buck变换器设计matlab_【Saber仿真】升降压双向直流变换
器仿真
本⽂选取了⼀种以Buck-Boost变换器为基础的双向DC-DC变换器进⾏了研究，设计了⼀种隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器。并根据设计指标，对变压器、输出滤波器、功率开关等进⾏参数设计，并使⽤saber仿真软件完成了这种带⾼频电⽓隔离的拓扑的仿真。 引⾔
所谓双向DC-DC变换器就是实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC-DC。它的输⼊、输出电压极性不变，但输⼊、输出电流的⽅向可以改变。是典型的“⼀机两⽤”设备。在需要双向能量流动的应⽤场合可以⼤幅度减轻系统的体积重量及成本。 近年来，双向DC/DC变换器在电动汽车、航天电源系统、燃料电池系统以及分布式发电系统等⽅⾯得到了⼴泛应⽤。
DC-DC功率变换器的种类很多。按照输⼊/输出电路是否隔离来分，可分为⾮隔离型和隔离型两⼤类。⾮
隔离型的DC-DC变换器⼜可分为降压式、升压式、极性反转式等⼏种；隔离型的DC-DC变换器⼜可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等⼏种。下⾯主要讨论⾮隔离型升压式DC-DC变换器的⼯作原理。
Buck-Boost变换器
将Buck变换器与Boost变换器⼆者的拓扑组合在⼀起，除去Buck中的⽆源开关，除去Boost中的有源开关，如图所⽰，称为升降压变换器。它是由电压源、电流转换器、电压负载组成的⼀种拓扑，中间部分含有⼀级电感储能电流转换器。它是⼀种输出电压既可以⾼于也可以低于输⼊电压的单管⾮隔离直流变换器。Buck-Boost变换器和Buck变换器与Boost变换器最⼤的不同就是输出电压的极性和输⼊电压的极性相反，输⼊电流和输出电流都是脉动的，但是由于滤波电容的作⽤，负载电流应该是连续的。 图2.1 Buck-Boost变换器的拓扑
⾮隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的原理及参数计算
如图2.2所⽰，将Buck-Boost变换器中的功率⼆极管与可控功率器件(如Power MOSFET、IGBT等)并联，再将可控功率器件与功率⼆极管并联，就构成了⾮隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器。
图 2.2 ⾮隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的拓扑
这种电路的主要优点是，电压增益随占空⽐的变化可以降压也可以升压，同时电路的结构⽐较简单。但同时也存在⼀些不⾜之处，如不适⽤于⼤功率场合下的应⽤等等。
⾮隔离Buck-Boost BDC的⼯作原理与Buck-Boost电路类似，但是实现了能量的双向流动。
现以能量从左向右流动时的情况对电路原理进⾏简要说明。当开关管T1导通时，⼆极管D2反偏截⽌，电感由直流电源充电，⽽负载电压由电容C2维持。当T1关断时，D2正偏导通，将原先存储在电感中的能量释放出来，⼀⽅⾯向负载供电，另⼀⽅⾯向C2充电。在这两种状态的情况下，输出电压的极性和输⼊电压的极性都是相反的，也就是说，电路的直流增益⼩于0。
对于能量从右向左流动时的情况⽽⾔，电路原理是⼀致的，在此就不重复说明。
在⾮隔离Buck-Boost BDC的情况下，可以对电路中的功率开关、输出滤波器等器件进⾏参数计算。
在仿真实验中，开关管选择MOSFET，开关频率为20kHz，负载为0.5欧。
设计指标：
输⼊电压Ui=24V； 输出电压Uo=12V； 输出电流Io=20A；
输⼊、输出要有⾼频电⽓隔离； 输出电压纹波Vpp<200mV；
输出滤波电感电流纹波Ipp<400mA; 变换效率〉80%；
输⼊电压Ui为24V时的占空⽐为：
输出滤波电容为：
电感为：
由于⾮隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的输⼊电流和输出电流都是脉动的。为满⾜低输出纹波的要求，需要加⼊滤波器进⾏平波。同时，由于这种滤波器可以使⽤标准介质电容器，使设备成本较低。
如图2.3所⽰。在原先设计的反激变换器的输出级前再增加了⼀级LC输出滤波器。这样，就构成了两级LC输出滤波器。第⼆级谐振输出滤波器中L取值为13uH，电容取值为470uF。
图 2.3 有两级LC输出滤波器的⾮隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器
隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器
在⾮隔离Buck-Boost BDC中插⼊⾼频变压器，即可构成隔离型Buck-Boost BDC拓扑。如图所⽰：
图 2.4 隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器
变换器中的电感变压器起着电感和变压器的双重作⽤。当功率开关管T1导通，电源向原边耦合电感储能，⼆极管D2截⽌，由电容C2向负载供电；当T1截⽌时，⼆极管D2导通，变压器储能经副边耦合电感向负载放电，同时向电容充电。
反激变换器⾼频变压器T的参数设计
确定磁芯材质和型号
在仿真实验中选取最⼤占空⽐Dmax为0.4，⼯作频率是20KHz。
选⽤软磁铁氧体R2KBD、罐形铁芯，Bm=5100GS。此时磁芯⼯作于第⼆种⼯作状态，取磁芯磁感应强度的变化量
△B=1/3BS=1700GS，将T ONmax=D max T S=20μS、P Omax=240W、η=80%、K C=1、Kμ=0.3、j=500A/cm2代⼊得：
选⽤GU18罐形磁芯，该磁芯的截⾯积S和窗⼝⾯积Q分别为：
绕组计算
(1) 计算变压器初级电感量DCM模式，最⼤输出功率时电流临界连续，所以
(2) 计算磁芯上所开⽓隙的长度δ
根据以上两式，可得磁芯上所开⽓隙长度 为
(3) 计算原边绕组匝数
取N1=7匝。
(4) 计算匝⽐，确定各副边绕组匝数
U D为输出整流⼆极管压降。
取副边绕组匝数为N2=N1/n12=7/1.333=5.25=5
(5) 根据N1来校核原边电感，并计算各副边电感
略⼤于计算值7.68uH
(6) 计算变压器原副边绕组电流有效值
变压器原边电流峰值为
各副边电流峰值为
原边电流有效值为
副边电流有效值为
(7) 确定原副边导线线径和股数
取j=500A/cm2，根据S=I/j可得，原副边导线截⾯积为S1=0.054772cm2，S2=0.0014cm2。
选⽤d=0.23mm的导线，其截⾯积为0.0415mm2。N1并绕根数=5.4772/0.0415=131.98根，取132根；N2并绕根数
=0.14/0.0415=3.37根，取3根。
驱动电路的设计
仿真实验中⽤到两个开关管，也就是需要两路相位互补的PWM波驱动实验所⽤到的MOSFET管。
仿真实验所选⽤得uc3842芯⽚是⼀种⾼性能的单端输出式电流型PWM控制器。电流控制环由PWM锁存器、电流检测⽐较器、误差放⼤器和锯齿波振荡电路组成。
该芯⽚能产⽣频率固定⽽脉冲宽度可以调节的驱动信号，⽤外部元件Rt和Ct可设定振荡频率，并精确地控制占空⽐。可通过控制开关管的通断状态来调节输出电压的⾼低，达到稳压⽬的。
由于仿真实验的频率设定为20kHz，可选取Rt为16K，Ct为5.6nf。
Buck-Boost变换器传统的控制⽅式有⼏种，其中之⼀为电压型控制。通过检测输出电压进⾏单环反馈控制，电路参数的任何变化只有在引起输出电压变化后才能引起控制环节进⾏控制，由于反馈电路采⽤积分环节，因此对输⼊电压和负载变化的响应速度慢。
在uc3842芯⽚中使⽤的是电流型控制。电流型控制是根据主(功率)电感电流的变化来调节占空⽐。电流型控制的管脚是CS脚。同时，控制环路通过vfb脚对输出电压进⾏控制。所获得的电压通过vfb脚与uc3842芯⽚中的内部2.5V电源进⾏⽐较。
图4.1 uc3842外围电路及部分仿真波形
由图4.1可见，output端输出的PWM波频率为20 kHz，vfb脚上的电压稳定在2.5v，CS脚上的电压在0-1V间脉动。也就是说，电流型控制起到了作⽤，保证了电路输出达到所需要的幅值。
由于要同时驱动两个开关管，同时这两个开关管的所需的驱动波形应该是相位互补的PWM波，那么就可以在output的输出上外接⼀个反相器，输出另⼀路PWM波。
隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器的仿真
在saber仿真中所使⽤的开关管型号是apt50m60jn。这是⼀种使⽤较为⼴泛的MOSFET管，在仿真中所选取的20kHz的频率下⼯作性能较为良好。
功率开关管上承受的电压应⼒和电流应⼒分别为
开关管apt50m60jn能够满⾜承受如上的电压应⼒和电流应⼒的要求。
根据第3节⾼频变压器T的参数设计，原边绕组匝数取7，副边绕组匝数取5，原边电感值取8uH，副边电感值取4.08uH。滤波电容值计算所得为
仿真中滤波电容取8mF，负载电阻取0.6欧。通过saber中的电流传感器测量输出端的电流。
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