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文档简介

中图分类号:TM46 论文编号:10006SY1207144夕t京航玄航天大學工#碛士#像讼夂高效大功率DC-DC变换器的#f(:控制与实现作者姓名冯伟 学科专业材料加工工程 指导教师齐铂金教授培养院系机械工程及自动化学院A Study on High Power DC/DC Converter andImplementation Based on Digital ControllerA Dissertation Submitted for the Degree of MasterFeng WeiProf. Qi BojinSchool of Mechanical Engineering & AutomationBeihang University,Beijing, China中图分类号:TM46 论文编号:10006SY1207144硕士学位论文高效大功率DC-DC变换器的数字化控制与实现作 者 姓 名 冯 伟 申 请 学 位 级 别 工 学 硕 士指 导 教 师 姓 名 齐 钔 金 职 称 教 授学 科 专 业 材 料 加 工 工 程 研 宂 方 向 新 型 电 源 技 术 及 应 用学 习 时 间 自 年 月 曰 起 至 年 月 日 止论 文 提 交 U期 年 月 H 论 文 答 辩 H期 年 月 曰学 位 授 予 单 位 学 位 授 予 日 期 年 月 曰关于学位论文的独创性声明本 人郑 重声 明; 所呈 交的 论文 是本 人在 指导 教师 指导 下独 立进 行研 宂工 作所 取得 的 成 果, 论文 中有 关资 料和 数据 是实 事求 是的 。尽 我所 知, 除文 中己 经加 以标 注和 致谢 外, 本 论文 不包 含其 它人 已经 发表 或撰 写的 研究 成果 ,也 不包 含本 人或 他人 为获 得北 京航 空 航 天大 学或 其它 教育 机构 的学 位或 学历 证书 而使 用过 的材 料。 与我 一同 工作 的同 志对 研 究 所做 的任 何贡 献均 己在 论文 中作 出了 明确 的说 明。若 有不 实之 处, 本人 愿意 承担 相关 法律 责任 。学位论文作者签名: _ U期 : 年 月 日位论文使用授权书本人完全同意学有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版 和电子版),使用方于:保留学位论文,按规定向国家有关部门(机 构 )送 交学 位论 文, 以学 术交 流为 H的 赠送 和交 换学 位论 文, 允许 学位 论文 被查 阅、 借 阅和 复印 ,将 学位 论文 的全 部或 部分 内容 编入 有关 数据 库进 行检 索, 采用 影印 、 缩 印或 其它 复制 手段 保存 学位 论文 。保 密学 位论 文在 解密 后的 使用 授权 同上 。学 位论 文作 者签 名: _ 日 期 : 年 月 日指 导教 师签 名: _ 日 期 : 年 月 日北 京航 空航 天人 学硕 士学 位论 文摘要近 年来 ,燃 料电 池、 光伏 电池 在诸 如电 动汽 车、 高空 飞行 器等 领域 的应 用研 宂较 为 广 泛, 其动 力系 统均 需匹 配数 十kW至 上百 kW的大 功率 DC-DC变 换器 ,实 现能 量的 传 递和 控制 的同 时, 可弥 补燃 料电 池及 光伏 电池 等输 出特 性偏 软、 动态 响应 较慢 等不 足。 基 于北 京燃 料电 池客 车G01项 目动 力系 统用 大功 率升 压DC-DC变 换器 及其 数字 化控 制 的 研究 与实 现, 论文 从主 电路 拓扑 、电 路模 型与 控制 策略 以及 性能 测试 等方 面对 基于 数 字 化控 制的 燃料 电池 客车 (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)动力 系统 用大 功率 Boost DC-DC变 换器 进行 了系 统深 入的 研究 。在 主电 路拓 扑中 ,针 对常 规DC-DC变 换器 大电 流和 高电 压工 作环 境下 的安 全换 流 问 题, 设计 了一 套具 备柔 性换 流特 性的 主功 率电 路拓 扑一一基 于典 型Boost电 路拓 扑, 通 过增 加少 MR、 L、 C、 D器 件, 使主 功率 开关 器件 在开 关过 程的 瞬态 ,交 替流 过输 入 电 流, 达到 了柔 性换 流的 效果 ,有 效降 低了 主功 率器 件的 W出 、di/dt, 提高 了变 换器 的 安 全性 与可 靠性 等, 试验 测试 证明 变换 效率 也得 到了 提高 。基 于Boost DC-DC柔 性换 流电 路的 设计 ,针 对北 京燃 料电 池客 车G01项 H动 力系 统 用50kW升压 DC-DC变 换器 的实 际应 用要 求, 分别 讨论 了主 功率 电路 屮各 器件 的选 型 并对 相应 参数 进行 计算 路模 型与 控制 策略 分析 过程 屮, 利用 状态 空间 平均 法建下 的开 环小 信号 模型 和FCEV动力 系统 构型基 于DC-DC变 换器 数字 化控 制的 特点 ,比 较分 析了 增量 式PID、 非线 性PID等 数 字 控制 策略 ,设 计了 两种 基于 经典 PID控制 的数 字化 控制 算法 ,借 助Matlab/Simulink 仿 真工 具, 建立 系统 的仿 真模 型, 对控 制策 略的 稳定 性和 动态 特性 进行 了仿 真分 析; 同 时 ,在 仿真 分析 过程 中对 PID参数 进行 了整 定。 基于 Freescale S12XEP100数字 控制 芯 片 及EPM7128可 编程 逻辑 控制 器件 ,完 成了 大功 率Boast DC-DC变 换器 的控 制系 统整 体 设计 和实 现。 设计 并搭 建了 测试 平台 ,对 大功 率Boost DC-DC变 换器 的动 静态 特性 、 工 作可 靠性 、变 换效 率等 指标 进行 了测 试和 分析 。关 键词 :燃 料电 池客 车, DC-DC变 换器 ,数 字化 控制摘 要AbstractThe industry investigation reveals that currently FC and SC have been extensively applied in such fields as electric vehicles and high-altitude aircrafts These power systems must match high-power DC-DC converters ranging from tens of kW to hundreds of kW. High-power DC-DC converters raise higher requirements for the main circuit topology design and the security of main power devices. In high-power supply system, the issues which are trivial for low power supply system should be given enough consideration,such as the turn-off voltage spikes and current spikes due to diode reverse recovery. Otherwise,it will endanger the safety of the device and generate serious electromagnetic interference (EMI). In this paper,a systematic analysis is presented of the key technologies to solve above problems in terms of the main circuit topology design and optimization, selection of control strategy and circuit implementation.Considering the power switches changing current failure, high du/dt, di/dt in high voltage and current stage,the boost Soft Changing Current (SCC) topologies are presented inthe section of the mainin cirp:神 topQlogy,the boost SCC topologies are also designed, based on the passive resonance techniquThe circuit analysis,simulation and experimental results are also given. In the section of the circuit model and control strategy,the static and dynamic low frequency small signal model of DC/DC converters are established, through the state space averaged method. The system transfer function is established on the basis of the model. An output & input characteristic auto-switch method which adapts to different external characteristic requirements is presented, and its implement methods,coupled with theoretical analysis and simulation results are given. The control systems stability, static and dynamic characteristics, and the influence of system parameters on the system performance are fully analyzed.Digital Pulse Width Modulation: Compared with Analog Pulse Width Modulation of DC-DC Converter,Digital Pulse Width Modulation is stable and strongly immune from interference. Based on DPWM principle and the theory of Limit Cycle,the DPWM resolutionII北 京航 空航 天人 学硕 士学 位论 文range of MCU is calculated and its influence on sample accuracy is analysed.Protection and drive design for Digital Controllers: In order to improve the reliability of Digital Controller of DC-DC Converter,a kind of system protection circuit based on EPM7128 is designed. It can protect system from input voltage down based on comparison and power-on shock based on delay,and check and calibrate protection value in digital way. For commonly-used high-power DC-DC converter,a kind of IGBT drive circuit based on IXDN404SI is designed and its drive waveforms are analysed.Key words: FCEV, DC-DC Converter,Digital ControllerIII目录m .I .IVm-M 躲 .11.1研究 背景 及意 义 .11.1.1 DC-DC变 换器 及其 应用 .11.1.2选 题意 义 .31.2国内 外研 宄现 状 .51.2.1主 电路 拓扑 结构 研究 现状 .51.2.2控 制技 术研 究现 状 .61.3论文 主要 研究 内容 .9第 二章 大功 率Boost DC-DC变 换器 的主 电路 拓扑 .112.1 FCEV用 DC-DC变 换器 主功 率电 路拓 扑选 型 .112.1.1典 型Boost功 率电 路分 析 .2.1.2需 要解 决的 关键 .2.2基于 Boost电路扑设计2.2.1电路拓扑工1 2.2.2实 际主 功率 电路 抚Lfh及食 验结 果2.3主要 功率 器件 选型 及参 数计 算 .2.3.1主 功率 开关 器件 的设 计选 型 .2.3.2储 能电 感和 滤波 电容 的参 数计 算 2.4木章 小结 .1112131313151516 18三主电 路建 模及 控制 策略 分析 . .193.1系统 稳态 及动 态等 效电 路模 型 .193.1.1 Boost型 变 换 器 CCM模 式 时 的 状 态 空 间 平

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