Buck變換器在射流清洗設備電源中的應用

高壓水射流清洗技術是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術，具有清洗速度快、效率高、成本低、清潔環保、不腐蝕損傷基體、適用範圍廣、易於實現自動化和智能化控制等優點，可清洗形狀結構複雜的零部件[1]。近年來，隨著自動控制技術的不斷發展，工業自動化水平日益提高。為了提高高壓水射流設備的清洗效率和清洗效果，有研究人員將自動控制技術運用到射流清洗過程中。其清洗效果和清洗效率相對於傳統的人工清洗有了很大的提升，但該過程對於控制系統的實時性、穩定性具有較高的要求。因而作為控制系統的驅動部分，直流電源輸出的快速性、穩定性也有較高的要求。

傳統的驅動電源多以線性直流穩壓電源為主，由於電壓調整功能的器件始終工作於線性放大區，因而在應用過程中存在著功耗大、能量轉換效率低、輸出響應速度慢等問題。這為線性直流電源的應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展，開關電源得到了越來越廣泛的應用，其相關的技術及發展現狀如文獻[2]所述。開關電源具有較多的優點。如內部功率損耗小、轉換效率高。隨著超高頻功率變換技術[3]的不斷發展與應用，開關電源的轉換效率可以大幅度提高，其轉換效率可高達90%以上，即達到文獻[4]所述合理使用能源、減少能量損耗的目的。而且開關電源由於沒有傳統的工頻變壓器，散熱器相對較小，因而具有體積小、重量輕的特點。開關電源不僅具有以上所說的優點，與其相應的電路的控制方法也比較多，如循環控制方法[5]、滯環控制方法[6]、移相控制方法[7]等。設計人員可以根據實際應用的要求和需要，靈活地選用各種類型的開關電源電路和控制方法。

本文針對傳統線性直流穩壓電源與開關直流電源的以上特點，結合射流清洗設備的觸摸屏驅動電源輸入輸出響應要求。設計了一種基於傳統線性直流電源電路的開關電源電路結構，文中首先給出了相應的電路結構，並對相應的工作原理做了簡要說明，其次給出了模擬結構圖的搭建方法及結果分析，最後給出了所得結論。

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傳統線性直流電源概述

傳統的線性直流電源採用的一般結構形式如圖1所示，圖中Ui為電網中引入的220 V工頻交流電，T為變壓器，U為整流器，D1為二極體，R1~R6均為電阻，C1為穩壓電容，Dz為穩壓管，VT1、VT2為工作在線性狀態的開關管，RL為負載電阻。

工作原理簡述如下：工頻交流電Ui，經降壓變壓器T變為幅值可調的交流電，然後經整流器U整流為脈動的直流電，最後經濾波、緩衝、輸出反饋、穩壓為負載提供直流穩壓電源。在線性直流電源中開關管工作在線性放大狀態，直流穩壓電路的種類較多，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節的串聯型穩壓電路，其中VT1為功率調整管，VT2與R3組成比較放大電路。

假設變壓器T的一次側電壓為U1，二次側電壓為U2，變壓比為n：1，負載電壓為Uo，Ui為工頻電網電壓，若不計及變壓器一次側損耗、變壓器漏抗。則當空載時，負載獲得的平均電壓最大為：

實際設計時，往往根據負載的情況確定電容C1的值。

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引入Buck變換器的直流穩壓電源

2.1 Buck變換器的結構及工作原理

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為二極體，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，驅動信號控制開關管V導通，電源Ui向負載RL供電，負載電壓Uo=Ui，負載電流io按指數曲線上升。當開關管V關斷時，負載電流經二極體D續流，負載電壓Uo近似為0，負載電流呈指數曲線下降。若所取電感L值較大，則負載電流連續且輸出脈動較小[8]。

假設V的一個通斷周期為T，導通時間為ton，關斷時間為toff，導通占空比為α，則負載電壓的平均值：

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

2.2 引入Buck變換器的直流穩壓電源

由於傳統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、重量輕的開關電源。其電路原理圖如圖3所示，其中Ui為電網引入的220 V工頻交流電，U為整流器，C1為濾波電容，C2為穩壓電容，C3為緩衝電容，V1、V2為IGBT開關管，VD1、VD2、VD3均為二極體，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，經整流器U整流得到紋波較大的直流電，經濾波電容C1濾波，然後經穩壓裝置穩壓形成較為穩定的直流電。其輸出到負載的功率，可由後置的Buck變換器進行調節，通過調節主開關管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構成輔助電路，其作用是實現主開關管的零電壓關斷與開通。

假設V1的導通比為α，負載電壓為Uo，電容C1兩端的電壓為Uc1，Ui為電網電壓的有效值，若不計及電路中電感的感抗，則當空載時，負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行調節，通過控制開關管的導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載的大小影響較大，而較難實現不同直流電源實時輸出的要求。

在高壓水射流的應用中，對於系統響應的實時性有較高的要求，在不同的應用環境下負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高壓水射流的應用需求，下面通過模擬實驗分析加以說明。

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兩種電源的MATLAB模擬與分析

3.1 建立電源的模擬結構圖

在MATLAB的Simulink環境下，根據圖1、圖3設計的電路圖搭建模擬結構圖，並根據負載要求設計相應的元件參數。為了更好地反映引入Buck變換器後的電路特點，在搭建圖3的模擬結構圖時，並未引入專門的控制器，而是選取了常規的工頻觸發脈衝來控制開關管的通斷，應當注意的是，在含有電力電子器件的電路或系統模擬時，模擬演算法一般選用剛性積分演算法，如ode23tb、ode15s等，這樣可以得到較快的模擬速度[9]。以下模擬演算法選用ode15s。

3.2 模擬結果與分析

3.2.1 模擬參數選取與輸出響應曲線

以射流清洗設備的觸摸屏驅動電源輸出要求為例進行比較，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選取如下：交流輸入Ui的參數：Ui=220 V，f=50 Hz，φ=0°(φ為初相角)。

變壓器T的參數：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。按上述主要參數設定，模擬結果如圖4所示。

在圖3所示的電路圖中主要參數選取為：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進行比較與分析，開關頻率取為工頻，其他參數的選取與圖4所示模擬框圖一致。

按上述參數設定，模擬結果如圖5所示。

同等條件下，若負載突變，如取負載RL=1 000 Ω，則根據上述已搭建好的模擬框圖，模擬結果如圖6、圖7所示。

線性直流電源輸出響應為Uo=47 V，Io=0.047 A。含Buck變換器直流電源的輸出響應為Uo=23 V，Io=0.023 A。即在負載變化較大時，線性直流電源的輸出需要再次做較大的調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速度也有所下降。

3.2.2 響應曲線的分析與比較

由上述模擬圖形圖4、圖5不難看出：兩種直流電源在負載較小時，均能滿足所需的輸出要求，當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。由模擬圖形圖6、圖7可以看出當負載較大時，含buck變換器的直流電源優勢較為明顯，通過模擬數據對比可以發現兩種電源有以下輸出特點：

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時間為0.007 s，遠小於線性直流電源的0.5 s，即在線性直流電源中引入Buck變換器後，電源的輸出響應速度明顯增大，這對於對輸出響應實時性要求較高的高壓水射流驅動電源來說，具有較強的適應性。

同時，由模擬圖形對比可以看出上述線性直流電源的輸出響應紋波還比較大，若想獲得紋波較小的直流穩壓電源，則需加入相應的調壓裝置。而開關管在工頻工作時，含Buck變換器的直流電源在同等條件下，輸出電壓、電流波形相對穩定。

值得注意的是，由於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壓裝置中需要相應的電阻來減小電壓波動。這就造成了電源自身的損耗增大，不僅使功率轉換效率降低，還會導致電源發熱量增加，需要更大的散熱裝置。而對於含Buck變換器的直流電源，在開關管工作在工頻時，開關損耗幾乎可以忽略不計。在高頻時，可以通過輔助電路實現零電壓關斷、開通，因而在功率轉換電路中的損耗較小，電源的發熱量也比較小，即功率轉換效率更高。

當然，在圖5中還可以看出在0.008 5 s時，輸出響應存在著微小的電壓降落，實際應用中還需要加入相應的反饋控制器，或者電壓降落補償器加以調節，形成閉環控制迴路，以保證輸出響應的持續穩定。

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結論

本文從高壓水射流設備的實際需求出發，結合開關電源的優點，設計了含Buck變換器的直流穩壓電源主電路結構，並以水射流設備觸摸屏的驅動要求為例進行模擬說明。通過圖形對比可以發現，本文所設計的含Buck變換器的直流電源具有輸出響應速度快、功率轉換損耗低、輸出波形穩定的特點。

在對於輸出響應要求較高的電源中，往往為開關管設置專門的控制器，採用各種各樣的先進控制方法，如預測控制、自適應控制、模糊PID控制、專家系統、神經網路控制等。通過PWM技術與這些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高開關頻率（在一些電子工業發達和先進的國家，可以做到兆赫級）以提高直流電源的可靠性，增大輸出功率可調範圍，實現開關電源的輕量化、小型化。

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