(guò)開關(guān)管的最大電流有效值，此時(shí)變換器處于重載條件下輸出且開關(guān)管的占空比最大的情況。當(dāng)只有1#源向負(fù)載供電且輸入電壓最低的時(shí)候，占空比Dy1為最大值；而當(dāng)變換器重載時(shí)，雙輸入Buck變換器的電感電流平均值為4.44A，通常選取電感電流的紋波值為上下20%的重載電流，故流過(guò)開關(guān)管Q1的最大電流有效值IQ1_rms=4.22A。同上，開關(guān)管Q2的電流應(yīng)力為IQ2_rms=3.80A。本課題選用場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開關(guān)管，根據(jù)最高電壓的1.5倍值來(lái)選擇該功率開關(guān)管電壓額定值，并根據(jù)電流有效值的2倍值來(lái)選擇該功率開關(guān)管電流額定值。因?yàn)殚_關(guān)管Q1和Q2的電壓和電流應(yīng)力值差別不大，所以最終均可選擇ST公司的場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開關(guān)管，其型號(hào)和規(guī)格為STP10NK60Z(UDSS=600V，RDS(on)=0.65?，ID=10A@25°C，5.7A@100°C)。3.1.3二極管的選擇與取用兩只二極管的電壓應(yīng)力等于各個(gè)輸入源電壓的最大值，所以二極管D1的電壓與零件規(guī)格值的比值是VD1_max=358V；二極管D2的電壓應(yīng)力是VD2_max=340V。兩只二極管的電流應(yīng)力等于流過(guò)二極管的最大電流有效值。故選定某一個(gè)輸入源向負(fù)載單獨(dú)地供電時(shí)，另一個(gè)二極管將始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此額定負(fù)載電流就是流過(guò)二極管的平均電流最大值，同時(shí)考慮到有上下20%的電流紋波，則流過(guò)二極管的最大有效值電流為：ID_rms=4.45A。根據(jù)計(jì)算得到的電流和電壓應(yīng)力，并考慮安全裕值和反向恢復(fù)的特性，最終選擇一種SBD，其型號(hào)和規(guī)格為：CSD06060(VRRM=600V，IFAVM=6A，VF=1.6V)。3.2控制電路的設(shè)計(jì)3.2.1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)下圖3-2中給出了本課題中的1#源的控制電路，下面將對(duì)控制電路的采樣電路進(jìn)行具體地介紹和分析。圖3-21#源控制電路圖3.2.2采樣電路的設(shè)計(jì)本課題的采樣電路中包括了對(duì)1#源的輸入電流的采樣以及對(duì)AB點(diǎn)間的電壓的采樣。其中1#源的輸入電流可利用電流互感器(TA)來(lái)檢驗(yàn)；由于AB點(diǎn)間電壓vAB波形是矩形波或階梯波，因此為了得到更準(zhǔn)確的電壓波形可以通過(guò)差分電路的采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)；如圖3-3給出了電流采樣電路的電路結(jié)構(gòu)，其中n為TA的次級(jí)側(cè)的匝數(shù)，iin1為TA的初級(jí)側(cè)的電流，i'in1為TA的次級(jí)側(cè)的電流，e為TA的次級(jí)側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)。在TA中選擇磁環(huán)時(shí)，一方面應(yīng)選擇初始磁導(dǎo)率很高的磁環(huán)，以便將勵(lì)磁電流對(duì)控制電路的影響控制在盡可能低的水平；另一方面應(yīng)確保磁環(huán)處于不處于飽和狀態(tài)并且繞組可以完全纏繞在磁環(huán)下方。因此在實(shí)際中可選擇鐵氧體3C85材料，直徑為9.4mm，TN9/3的磁環(huán)，其窗口面積Ae為1.97mm2，飽和磁密Bm為0.3T，取?B=0.15T。為了減少TA的初級(jí)側(cè)的損耗，可以將初級(jí)側(cè)的匝數(shù)設(shè)置為1匝，則根據(jù)伏秒積平衡特性可得：-eavg·Dy1·Ts=n·Ae·△B同時(shí)TA的檢測(cè)電壓-epk不應(yīng)大于2V。當(dāng)1#源單獨(dú)供電且輸入電壓最低時(shí)，相應(yīng)的最大占空比Dy1max=0.9，代入上式得，TA的次級(jí)側(cè)匝數(shù)n為：n=選取n=60匝，實(shí)際選擇直徑為0.3mm的漆包線，則TA的次級(jí)側(cè)電流的峰值i'in1_pk為：I'in1_pk=i則TA的次級(jí)側(cè)的檢測(cè)電阻R1應(yīng)為：R1其中VD是TA的次級(jí)二極管導(dǎo)通壓降，根據(jù)計(jì)算結(jié)果取值R1=28?。AB點(diǎn)電壓的采樣可以通過(guò)差分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3-4所示。而使用壓擺率高的運(yùn)算放大器能夠及時(shí)反映AB點(diǎn)電壓波形，比如用壓擺率為300V/μs的高速運(yùn)放AD827放大器就能達(dá)到預(yù)期的目的。圖3-3電流采樣電路圖3-4AB點(diǎn)間電壓vAB采樣電路

4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)上述研究，可得出整個(gè)系統(tǒng)的總仿真電路圖如圖4-1所示。設(shè)各仿真參數(shù)為：1#輸入源電壓為Vin1=300V，2#輸入源電壓Vin2=311V，輸出電壓Vo=180V,輸出功率Po=850W。圖4-1系統(tǒng)仿真電路圖4.1輸出電壓及電流的仿真為驗(yàn)證其輸入電壓及輸出電流是否符合本文要求，以第2章中提到的第一種工作模式為例，當(dāng)Po>Pin1_ref時(shí)，太陽(yáng)能電池和城市電網(wǎng)一起向負(fù)載供電，此時(shí)的輸出電壓為正，1#源在不足以完全滿足負(fù)載所需功率時(shí)，由2#源補(bǔ)足。如圖4-2所示為整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓的波形，其電壓由2#源控制。根據(jù)已知的數(shù)據(jù)在Matlab仿真軟件上進(jìn)行仿真。因?yàn)橛屑y波的影響，所以輸出電壓并不是一個(gè)理想化的值為180V的波形，但波形的變化在允許范圍內(nèi)，由于在仿真中搭建了一個(gè)平均值運(yùn)算元件，依據(jù)波形可得到平均值為180V的波形。依據(jù)