dc-dc直流變換器畢業(yè)論文

1、<p><b>　　緒 論</b></p><p>　　本章介紹了雙向DC/DC變換器（Bi-directional DC/DC Converter，BDC)的基本原理概述、研究背景和應(yīng)用前景，并指出了目前雙向直流變換器在應(yīng)用中遇到的主要問題。</p><p>　　1.1 雙向DC/DC變換器概述</p><p>　　所謂雙向DC/

2、DC變換器就是在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況下，根據(jù)具體需要改變電流的方向，實(shí)現(xiàn)雙象限運(yùn)行的雙向直流/直流變換器。相比于我們所熟悉的單向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳輸。實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，也可以通過將兩臺單向DC/DC變換器反并聯(lián)連接，由于單向變換器主功率傳輸通路上一般都需要二極管，因此單個(gè)變換器能量的流通方向仍是單向的，且這樣的連接方式會使系統(tǒng)體積和重量龐大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通過一臺變換器來

3、實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，BDC就是通過將單向開關(guān)和二極管改為雙向開關(guān)，再加上合理的控制來實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。</p><p>　　1.2 雙向直流變換器的研究背景</p><p>　　在20世紀(jì)80年代初期，由于人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量很大，美國學(xué)者提出了用雙向Buck/Boost直流變換器來代替原有的充、放電器，從而實(shí)現(xiàn)匯流條電壓的穩(wěn)定。之后，發(fā)表了大量文章對人造衛(wèi)星應(yīng)用蓄電池調(diào)節(jié)

4、器進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并應(yīng)用到了實(shí)體中。</p><p>　　1994年，香港大學(xué)陳清泉教授將雙向直流變換器應(yīng)用到了電動(dòng)車上，同年，F(xiàn).Caricchi等教授研制成功了用20kW水冷式雙向直流變換器應(yīng)用到電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)，由于雙向直流變換器的輸入輸出電壓極性相反，不適合于電動(dòng)車，所以他提出了一種Buck-Boost級聯(lián)型雙向直流變換器，其輸入輸出的負(fù)端共用。1998年，美國弗吉尼亞大學(xué)李澤元教授開始研究雙向直流變換器在燃

5、料電池上的配套應(yīng)用?？梢姡教祀娫春碗妱?dòng)車輛的技術(shù)更新對雙向直流變換器的發(fā)展應(yīng)用具有很大的推動(dòng)力，而開關(guān)直流變換器技術(shù)為雙向DC/DC變換器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　1994年，澳大利亞Felix A.Himmelstoss發(fā)表論文，總結(jié)出了不隔離雙向直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。他是在單管直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管，從而構(gòu)成四種不隔離的雙向直流變換器：Buck-Boost、B

6、uck/Boost、Cuk和Sepi-Zeta雙向直流變換器。</p><p>　　隔離式雙向直流變換器有正激、反激、推挽和橋式等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　反激式變換器是基于Buck/Boost直流變換器設(shè)計(jì)的，電路結(jié)構(gòu)對稱，相比之下更易于構(gòu)成雙向直流變換器。但普通的反激式變換器容易產(chǎn)生電壓尖峰和振蕩，2001年陳剛博士提出了有源嵌位雙向反激式直流變換器，有效的消除了電壓尖峰和振蕩，

7、并且實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開關(guān)，減少了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。</p><p>　　推挽式變換器也具有對稱的電路結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)簡單，但存在變壓器的偏磁和漏感，從而限制了變換器的應(yīng)用。所以有學(xué)者提出，在輸入輸出電壓相差較大的場合，可以應(yīng)用由推挽變換器和半橋變換器組成的混合式變換器。</p><p>　　橋式直流變換器有兩類電路：一種是雙有源橋式變換器，電路結(jié)構(gòu)對稱，通過控制相位角來控制兩直流電源間能

8、量傳輸?shù)姆较蚝痛笮?；另一種是由電壓源型橋式直流變換器和電流源型直流變換器構(gòu)成，且這兩種電路都具有軟開關(guān)特性。</p><p>　　1.3 雙向直流變換器的應(yīng)用前景</p><p>　　雙向DC/DC變換器主要應(yīng)用在：電動(dòng)汽車、太陽能電池陣、不停電電源（UPS）、分布式電站等方面。</p><p>　　1.3.1 在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用</p><p&

9、gt;　　近年來，考慮到環(huán)境污染和能源安全等方面，電動(dòng)汽車的研究得到了飛速的發(fā)展。電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車和燃料電池電動(dòng)汽車三大類。雙向DC/DC變換器是應(yīng)用到電動(dòng)汽車的一項(xiàng)重要技術(shù)。目前，蓄電池電動(dòng)汽車技術(shù)已經(jīng)有了較成熟的發(fā)展，但由于蓄電池可靠性差且儲能小，電動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的混合車輛的研究已經(jīng)成為了我國一些企業(yè)和科研院所的發(fā)展重點(diǎn)。</p><p>　　混合電動(dòng)車由無刷直流發(fā)電機(jī)、逆變器與驅(qū)動(dòng)用

10、交流電動(dòng)機(jī)和蓄電池與雙向直流變換等三部分組成。其工作過程是：啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池通過雙向直流變換器向無刷直流電機(jī)供電，無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使其啟動(dòng)，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，傳動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出直流電，發(fā)電機(jī)的電能一方面給電池充電，另一方面給逆變器供電，使交流電動(dòng)機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)車輛。電動(dòng)車加速時(shí)，發(fā)電機(jī)和蓄電池同時(shí)向逆變器供電，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率加大。車輛下坡或制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為再生制動(dòng)狀態(tài)，逆變器將電動(dòng)機(jī)能量返回，通過雙向直流變換器回

11、到蓄電池。</p><p>　　燃料電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它是未來電動(dòng)車的首選能源。在燃料電池供電的電動(dòng)車系統(tǒng)中，由蓄電池提供壓縮機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能量，從而建立燃料電池電壓，給其創(chuàng)造了啟動(dòng)條件。正常運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)電機(jī)的能量由燃料電池來提供，系統(tǒng)中逆變器帶動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量回饋到蓄電池中，同時(shí)，燃料電池給蓄電池充電。其原理圖如下圖所示：</p><p&

12、gt;　　1.3.2 在太陽能電池陣系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　所有利用太陽能電源的航天器，都需要能量存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)和太陽能電池陣組合起來，構(gòu)成組合供電系統(tǒng)。比較典型的是太陽能-蓄電池供電系統(tǒng)，主要有峰值功率跟蹤系統(tǒng)和直接能量傳送系統(tǒng)。雙向直流變換器起到了集蓄電池充放電為一體的作用，大大減小了體統(tǒng)的體積和重量。</p><p>　　1.3.3在不停電電源（UPS）中的應(yīng)用</

13、p><p>　　原理：在不停電電源系統(tǒng)中，有一個(gè)充電單元給蓄電池充電，在充電單元異常掉電時(shí)，控制器通過檢測電壓和電流立即做出反應(yīng)，用蓄電池通過放電單元來提供負(fù)載能量，并在一定時(shí)間段內(nèi)保證直流總線電壓的恒定，使外界的變化不會影響到對直流負(fù)載的連續(xù)供電。而這個(gè)系統(tǒng)中的充放電單元就可以用雙向DC/DC變換器來代替。</p><p>　　在USP中采用雙向DC/DC變換器可以起到以下的作用：1、中間變

14、換、升降壓，方便選配蓄電池；2、將電池充放電工作隔離開；3、優(yōu)化充放電過程，提高充放電過程和蓄電池使用壽命；4、允許蓄電池和直流母線相互隔離，保證安全。</p><p>　　1.3.4在分布式電站方面的應(yīng)用【5】</p><p>　　分布式發(fā)電系統(tǒng)包括多種新型發(fā)電單元，許多發(fā)電單元輸出為直流電源(燃料電池、太陽能等)，同時(shí)分布式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部能量是多路徑流動(dòng)，具備雙向功率流動(dòng)的典型特征，雙向

15、DC/DC變換器可以在分布式發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮重要作用。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對雙向直流變換器的基本概念、應(yīng)用背景以及發(fā)展前景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并針對不同的應(yīng)用方向進(jìn)行了系統(tǒng)的描述，指出了目前雙向變換器在發(fā)展過程中所遇到的主要的難題。</p><p>　　第二章 雙向DC/DC變換器的

16、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　本章簡單介紹了單向DC/DC變換器的基本原理和類型，并根據(jù)雙向DC/DC變換器按照有無變壓器隔離的分類，對各種典型雙向DC/DC變換器的電路拓?fù)渥隽嗽敿?xì)的介紹。</p><p>　　2.1 DC/DC變換器的基本原理與類型</p><p>　　2.1.1 DC/DC變換器的基本原理</p><p>　　DC/

17、DC變換器即是把直流電壓變換為另一數(shù)值的直流電壓，是開關(guān)電源技術(shù)的一個(gè)分支。它是由半導(dǎo)體功率器件作為的開關(guān)管、二極管、電感、電容、負(fù)載和直流電源構(gòu)成的，通過使帶濾波器的負(fù)載電路和直流電壓時(shí)而接通、時(shí)而關(guān)斷，使得負(fù)載上得到另一個(gè)直流電壓。</p><p>　　在所有的DC/DC變換器中，Buck和Boost電路是最基本的。</p><p>　　2.1.2 DC/DC變換器的類型</p

18、><p>　　DC/DC變換器可以由輸入輸出之間是否有變壓器而分為隔離型和非隔離型。</p><p>　　非隔離型的主要拓?fù)溆校築uck降壓變換器、Boost升壓變換器、Buck-Boost升降壓變換器、Cuk變換器、Sepic變換器和Zeta變換器。</p><p>　　隔離型的的主要拓?fù)溆校赫?、反激、推挽、半橋、全橋型變換器。</p><p&g

19、t;<b>　　非隔離型變換器</b></p><p>　　下面主要介紹最基本的Buck降壓變換器和Boost升壓變換器的工作原理。</p><p>　　BUCK：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源通過電感L給電容C充電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感L續(xù)流，逐漸降低，電容上的電流由正逐漸降為零，并變成負(fù)向。進(jìn)而開關(guān)管再次導(dǎo)通，電感上電流增加。</p><p>　　B

20、OOST：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源向電感儲能，電感電流增加，負(fù)載由電容供電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流減小，電感電勢與輸入電壓疊加，迫使二極管D導(dǎo)通，一起向負(fù)載供電，并同時(shí)向電容C充電。</p><p><b>　　隔離型變換器</b></p><p>　　下面主要介紹反激式變換器的工作原理：</p><p>　　它是由電感變壓器T、功率晶體管Q、二

21、極管D和濾波電容C組成。晶體管受驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)，周期的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，在理想情況下，輸入電壓全部加在電感變壓器初級上，變壓器初級感應(yīng)電勢同名端為正，次級同名端也為正，二極管反偏截止，所以電感變壓器此時(shí)作為電感運(yùn)行，電源向電感儲能，由輸出電容向負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感能量不能突變，變壓器各線圈感應(yīng)電勢反號，同名端為負(fù)，迫使二極管導(dǎo)通，電感能量逐步轉(zhuǎn)為電場能量向負(fù)載放電和向電容充電。</p><p>

22、　　2.2 雙向DC/DC變換器的電路拓?fù)?lt;/p><p>　　緒論中已經(jīng)提到，雙向DC/DC變換器是在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況下，根據(jù)需要改變電流方向，通過在開關(guān)管上反并聯(lián)二極管、在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管再加上適當(dāng)?shù)目刂苼韺?shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸?shù)淖儞Q器。它可以根據(jù)有無變壓器隔離分為隔離型和非隔離型。</p><p>　　2.2.1 非隔離型雙向DC/DC變換器</p>

23、<p>　　非隔離型雙向DC/DC變換器的主要拓?fù)溆校弘p向Buck-Boost變換器、雙向Buck/Boost 變換器、雙向Cuk變換器和雙向Sepic-Zeta變換器。</p><p>　　下面主要介紹雙向Buck-Boost變換器和雙向Buck/Boost 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　雙向Buck-Boost變換器：是由Buck變換器變換而來的，在晶體管Q上反并聯(lián)

24、二極管D，在二極管D上反并聯(lián)晶體管Q，該電路便是雙向DC/DC變換器。它可以工作于兩種模式：降壓模式和升壓模式。當(dāng)能量從V1流向V2，Q1工作，Q2不工作，V1為電源端，則該變換器為Buck變換器；當(dāng)能量從V2流向V1，Q2工作，Q1不工作，V2作為電源端，則該變換器為Boost變換器。</p><p>　　若兩側(cè)都有電源，則能量流動(dòng)方式取決于兩電源電壓大小和占空比的大小，兩端的電壓極性相同，V1<V2。&

25、lt;/p><p>　　雙向Buck/Boost 變換器：與單向Buck/Boost變換器拓?fù)洳煌氖?，在原開關(guān)管處反并聯(lián)二極管，在原二極管處反并聯(lián)開關(guān)管，Q1和Q2互補(bǔ)方式導(dǎo)通，兩者間應(yīng)設(shè)定死去時(shí)間，以避免同時(shí)導(dǎo)通，其與Buck-Boost不同的是：V1和V2電壓是反極性的，且其大小任意。</p><p>　　2.2.2 隔離型雙向DC/DC變換器</p><p>

26、　　隔離型雙向DC/DC變換器是在非隔離型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相對要復(fù)雜得多，對于變壓器，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)磁化和去磁伏秒面積相等是保證其正常工作防止鐵芯磁飽和的關(guān)鍵【9】。一般隔離型雙向DC/DC變換器常應(yīng)用在電壓傳輸比大、功率高、需要電氣隔離的場合。</p><p>　　隔離型雙向DC/DC變換器的主要拓?fù)溆校弘p向反激式、雙向正激式、雙向推挽式、雙向半橋式和雙向全橋式。</p><p>　　其

27、主要區(qū)別為【15】：</p><p>　　(l)雙向反激式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適合于小功率應(yīng)用。</p><p>　　(2)雙向正激式：是在單管正激式的電路上再串接一個(gè)三極管而組成的，</p><p>　　對于高壓大功率的開關(guān)電源來說更加安全可靠。</p><p>　　(3)雙向推挽式：傳輸功率比雙反激拓?fù)浯?，結(jié)構(gòu)也比較簡單。但因變壓<

28、/p><p>　　器漏感引起大的開關(guān)電壓尖峰，開關(guān)管工作條件惡劣，適合中低壓應(yīng)用場合。</p><p>　　(4)雙向半橋式：半橋式DC/DC變換電路適用于輸入電壓比較高的場合，</p><p>　　與推挽式變換器相比較，它的輸入變壓器沒有中心抽頭，加工比較簡單。但是</p><p>　　對支撐電容的要求高，并且傳遞同樣的功率時(shí)，要求功率器件的電

29、流容量大，</p><p>　　適合中功率高壓應(yīng)用。</p><p>　　(5)雙向全橋式：全橋變換由于對功率器件的電流/電壓應(yīng)力小，同樣容量</p><p>　　的器件傳輸?shù)墓β矢?，開關(guān)管和變壓器的利用率高，是大功率應(yīng)用的首選拓</p><p><b>　　撲結(jié)構(gòu)。</b></p><p>　

30、　下面主要介紹雙向反激DC/DC變換器：</p><p>　　所謂正激和反激，正激變換器即是變壓器，反激變換器即是當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量可以存儲于原邊的漏感上。</p><p>　　同樣，雙向反激變換器是在單向反激變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管，開關(guān)管工作在PWM方式，互補(bǔ)導(dǎo)通。</p><p>　　2.3 DC/DC變換器的拓?fù)溥x擇</

31、p><p>　　DC/DC變換器拓?fù)浞倍?，在基本拓?fù)涞幕A(chǔ)上還可以組合形成新的拓?fù)?，鑒于每種拓?fù)涠加懈髯缘奶攸c(diǎn)，在不同的實(shí)驗(yàn)要求下應(yīng)科學(xué)的選擇拓?fù)洌韵率窃谶x擇拓?fù)鋾r(shí)應(yīng)主要考慮的因素：</p><p>　　拓?fù)涞膹?fù)雜程度。在實(shí)現(xiàn)同樣的實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇簡單，控制方便的拓?fù)?，可靠性要高?lt;/p><p>　　實(shí)現(xiàn)的難易程度。有的拓?fù)潆m然性能良好，但對器件的要求過高，

32、要實(shí)際的考慮是否能在市場上采購到等客觀因素。</p><p>　　成本。應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)水平來選擇合適的拓?fù)?，盡量將成本減到最低，通常情況下，雙向的比單向的成本高，隔離式的比非隔離式的成本高。</p><p>　　體積和重量。大多數(shù)情況下，采用變壓器的電路，變壓器所占的體積和重量都很大。 </p><p>　　綜合以上分析可見，雙向Buck-Boost電路和雙向Buck/

33、Boost電路為非隔離式DC/DC變換器的最基本的拓?fù)洌鄬Y(jié)構(gòu)簡單，且目前的技術(shù)發(fā)展都已成熟，但這兩者相比之下，后者基于Buck/Boost升降壓變換器的缺點(diǎn)是，輸入輸出電流為斷續(xù)且紋波很大，在器件選擇上需要選擇性能好、容量大的濾波電容，成本太大。</p><p>　　所以綜合考慮，選擇雙向Buck-Boost電路為本課題研究的拓?fù)洹?lt;/p><p><b>　　2.4 本章小

34、結(jié)</b></p><p>　　本章首先簡要介紹了單向DC/DC變換器的基本原理以及其按照輸入、輸出有無變壓器的分類（隔離式和非隔離式），對最基本的Buck、Boost變換器和典型的隔離式變換器進(jìn)行了詳細(xì)的分析，接著著重分析了雙向DC/DC變換器的拓?fù)洌瑯拥陌凑蛰斎?、輸出有無變壓器可分為隔離式和非隔離式兩類，其中非隔離式包括Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepic-Zeta；隔

35、離式包括正激、反激、推挽、半橋、全橋。之后主要對典型的Buck-Boost、Buck/Boost和雙向反激式變換器的拓?fù)溥M(jìn)行了系統(tǒng)的分析。最后綜合各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)考慮，選擇了雙向Buck-Boost電路為本課題研究的拓?fù)洹?lt;/p><p>　　第三章 雙向Buck-Boost的主電路分析及參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要對選定的雙向Buck-Boost主電路拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)的分析，了解具

36、體的工作方式，隨后根據(jù)任務(wù)書上的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.1 雙向Buck-Boost的主電路分析</p><p>　　3.1.1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作方式</p><p>　　雙向Buck-Boost的主電路如圖所示，電路圖中包括兩個(gè)開關(guān)管、兩個(gè)二極管、一個(gè)電感、兩個(gè)電容，兩個(gè)電源。其中兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，即Q1開通時(shí)Q2關(guān)斷，Q2開通

37、時(shí)Q1關(guān)斷。為了防止兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)通過合理設(shè)計(jì)電感L的大小，制造死區(qū)時(shí)間，即使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通，并避免二極管的反向恢復(fù)問題。</p><p>　　雙向Buck-Boost電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有三種工作方式：</p><p>　　Buck工作方式。即電感電流恒大于零，能量從V1到V2傳輸,Q1導(dǎo)通，Q2截止，電感電流增加，到t=ton，D2續(xù)流導(dǎo)通，Q1截止，Q2沒有電流通過；

38、</p><p>　　Boost工作方式。即電感電流恒小于零，能量從V2到V1傳輸，在ton~T期間，Q2導(dǎo)通，Q1截止，電感電流在V2作用下增加，在t=T時(shí)刻，Q2截止，Q1導(dǎo)通，但Q1沒有電流通過，D1續(xù)流導(dǎo)通；</p><p>　　交替工作方式。即電感電流有正有負(fù)，1）在t0到t1期間，Q1導(dǎo)通但不通過電流，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通，電流通過D1，期間iL為負(fù)值；2）在t1到ton期間，Q

39、1導(dǎo)通并通電流，iL為正值并逐漸增加；3）在ton到t2期間，Q2導(dǎo)通但不通過電流，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，電流通過D2續(xù)流，iL為正值并逐漸減?。?）在ton到T期間，Q2導(dǎo)通并通電流，iL為負(fù)值并逐漸增加。</p><p>　　3.1.2 交替工作方式具體分析</p><p>　　由交替工作方式下的電感電流圖可以看出，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流為正部分的面積等于電感電流為負(fù)部分的面積，這表明一

40、個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)且始終保持能量守恒。</p><p>　　當(dāng)，則表明能量是從V1向V2傳1輸；當(dāng),則表明能量是從V2向V1傳輸。</p><p>　　前面提到過Buck-Boost雙向直流變換器若兩側(cè)都有電源，則能量的流動(dòng)方向取決于兩電源電壓的大小和占空比的大小。下面就來驗(yàn)證這一結(jié)論：</p><p>　　當(dāng)能量從V1流向V2時(shí)，其跟電流連續(xù)時(shí)的B

41、uck電路一樣，有</p><p>　　式中，D1為Q1的占空比。</p><p>　　當(dāng)能量從V2流向V1時(shí)，其跟電流連續(xù)時(shí)的Boost電路一樣，有</p><p>　　式中，D2為Q2的占空比。</p><p>　　因兩開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，所以有，代入上式，即可得</p><p>　　比較可得，當(dāng)實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸時(shí)，能

42、量的流動(dòng)方向決定于兩電源電壓的大小和占空比的大小。</p><p>　　當(dāng)占空比保持不變時(shí)，若V1<V2，則能量從V2流向V1；若V1>V2，則能量從V1流向V2。</p><p>　　3.2 主電路開關(guān)管的選擇及其參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 主電路開關(guān)管的選擇</p><p>　　功率晶體管是可控的開關(guān)器件。當(dāng)控

43、制信號高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通，通過很大電流，但壓降很小，相當(dāng)于是開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制信號低電平時(shí)，晶體管截止，幾乎不通過電流，承受很大的電壓，相當(dāng)于是開關(guān)關(guān)斷。</p><p>　　功率晶體管分為兩大類：雙極型功率晶體管（電流控制型）和場控晶體管（電壓控制型），場控器件分為：MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）和MOS控制晶閘管（MCT）。在電路中采用哪類晶體管沒有很大的差別，主要是取決于晶體管

44、本身的參數(shù)、特性的限制以及成本等因素。下面就來分析各個(gè)器件的特點(diǎn)：</p><p>　　功率晶體管：開關(guān)頻率低、驅(qū)動(dòng)較為困難，市場上逐漸被IGBT和MOSFET所替代。</p><p>　　功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)：開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)方便，導(dǎo)通時(shí)阻抗高，因此在電流較大時(shí)的壓降較高，僅適用于小功率裝置。</p><p>　　絕緣柵晶體管（IGBT）：開關(guān)速度快、

45、損耗小，具有耐脈沖電流沖擊能力，輸入阻抗高，適用于低壓、高頻的大功率場合。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)擬采用MOSFET作為開關(guān)管，下面就是對MOSFET的詳細(xì)介紹：</p><p>　　MOSFET導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電，因而也稱為單極型晶體管，它是通過改變柵極電壓的大小來改變導(dǎo)電溝道的厚度，從而來控制漏極電流的。通常在制造時(shí)，將襯極和源極短接，并使EDS=0,。當(dāng)柵極電壓E

46、GS小于開啟電壓EHT時(shí)，不論電壓極性如何，兩個(gè)PN結(jié)中始終有一個(gè)是反向偏置的，漏極電流幾乎為零，此時(shí)MOSFET不導(dǎo)通；當(dāng)柵極電壓EGS大于開啟電壓EHT時(shí)，漏源極之間形成溝道，由于溝道的電阻小，故在漏源正電壓EDS作用下，電子從源極流向漏極，這就是MOSFET的正向?qū)щ娞匦浴?lt;/p><p>　　3.2.2 主電路的主要參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于雙向Buck-Boost變換器

47、互補(bǔ)工作，分別為BUCK和BOOST工作模態(tài)，理想情況下，管子承受的最大壓降及峰值電流均無異，分析主電路的拓?fù)?，由于主電路正常工作是在BUCK模式，因此，器件參數(shù)的選擇應(yīng)以BUCK為模型。</p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　輸入電壓：360~540V 輸出電壓：240V 輸出功率：12KW 開關(guān)頻率：20Khz 效率：

48、95%</p><p>　　由主要技術(shù)指標(biāo)可得：</p><p><b>　　儲能電感L的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)，當(dāng)晶體管Q導(dǎo)通時(shí)</p><p>　　當(dāng)負(fù)載電流減少到 時(shí)，，此時(shí)最小負(fù)載電流即為臨界連續(xù)電流</p><p><b>

49、;　　由公式</b></p><p><b>　　和公式，可得</b></p><p><b>　　即是</b></p><p><b>　　由，計(jì)算得</b></p><p><b>　　濾波電容C的設(shè)計(jì)</b></p><

50、;p>　　由以上分析 ，易推得電感電流的變換量為</p><p>　　實(shí)際上是電容電流的變化量和負(fù)載電流變化量之和。若設(shè)，即全部電感電流變化量等于電容電流的變化量，電容在時(shí)間間隔內(nèi)充電，電容充電的平均電流為</p><p>　　電容峰峰值紋波電壓：</p><p>　　式中，為開關(guān)頻率。由上式得到</p><p>　　其中，紋波電壓取4

51、%，輸出電壓為240V時(shí)，為9.6V</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　各參數(shù)定額</b></p><p><b>　　功率管電流定額</b></p><p><b>　　功率管電壓定額</b></p>&

52、lt;p><b>　　二極管電流平均值</b></p><p>　　4）二極管電流有效值</p><p><b>　　5）二極管承受電壓</b></p><p><b>　　6）周期</b></p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b>&l

53、t;/p><p>　　本章首先對Buck-Boost主電路進(jìn)行了分析介紹，分析了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作方式，并對交替工作方式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，其次對實(shí)驗(yàn)用的開關(guān)管進(jìn)行了選擇，選定MOSFET開關(guān)管作為主電路的開關(guān)管，確定了儲能電感L、濾波電容C的參數(shù)，以及根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算出了各參數(shù)定額。</p><p>　　第四章 雙向DC/DC變換器的控制研究</p><p&

54、gt;　　如何選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞剑驈膬蓚€(gè)大方面來考慮，是選擇電壓控制模式還是電流控制模式，是選擇模擬控制實(shí)現(xiàn)還是數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.1 雙向DC/DC變換器的控制方式</p><p>　　從設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方式來看，DC/DC變換器的控制技術(shù)主要分為電壓控制模式和電流控制模式。</p><p>　　電壓控制模式：電壓控制模式是開關(guān)電源技術(shù)中最基

55、本的一種控制方式，屬于單閉環(huán)反饋控制方式。</p><p>　　其原理是：變換器的輸出電壓經(jīng)分壓，與給定值Vref 相比較，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器將電壓誤差放大，生成控制信號，作用于脈寬調(diào)制電路，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)管脈沖信號，作為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號。脈沖寬度信號隨控制信號的改變而改變，從而改變輸出電壓，構(gòu)成單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　補(bǔ)傳遞函數(shù)</b>

56、;</p><p>　　電流控制模式：電流控制模式是開關(guān)電源技術(shù)中最常用的一種控制方式，因?yàn)槠漭^電壓控制型而言，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能很較好，而且電壓控制模式對電流沒有控制，因此無法對變換器進(jìn)行功率控制，也不利于變換器的并聯(lián)使用，其可移植性差?！?】屬于電壓電流雙閉環(huán)控制，分內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流負(fù)反饋環(huán)，外環(huán)為電壓負(fù)反饋環(huán)。</p><p>　　其原理是：變換器的輸出電壓經(jīng)分壓，與給定值Vr

57、ef相比較，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器將電壓誤差放大，從而生成電壓誤差放大信號作為內(nèi)環(huán)電流基準(zhǔn)，電流檢測信號與給定值之間的誤差，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器放大后，生成控制信號，作用于脈寬調(diào)制電路，形成占空比D可變的脈沖信號作用于開關(guān)管上。</p><p><b>　　補(bǔ)傳遞函數(shù)</b></p><p>　　4.2 雙向DC/DC變換器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　

58、　控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有模擬實(shí)現(xiàn)和數(shù)字實(shí)現(xiàn)兩種。</p><p>　　4.2.1 模擬控制的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　模擬控制技術(shù)：特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易觀測和調(diào)試、無量化誤差且價(jià)格低廉。PID調(diào)節(jié)器是模擬控制技術(shù)中常用的，例如電壓控制型和電流控制型中用到的電壓調(diào)節(jié)器，下面就來詳細(xì)介紹PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　PID調(diào)節(jié)器主要分為兩類：單極點(diǎn)-單零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和雙極

59、點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　單極點(diǎn)-單零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　其傳遞函數(shù)</b></p><p>　　該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：1）低頻段有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，且穩(wěn)態(tài)誤差為零，因此其直流增益高；</p><p>　　在控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的最低級點(diǎn)或是引入一個(gè)零點(diǎn)，來將這個(gè)極點(diǎn)所引起的相位補(bǔ)償，也就是說這個(gè)

60、零點(diǎn)抵消了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)自身積分環(huán)節(jié)所引起的相位滯后，使其在這一頻段內(nèi)變成了一個(gè)反相器，使相位增加90o。</p><p>　　該補(bǔ)償器的最后一個(gè)極點(diǎn)消除ESR電阻引起的零點(diǎn)。</p><p>　　雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　其傳遞函數(shù)</b></p><p>　　該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：1）直流處有一個(gè)極

61、點(diǎn)，且穩(wěn)態(tài)誤差為零；</p><p>　　有兩個(gè)零點(diǎn)，其相頻對數(shù)特性曲線可以提供180o的超前相位，如果將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的這兩個(gè)零點(diǎn)放在重極點(diǎn)的位置，因?yàn)橹貥O點(diǎn)可以引起180o的相位滯后，所以這兩個(gè)零點(diǎn)可以將其補(bǔ)償。綜上所述，這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以作為雙重極點(diǎn)控制對象的控制器；</p><p>　　該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)極點(diǎn)消除ESR電阻引起的零點(diǎn)，第二個(gè)極點(diǎn)用來在高頻段，幅頻特性下降斜率-40dB，具有

62、良好的干擾抑制作用，同時(shí)可以保證開環(huán)傳遞函數(shù)有一個(gè)較好的增益裕量和相位裕度；</p><p>　　4.2.2 數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　隨著現(xiàn)如今各類微處理器芯片的快速發(fā)展，芯片的工作速度、集成度以及運(yùn)算能力都有了很大的提高，并且成本也在下降，這就使得開關(guān)電源的控制得以通過微處理器芯片來實(shí)現(xiàn)，即數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　下面就來介紹數(shù)字控制的

63、優(yōu)缺點(diǎn)：</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：（1）可以實(shí)現(xiàn)一些用模擬控制方式很難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜電路的控制；</p><p>　　可以很大程度的改善由于模擬器件的老化及溫度漂移所引起的控制性能變差的問題；</p><p>　　控制方法或參數(shù)易于修改、周期短；</p><p>　　控制算法通過軟件來實(shí)現(xiàn)，可以避免模擬器件參數(shù)離散而引起的控制特性不一致。<

64、;/p><p>　　缺點(diǎn)：（1）微處理器芯片的工作頻率和運(yùn)算能力會受到控制算法的運(yùn)算速度的牽制；</p><p>　　對于小功率的電源模塊而言，微處理器芯片的集成度還不算很高</p><p>　　綜上所述，雖然數(shù)字控制技術(shù)現(xiàn)在還不是很成熟，但隨著微處理器芯片技術(shù)的進(jìn)步和控制算法的改進(jìn)，數(shù)字控制將逐漸代替模擬控制方式。</p><p><b&

65、gt;　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了電壓控制方式和電流控制方式，通過比較，選擇更適合于本實(shí)驗(yàn)的電壓型控制方式，接著介紹了模擬控制方式和數(shù)字控制方式，選擇模擬控制來實(shí)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)的控制。</p><p>　　第五章 雙向DC/DC變換器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　5.1 雙向DC/DC變換器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)<

66、/p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)框圖</b></p><p>　　雙向Buck-Boost主電路輸出經(jīng)過分壓，將電壓信號傳給PID控制器進(jìn)入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，根據(jù)給定的參考電壓進(jìn)行電壓補(bǔ)償，再經(jīng)過脈寬調(diào)制器輸出互補(bǔ)的脈沖電壓提供兩個(gè)開關(guān)管Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　5.2 雙向DC/DC變換器系統(tǒng)閉環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)</p>&l

67、t;p>　　5.2.1 分壓環(huán)節(jié)</p><p><b>　　圖</b></p><p><b>　　補(bǔ)齊原理</b></p><p>　　5.2.2 補(bǔ)償環(huán)節(jié)（PID控制器）完善計(jì)算</p><p>　　經(jīng)過上一章的分析研究，準(zhǔn)備采用第一類單極點(diǎn)-單零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，下面計(jì)算出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)的

68、選擇：</p><p>　　選定R1，通常選擇2~5</p><p>　　根據(jù)中頻增益的大小來調(diào)節(jié)帶寬，確定R2為</p><p>　　根據(jù)LC的重極點(diǎn)位置來確定C2</p><p>　　確定抑制高頻極點(diǎn)所擺放零點(diǎn)C1的大小，將零點(diǎn)放在位置</p><p>　　由此可確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：????</p>

69、<p>　　5.2.3 脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)</p><p>　　該系統(tǒng)的脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)擬采用SG3525芯片來實(shí)現(xiàn)，下面主要介紹芯片SG3525。</p><p><b>　　芯片各管腳功能：</b></p><p>　　SG3525基本外圍接線與能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能</p><p>　　頻率可調(diào)，通過改變CT和RT的