【学术论文】Buck变换器在射流清洗设备电源中的应用
高压水射流清洗技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术，具有清洗速度快、效率高、成本低、清洁环保、不腐蚀损伤基体、适用范围广、易于实现自动化和智能化控制等优点，可清洗形状结构复杂的零部件[1]。近年来，随着自动控制技术的不断发展，工业自动化水平日益提高。为了提高高压水射流设备的清洗效率和清洗效果，有研究人员将自动控制技术运用到射流清洗过程中。其清洗效果和清洗效率相对于传统的人工清洗有了很大的提升，但该过程对于控制系统的实时性、稳定性具有较高的要求。因而作为控制系统的驱动部分，直流电源输出的快速性、稳定性也有较高的要求。
传统的驱动电源多以线性直流稳压电源为主，由于电压调整功能的器件始终工作于线性放大区，因而在应用过程中存在着功耗大、能量转换效率低、输出响应速度慢等问题。这为线性直流电源的应用带来了很大的局限性。近年来，随着电力电子功率器件的不断发展，开关电源得到了越来越广泛的应用，其相关的技术及发展现状如文献[2]所述。开关电源具有较多的优点。如内部功率损耗小、转换效率高。随着超高频功率变换技术[3]的不断发展与应用，开关电源的转换效率可以大幅度提高，其转换效率可高达90%以上，即达到文献[4]所述合理使用能源、减少能量损耗的目的。而且开关电源由于没有传统的工频变压器，散热器相对较小，因而具有体积小、重量轻的特点。开关电源不仅具有以上所说的优点，与其相应的电路的控制方法也比较多，如循环控制方法[5]、滞环控制方法[6]、移相控制方法[7]等。设计人员可以根据实际应用的要求和需要，灵活地选用各种类型的开关电源电路和控制方法。
本文针对传统线性直流稳压电源与开关直流电源的以上特点，结合射流清洗设备的触摸屏驱动电源输入输出响应要求。设计了一种基于传统线性直流电源电路的开关电源电路结构，文中首先给出了相应的电路结构，并对相应的工作原理做了简要说明，其次给出了仿真结构图的搭建方法及结果分析，最后给出了所得结论。
传统的线性直流电源采用的一般结构形式如图1所示，图中Ui为电网中引入的220 V工频交流电，T为变压器，U为整流器，D1为二极管，R1~R6均为电阻，C1为稳压电容，Dz为稳压管，VT1、VT2为工作在线性状态的开关管，RL为负载电阻。
工作原理简述如下：工频交流电Ui，经降压变压器T变为幅值可调的交流电，然后经整流器U整流为脉动的直流电，最后经滤波、缓冲、输出反馈、稳压为负载提供直流稳压电源。在线性直流电源中开关管工作在线性放大状态，直流稳压电路的种类较多，为了不失线性直流电源的一般化，此处选取常用的带放大环节的串联型稳压电路，其中VT1为功率调整管，VT2与R3组成比较放大电路。
假设变压器T的一次侧电压为U1，二次侧电压为U2，变压比为n：1，负载电压为Uo，Ui为工频电网电压，若不计及变压器一次侧损耗、变压器漏抗。则当空载时，负载获得的平均电压最大为：
实际设计时，往往根据负载的情况确定电容C1的值。
2.1 Buck变换器的结构及工作原理
Buck变换器原理图如图2所示，其中Ui为直流电源，V为IGBT（绝缘栅双极晶体管），D为二极管，L为电感，C为电容，R、RL均为电阻。
其工作原理简述如下：在某一时刻，驱动信号控制开关管V导通，电源Ui向负载RL供电，负载电压Uo=Ui，负载电流io按指数曲线上升。当开关管V关断时，负载电流经二极管D续流，负载电压Uo近似为0，负载电流呈指数曲线下降。若所取电感L值较大，则负载电流连续且输出脉动较小[8]。
假设V的一个通断周期为T，导通时间为ton，关断时间为toff，导通占空比为α，则负载电压的平均值：
由式(3)可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，减小占空比α，Uo随之减小。
2.2 引入Buck变换器的直流稳压电源
由于传统线性直流电源存在的上述问题，本文将Buck变换器引入其中，同时去除了前置的交流变压器，将线性直流电源变换为体积小、重量轻的开关电源。其电路原理图如图3所示，其中Ui为电网引入的220 V工频交流电，U为整流器，C1为滤波电容，C2为稳压电容，C3为缓冲电容，V1、V2为IGBT开关管，VD1、VD2、VD3均为二极管，L1、L2为电感，R1、RL为电阻。
其工作原理简述如下：
220 V工频交流电，经整流器U整流得到纹波较大的直流电，经滤波电容C1滤波，然后经稳压装置稳压形成较为稳定的直流电。其输出到负载的功率，可由后置的Buck变换器进行调节，通过调节主开关管V1的占空比，即可得到输出功率合适的直流电。图中V2、VD1、L1、C3构成辅助电路，其作用是实现主开关管的零电压关断与开通。
假设V1的导通比为α，负载电压为Uo，电容C1两端的电压为Uc1，Ui为电网电压的有效值，若不计及电路中电感的感抗，则当空载时，负载获得的电压最大为：
由上述分析不难看出，含Buck变换器的直流电源比线性直流电源更容易进行调节，通过控制开关管的导通比可以满足不同直流输出的要求。而线性直流电源的输出受负载的大小影响较大，而较难实现不同直流电源实时输出的要求。
在高压水射流的应用中，对于系统响应的实时性有较高的要求，在不同的应用环境下负载往往存在较大的变化。因而，通过以上理论分析可以看出，含Buck变换器的直流电源能够更好的适应高压水射流的应用需求，下面通过仿真实验分析加以说明。
3.1 建立电源的仿真结构图
在MATLAB的Simulink环境下，根据图1、图3设计的电路图搭建仿真结构图，并根据负载要求设计相应的元件参数。为了更好地反映引入Buck变换器后的电路特点，在搭建图3的仿真结构图时，并未引入专门的控制器，而是选取了常规的工频触发脉冲来控制开关管的通断，应当注意的是，在含有电力电子器件的电路或系统仿真时，仿真算法一般选用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s等，这样可以得到较快的仿真速度[9]。以下仿真算法选用ode15s。
3.2 仿真结果与分析
3.2.1 仿真参数选取与输出响应曲线
以射流清洗设备的触摸屏驱动电源输出要求为例进行比较，其输出要求：
直流电源电压Uo=20.4~26.4 V，最大输出功率Po=7 W。在图1所示的电路图中主要参数选取如下：交流输入Ui的参数：Ui=220 V，f=50 Hz，φ=0°(φ为初相角)。
变压器T的参数：变压比为1：1。
电阻R1=330 Ω，R2=1 kΩ，R3=R4=R5=R6=RL=100 Ω，电容C1=2 000 μF。按上述主要参数设定，仿真结果如图4所示。
在图3所示的电路图中主要参数选取为：IGBT工作频率取为工频，电感L1=L2=0.001 H，C1=500 μF，C2=100 μF，C3=2 000 μF。
为对两种电源输出响应进行比较与分析，开关频率取为工频，其他参数的选取与图4所示仿真框图一致。
按上述参数设定，仿真结果如图5所示。
同等条件下，若负载突变，如取负载RL=1 000 Ω，则根据上述已搭建好的仿真框图，仿真结果如图6、图7所示。
线性直流电源输出响应为Uo=47 V，Io=0.047 A。含Buck变换器直流电源的输出响应为Uo=23 V，Io=0.023 A。即在负载变化较大时，线性直流电源的输出需要再次做较大的调整方可满足输出要求。由图6不难看出，线性直流电源的响应速度也有所下降。
3.2.2 响应曲线的分析与比较
由上述仿真图形图4、图5不难看出：两种直流电源在负载较小时，均能满足所需的输出要求，当两种电源的输出电压同为Uo=23 V，输出电流为Io=0.023 A时，输出功率均为Po=5.29 W。由仿真图形图6、图7可以看出当负载较大时，含buck变换器的直流电源优势较为明显，通过仿真数据对比可以发现两种电源有以下输出特点：
在输出相同直流电压或电流时，含Buck变换器的直流电源输出响应时间为0.007 s，远小于线性直流电源的0.5 s，即在线性直流电源中引入Buck变换器后，电源的输出响应速度明显增大，这对于对输出响应实时性要求较高的高压水射流驱动电源来说，具有较强的适应性。
同时，由仿真图形对比可以看出上述线性直流电源的输出响应纹波还比较大，若想获得纹波较小的直流稳压电源，则需加入相应的调压装置。而开关管在工频工作时，含Buck变换器的直流电源在同等条件下，输出电压、电流波形相对稳定。
值得注意的是，由于水射流触摸屏所需的电源输出功率较小，因而线性直流电源的稳压装置中需要相应的电阻来减小电压波动。这就造成了电源自身的损耗增大，不仅使功率转换效率降低，还会导致电源发热量增加，需要更大的散热装置。而对于含Buck变换器的直流电源，在开关管工作在工频时，开关损耗几乎可以忽略不计。在高频时，可以通过辅助电路实现零电压关断、开通，因而在功率转换电路中的损耗较小，电源的发热量也比较小，即功率转换效率更高。
当然，在图5中还可以看出在0.008 5 s时，输出响应存在着微小的电压降落，实际应用中还需要加入相应的反馈控制器，或者电压降落补偿器加以调节，形成闭环控制回路，以保证输出响应的持续稳定。
本文从高压水射流设备的实际需求出发，结合开关电源的优点，设计了含Buck变换器的直流稳压电源主电路结构，并以水射流设备触摸屏的驱动要求为例进行仿真说明。通过图形对比可以发现，本文所设计的含Buck变换器的直流电源具有输出响应速度快、功率转换损耗低、输出波形稳定的特点。
在对于输出响应要求较高的电源中，往往为开关管设置专门的控制器，采用各种各样的先进控制方法，如预测控制、自适应控制、模糊PID控制、专家系统、神经网络控制等。通过PWM技术与这些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高开关频率（在一些电子工业发达和先进的国家，可以做到兆赫级）以提高直流电源的可靠性，增大输出功率可调范围，实现开关电源的轻量化、小型化。