（电机与电器专业论文）基于dsp的电动汽车用dcdc变换器的研究与开发.pdf

h 济人学顾l 学位沦文 肇_ d s p 的电动汽车用d c d c 变换器的研究，丌艇 a b s t r a c t t h i sp a p e r m a i n l yp r e s e n t st h er e s e a m ho fd c d cc o n v e r t e ra p p l i e di n f u e lc e l le l e c t r i c a lv e h i c l e ( f c e v ) ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed c d c c o n v e r ti sb a s e do nd s p a c c o r d i n g t ot h e s p e c i a l i t yo ff u e lc e l l ( f c ) a n d t h ev e h i c l e sd e m a n d i n g f o rs m a l l e r v o l u m e ，l e s sw e i g h ta n dh i g h e re f f i c i e n c y ，t h i sp a p e rc h o o s e st w o k i n d so fu n i s o l a t e db u c kt o p o l o g y t h e nt h ep r i n c i p l ea n d s p e c i a l i t yo ft h e b u c kc o n v e r t e ri si n t r o d u c e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h ef i l t e ro ft h et w ok i n d s o f t o p o l o g y a r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e d o n t h i s b a s e ，t h e b u c k t h r e e l e v e lt o p o l o g yi sc h o s e na st h em a i nc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ev e h i c l e ，i nt h ep a p e rt h em e t h o do f t h ep i dc o n t r o l 、t h es a m p l e s t r a t e g y 、t h ed i g i t a lp w m 、t h e d r i v e ro fi g b ta n d c a nc o m m u n i c a t i o na r er e s e a r c h e di nd e t a i l o nt h i s b a s et h ec o n t r o l s y s t e mi sv i r t u a l l yf i n i s h e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e o fc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o l 、 c a nc o m m u n i c a t i o na n da p a r to fp r o t e c t i o na r er e a l i z e d a tt h es a m e t i m e ，t o f a c i l i t a t et h e t e s t ，i n t h e p a p e r t h es c i c o m m u n i c a t i o ni sr e s e a m h e dt o r e a l i z et h e p e r f o r m a n c e o fr e a l t i m e s u p e r v i s i o na n dd e f a u l td i a g n o s eo ft h ed c d cc o n v e r t e r l a s t ，t h ep r o t e c t i o n sa n dt h em e t h o d st oe n h a n c et h ei m m u n i t yt oe m i a r ep o i n t e do u tt oi n s u r et h et o t a ls y s t e mt ow o r k s t a b l ye v e nu n d e r t h ew o r s e e l e c t r o m a g n e t i cs i t u a t i o n k e y w o r d s d c d cc o n v e r t e r 、c a nf i e l db u s 、f a u l t d i a g n o s e 、d i g i t a lf i l t e r o 照j d s p 的l 乜动汽卞f 】d c d c ，竖换器的研究tj 丌发 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成硕士学位论文“基王旦s 的虫动汽奎旦旦鲤变 逸釜幽监究刍珏基”。除论文中已经注明应用的内容外，对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：辊2 、挈 伊口；年f 月，日 川济大学硕：l 学位论文罄ji ) s p 的 乜动汽下用d c d c ，燕换器的研究j 开发 1 绪论 1 1 传统汽车业的发展引发的能源环境危机。1 1 2 1 传统的汽车主要以汽油为燃料，汽油燃烧不充分，会排出大量有害尾气，造 成严重的空气污染。资料表明，大气污染的4 0 6 0 来自燃浊汽车的废气排 放。在汽车拥有量最集中的欧美国家中，空气污染的6 0 来自汽车的尾气排放。 按照我国的汽车拥有量二_ 百万辆计算，每年向大气排放一氧化碳1 2 5 1 0 7 吨， 碳氧化合物和氮氧化合物约1 2 5 1 0 8 吨，占城市大7 t 污染的6 0 以上。根据北 京市测算，在采暖期，北京市大气c r 碳氢化合物的7 3 5 、氧化碳的6 3 4 和氮氧化合物的4 6 来自汽车尾气排放。在非采暖期汽车尾气的污染所占的比 例更高。而且汽车尾气排放的位簧低，对低空的环境污染更严重。汽车排放的这 螳有害物质不仅污染环境，而且大多对人体健康有严重的危害。一氧化碳足汽车 尾气中浓度最高的，当空气中的一氧化碳的含量超过一定程度以上时，人们接触 数小时以后，就会产生头昏、恶心、疲劳等症状，严重时还可能窒息死亡，人体 吸入汽车尾气中的碳氢化合物后就会出现贫缸、神经衰弱等症状。而且一些碳氢 化合物和氮氧化合物在阳光照射一卜会发生光化学反应，形成危险的光化学烟雾。 汽年中的四乙基铅燃烧后碓r 的铅化物微粒受碳微粒扩散到空气中，对人体的健 康十分有害。当人体血液中的铅含量积累到定程度时，将使心、肺等器官发生 病变。由此可见汽车尾。c 的排放是环境污染的重要来源。 另一方面，汽车工业迅速发展，汽车年产量逐年增加，同前全球汽车年产量 达5 5 百万辆。f f 益增多的汽车加剧了大气环境的恶化与交通拥挤情况的同时， 也增大了对石油资源的需求量，使石油资源更为短缺。伞世界已经探明的石油储 备量约为1 3 5 1 0 “吨，年开采量约为3 1 0 9 吨。1 9 9 6 年世界石油组织预测， 世界石油资源将在j 0 年后枯竭。我国的石油资源仅能开采3 0 多年。而汽车对汽 油、柴油的消耗占了最大比例。就我国而占，汽车消耗的燃油占全国汽油消耗量 的9 0 以上，柴油占2 j 以卜。用其它能源来代替汽油作汽车的动力已经迫住 眉睫。 叫济人学硕士学位论文 是于d s p 的电动汽乍用d c d c 变换器的研究o 开发 1 2 电动汽车发展概述2 4 1 1 5 1 电动汽车起源于十九世纪中后期的欧洲，从1 8 7 3 年英国人首次在马车幕础 卜制造出世界上第一辆电动三轮车开始n - - 十世纪初，电动汽车经力了一个较为 快速的发展历程。 进入二十世纪，出于油田的大量发现，石油开采提炼和内燃机技术的迅速进 步，而电动汽牟则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽 车竞争，因而逐步被燃油汽车所取代。 二十世纪中后期，由丁汽车尾气对人气的污染和人体健康的危害，同时由于 石油储量有限，电动汽车的发展重新受到人们的重视。 上个世纪九f 年代，随着燃料电池技术的发展，电动汽车迎来了一个新的发 展阶段。燃料电池将化学能直接转化为电能作为汽车动力，并把氢气和氧气转化 为水，其效率为热机效率的2 3 倍。随着燃料电池关键技术的突破，从性能、 效率、重量、成奉等多方面都趋于满足车载能源的要求，使得燃料电池汽车成为 电动汽车发展的“热点”。 我国是发展中围家，人l j 众多，劳动力成本较下业发达国家低许多，发展汽 车【：业有广阔的幽内市场和极大的国际市场竞争力，是符合我因圜情的。根据我 国人1 2 1 多、能源储备少的国情，汽车行业把目光投向电动汽车业。考虑到我国的 电动汽车技术，特别是燃树电池电动汽车投术起步相对不晚，所以在我国发展电 动汽车技术，可以更好的抢占汽车工业的市场份额，促进国民经济的进一步发展。 1 3 燃料电池特性介绍“1 燃料电池是将化学反应的化学能直接转化为电能的装置。单个燃料电池由阳 极、阴极和电解质构成，然后通过若干个单个燃料电池串、并联丰勾成燃料电池组 输出相应电流、电压和功率。燃料电池中，在阳极上连续吹充氯气燃料，而阴极 卜m 0 连续吹充氧气，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。冈而燃 料电池是电化学能量发生器，是以化学发电，从理论来讲，只要向其不断供给燃 料及氧化剂就可以连续不断的发电。 燃料电池不存在能量限制和白放电等问题，且燃料电池操作温度低，启动时 阳j 短，以及高效的转换效率和很好的叮靠性，因此燃料电池电动汽车优越于其它 川济人学硕i ：学位论文 基十d s p 的电动汽车朋d c d c 变抉器的研兜与开发 汽车。因而作为电动汽车的车载能源，具有不可比拟的优点和发展前景。 然而燃料电池作为车载能源具有个缺点，即输出电压电流特性偏软。这是 凶为一旦输出电流突变，电极上的电荷会产牛相应突变。另外，产生电能的化学 反应还和压力、温度、反应气体组成及利用率、杂质等外界因素有较大天系。因 此其输出特性较软，目在干扰卜不稳定。 在燃料电池电动汽车中，需要在燃料电池。j 逆变器之问增加一个d c d c 变换 器。通过d c d c 变换器的电压转换和稳压作用，使燃料电池能够与逆变器配合工 作。对于d c d c 变换器提出了精确和快速的控制要求。 1 4 本课题的主要研究内容及关键技术 以d s p 为控制核心，选取合适的控制方法及主电路，使得d c d c 变换器具有 快速性、强抗干扰性，控制功能达到整车大纲的要求。 经过一年多的学习和工作，实现了d c d c 变换器的基本功能，由于时间关 系和个人经验精力有限，只完成y d , 功率d c d c 的研究平台，距离实际应用还 有很大差距，还需要大量的试验来优化和完善。 本章参考文献： 11 阿布罩提- 阿布都拉燃料电池汽车的现状及开发动向电工电能新技术， 2 0 0 1 3 2 廖抒华汽车技术开发与环境保护汽车研究卜j 丌发，1 9 9 9 2 ( 4 ) 3 臻宣= ，龚绍文高功率电了学科学出版社，1 9 9 3 5 1 4 肖云魁等2 1 世纪电动汽车兵器j 业出版社，1 9 9 9 1 l 5 陈清泉2 l 世纪的绿色交通工具一电动牟清华大学出版社，2 0 0 0 1 0 1 济人学坝十学位 _ ：义毕j d s p 的电动汽下用d c d c 变换器的研究+ i 开发 2d c d c 变换器概述 2 1 f c e v 的工作特点及对d c d c 变换器的要求 幽2 1 为燃料电池输出电流一电压特性曲线，图22 为理想和实际电动 势与电流密度的关系。从图中可以看出，在燃料屯池输出功率的起始阶段，输出 屯r f i u f c 下降较陕，随着输h 电流i f c 的增大，输m 电压下降，下降斜率比普通电 池大得多，因此燃料电池的输出特性相对较软。 图2 3 为f c e v 能量流动简图。燃料电池( f c ) 为车载电源，萸输出经 d c d c 变换器后输出到d c a c 逆变器，由d c a c 逆变器驱动交流电机m 。f c e v 必须采用d c d c 变换器，其原因为： u 。牟 i 一，。 。l 1 疃l 囊癣爱? i - m 1 图2 一l 燃料电池电压一电流特性 图2 - - 2 理想和实际电动势与电流密度的天系 区画堕 叵叵耍卜1 亘因1 9 图2 3f c e v 能量流动简 ( 1 ) f c 特性软，由图2 1 可知，存燃料电池的【。作过程中，随着负载的 变化，燃料电池的输出电压波动范围也较大，必须经过d c d c 变换器改善电池 的软输出特性。绎过d c d c 变换器不仅町使f c 的输出电压稳定，且通过d c d c 变换器升压或降压，可以满足d c a c 的电压等级配合要求。 ( 2 ) f c 不能承受能量回馈，在巾间环节使用d c d c 变换器可以满足f c e v 这方面的特性要求。 d c d c 变换器的使用可以极犬地改善燃料电池和整车的电气动力性能。 h 济大学硕一 学位论史毕卜d s p 的电动汽4 - 1 】d c d c 变换器的研究- j 开艇 d c d c 变换器除了要适应f c e v 的 作方式和动力性能外，受到空间和能源的 限制，对主电路提出了较高要求： ( 1 ) 体积小f c e v 本身车体小，d c d c 变换器存整车中的安装空间十 分有限，这就要求它具有很大的功率密度： ( 2 ) 重量轻重量对燃料电池电动汽车尤其是轿车的性能指标起着笑键的 作用： ( 3 ) 效率高f c e v 的输出功率受到整车体积的限制，j i 可能设计的很宽 裕，因此d c d c 变换器必须具有很高的转换效率，以提高能源利用效率。 2 2d 彰d c 变换器的主要性能指标 1 实行恒流控制，额定工作电流1 8 0 a ，额定功率5 5 k w ； 2 转换效率9 5 以上： 3 采用c a n 总线通信，符合燃料电池车整车通信协议； 4 。输入电压范围为3 2 0 v 4 8 0 v ，额定功率时输出电压在3 1 2 v 左右： j 保护措施： 依照整车组协议规定，在燃料电池电动汽车用d c d c 变换器的控制系统巾应 包括以下六种保护措施： ( 1 ) i g b t 过流保护。i g b t 作句功率开关器件，在过流情况下工作会对器件本 身造成损害，因此在控制系统中要对 g b t 进行过流监控。当流过c e 两极的电流 超过i g b t 的电流极限阈值时，控制电路动作，封锁i g b t 驱动脉冲。同时c a n 控制器要发送故障状态帧和错误状态代码至v m s 及故障诊断单元。 ( 2 ) 输入欠压保护。在输入电压低于1 8 0 伏时，禁i 卜i g b tt 作，即封锁i f ，b t 驱动脉冲。同时经c a n 总线发送故障状态帧和错误状态代码至v m s 及故障诊断单 元。 ( 3 ) 输出恒压保护。为确保d c d c 变换器负载能够l 常工作，要求控制器存 d c i ) c 变换器的输出电压高于3 6 0 伏时能维持输出电压为3 6 0 伏不变。 ( 4 ) 输出过流保护。当d c d c 变换器的输出电流高于2 1 6 安培时，要求控制 器经c a n 总线发出故障状态帧；当输出电流达到2 2 7 安培时，要求控制器在一秒 后自动关闭d c d c 变换器主电路。同时发送故障状态帧和错误状态代石屿至v m s r d 济人学硕上学位论文 耩】d s p 的电动汽7 f 用d c d c 坐换器的研究与开发 及故障诊断单，i 。 ( 5 ) 温度保护。当d c d c 变换器的水冷系统的进水口温度超过8 8 。c 时，要求 控制器自动关闭d c d c 变换器主电路，同时发送故障状态帧和错误状态代码至 v 舔及故障诊断单元。 ( 6 ) 给定超出范围错误。由于d c d c 变换器是基于c a n 总线控制，控制系统 的电流给定由v m s 通过c a n 总线给出，因此对于d c d c 变换器的控制器，要求有 判断给定范围的能力。当给定超出规定范围时，控制器要通过c a n 控制器发送错 误状态代码至v m s 。 本章参考文献： 1 李瑛，王林山燃料电池。北京：冶金工业出版社，2 0 0 0 【2 】肖云魁等2 1 世纪电动汽车兵器工业出版社，1 9 9 9 1 l 3 阿布里提r 阿布都拉燃料电池汽车的现状及开发动向电工电能新技术， 2 0 0 1 3 f 4 孙力中国电动汽车研究与丹发。北京理工大学出版辛 ：，2 0 0 2 3 h 济大学颔i 学位论文基卜d s p 的 乜动汽午用d c d c 变换器的研究开发 3d c d c 变换器主电路方案的研究 针对f c e v 的d c d c 变换器的功率、效率、重量、尺寸、体积的要求，隔 离式d c d c 变换器主电路方案难以满足f c e v 的各项指标要求。因此本章主要 从非隔离式主电路出发，分析辛电路的拓扑结构并选择一种实用电路。 根据f c e v 对d c d c 变换器的外接口要求u 丁知，额定情况下输出1 8 0 a 恒 流，额定功率5 5 k w ，冈此额定情况下，输出电压在3 1 2 v 左右，要想把燃料电 池的输m 电压从3 2 0 v 一4 8 0 v 变换到3 1 2 v ，必须采用具有降压功能的d c m c 变 换器。本文主要分析b u c k 电路和b u c k 三电平变换器电路。 3 1b u c k 电路分析研究 3 1 1b u c k 变换器拓扑结构 ? k j ： 、 图3 一lb u c k 变换器拓扑 _ _ l 作过程：在t = l o n ，t 开通，有图所示的电流i 。= i ，流过电感线圈l ，在 电感线圈末饱和前，电流线性增加，在负载r 上流过电流l o ，两端输出电压v o ， 当i s l o 时，电容在充电状态。这时二极管d 1 承受反向电压；经时间d 。瓦后 ( d 1 2 i t o ，。为s 在a 位时间，瓦是周期) ，当丌关s 在b 位时，如图3 一l ( b ) 所示，由于线圈l 中的磁场将改变线圈【两端的电压极性，以保持其电流i 。不变。 负载r 两端电压仍是上正下负。在is o ，开关打开时，i s o ，故is 是脉动的，但 输出电流i o 在l 、d 。、c 作用下却是连续平稳的。 3 ，1 2 工作原理 降压型电路的结构如图3 - 2 所示。 i ) ( a ) 开关管z 1 导通( b ) 开关管z 1 断歼 图3 - 2 降压型b u c k 变换器工作过程 该电路有两种工作模式：电感电流连续模式c c m ( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) 和电感电流断续模式d c m ( d i s c o n t i n u o u s c u r r e n t m o d e ) 。假定所用电力电子器 件理想，在一个开关周期中，输入电压v i 。保持不变：输出滤波电容电压，即输 出电压v o 有很少的纹波，但可认为基本保持不变，其值为v o ：电感和电容均为 无损耗的理想储能元件；不计线路阻抗。两韩模式下的电路备点波形如图3 - 3 所 乃。 1 电感电流连续t 作模式： t 。t 。时段：丌关管s 于气时刻开通并保持通态直到t 。时刻，在这一阶段， 由于u ，) u 。，故电感l 的电流不断增长。 二极管d 处于断态。设闭合时间 t o 。= f = d 。五，d i 为接通时间占空比，则电感电流平均值，= ，。= 百v o ，电感电流 线性卜升增量为 虬，= j ：1 毕= 半卜半艰 。刊 、； i r ；、 m 济大学硕上学位论文基十d s p 的电动汽下用d c d c 变换器的研艽! o 扦发 f ， t ” 一 一 一r r ， f f l - l ， 7 。 ，w 一 f m 一 一 - r r u ? 一u 。 l ， 7 一 l f 7 1 1 u 浼连续使j 卜u 搏波彤断j 、型1 毡婵也谶鲰蛾l 乱时i 对拔彤 图33b u c k 变换器工作波形图 ：时段，丌关管s 于f ，时刻关断，二极管d 导通，电感通过d 续流，电 感电流不断减小，直到f ，时刻开关管z 1 再次开通，f 一个丌关周期丌始。设关 断时见锄= ：一t 。d 2 t s ，d ：为断开时问占空比，审感电流增量为， m ：= 2 挚= 一挚卜旦l 。t ( 3 ：) 由于稳态时这两个电流变化量相等，即a i 。= a i t 。，所以 v 丁- v od t = v 工od ：t = 1 - d , ) l 整理得= kd 1 ( 3 3 ) 式( 3 - - 3 ) 表明，输出电压k 随占空比d 。而变化，由于d 1 ，。 考虑到式( 3 - - 2 ) 和式( 3 - - 6 ) ，临界状态时；t = 鲁。瓦；姿 由此可知临界电感为：k = 了d z r t = 熹( 1 d j ) ( 3 - - 1 0 ) 临界条件即为：l c = 丁d 2 r 弓= 警( 1 一q ) ( 3 - - 1 1 ) 在一定的输入功率f ，如变换器工作在不连续状态，r 作模型时，输入电流 的最大幅值是很大的，这意味着变换器的功率j f 关管和续流二极管必须具有较高 的峰值电压和电流。由丁这个和其他重要的原因，在高功率应用中，变换器应避 免不连续r ：作状态。在实际设计过程中，选择电感和电容时，要综合考虑其重量、 ，t 寸及成本等因素。从改善动态特性看，可选择小电感量，大申容佰。 3 2 b u c k 三电平电路 前面所述变换器l p 开关管在j 1 通、关断所受电压应力较大，为了降低电压应 力，提出三电平变换器( 简称b u c k3 l ) 。三电平电路可选用低价值开关管，可 以减少滤波器元件的尺寸，适合应用在中曲率变换器h 3 2 1 b u c k 三电平电路与工作原理 b u c k 三电平电路拓扑结构如图3 5 ，比基本型电路多了c l 、c 2 、t r 2 和d 2 元件。 t t 2b 图3 5b u c k 三电平变换器电路 当t r ，、t r 2 两管占空比d 大于0 5 时，上作在三电甲处，t 作波形如图3 - - 6 川济人学硕卜学位论叟基j d s p 的电动汽7 f 用d c d c 变换器的研究与开发 其工作原理如下： ( 1 ) t o t 1 时段，t r l 、l 2 同时导通，i i 电流线性增加： i 。= i ( t o ) + t 1 ( i - v o ( 卜。) ( 2 ) t 。t ：时段，t r 2 关断，承受皂电压应力，t n 、d 2 导通，i 。电流线性减小： h “，+ 毕j ( 3 ) t 2 - t 3 时段，t r l 、t ，2 同时导通，i i 电流线性增加： i l = i ( t o ) + v s l - v o ( 、t - t o ) ( 4 ) t 3 t 4 时段，t 。关断，承受皂电压应力，t d l 导通，i l 电流线性减 扎叫柚+ 挚。 仿照b u c k 变换器分析方法可得到下列各式： v o = v s 。d f ，；( v s - v o ) ( 2 d - 1 ) * t a 。 2 l i l m a x = i o + ( v s - v o ) 五( 2 d - 一1 ) t y = i o 一( v s - v o ) 瓦( 2 d - 一i ) t 5 , 当t r l 、t r 2 两管占空比d 小于0 5 时，工作存两电平处，工作波形如图3 - - 7 h 济人学顾十学位论曼 基十d s p 的 u 动汽午用d c f d c 变换器的研究j f 发 企1 。广 1 厂1 j 金、= 竺、乏j - 卜 r hr 蜀n厂 1 一kr l l l 7 门 八， 卜、 、卜 。卜f r 一t 叫 3 - - 6b u c k3 l 夏换器电路各点工作波形3 7b u c k 3 l 电路工作在2 l 的波形 其1 二作原理如下： ( 1 ) t o t i 时段，t ，1 和d 2 导通，i l 电流线性增加： 箩一嵫 l - i 咖兰广( t - - t o ) 此时不导通的d ，及t ，：只承受姿电压应力。 ( 2 ) h t z 时段，t r l 笑断，t r 2 还不导通，在l 的作用下，d 。、d 2 导通形 成续流回路，v a b = o ，t t 。、t r ：各承受皂电压应力， i 。电流线性减小： 弘地卜警”u ( 3 ) t z t 3 时段，t r 2 和d 1 导通，i l 电流线性增加： 麓一 i l 。m ) + 气_ o ) 此时不导通的d ：及t n 只承受姿电压应力。 ( 4 ) t 3 一t 4 时段，t r 2 关断。t t l 还不导通，在l 的作用下，d 1 、d 2 导通形 成续流【旦】路，v a a = o ，t r l 、t 。各承受姿电压应力，i l 电流线性减小： 目济大学硕士学位论文筚于d s p 的电动汽车用d c d c 变换器的研究j 开发 叫0 1 ) 一鲁”啪 仿照b u c k 变换器分析方法町得到下列各式： v o = v s + d 出，：坠二塾望：圣 “ 2 上 f = ，。+ 一( v , - 2 4 v o ) o r , 屯。i o 一( v s - 2 石v o ) d t s 3 2 2 滤波器设计 1 电感器l 设计电感器的电感值应能保、证最小f 作电流i 。m l n 下，变换器币处丁( 或大于) 电感电流临界连续的状态，即 o m i n i 。： 3 l 时 i c - 3 t = 等( 1 - d ) ( 2 d _ 1 ) ( 3 - - 1 2 ) 2 l 时 。：- 等d o 2 d ) ( 3 - - 1 3 ) 按上两式计算，择大值定l ，就一般而言，设计的电感最受考验的工作是在 2 l 场合，即用式 l 迎l 肌一2 d 1 4 ，。一 。7 ( 3 一1 4 ) 进行计算，选择l 值。 式中，i 。m i n 最小取值视具体情况而定，一般约为i o 的( 1 0 2 0 ) 。取值 小，则需l 数值大，反之，取值大，则l 值小。 由于b u c k 3 l 变换器的电感电流脉动量仅为b u c k 变换器的1 4 ，存要求卡h 同 纹波电压f ，b u c k 3 l 变换器所需的电感量只为b u c k 电感量的1 ，4 。 2 电容器c 通过滤波电容c 的电流i c 与电感电流i i 的脉动量是相同的。此电流i 。对电容 充放电电压k 即是变换器输出的纹波电压，设计中对纹波电压有明确的要求。 在b u c k3 l 中，由于电容电流i c 在t s 中充放电各两次，即比b u c k 变换器的 次多了一倍。冈此，b u c k3 l 所需c 值在相同k 下，可以减少一半，加上电 1 7 川济大学坝上学位沦文基于d s p 的电动汽车目d c d c 变换器的研究1 j 开发 感体积也可以减小，使整个滤波器比b u c k 滤波器有相当可观的减小，这就是3 l 方案的优点。 不难得出： d 0 5 ( 3 - - 1 5 ) d 0 5 ( 3 1 6 ) 3 3 对应燃料电池用d c d c 两种b u c k 电路滤波器参数计算 根据已知条件，变换器工作电压3 2 0 v v s 4 8 0 v ，输出电压在额定输出时 v o = 3 1 2 v ，要求纹波电乐低于输出电压1 ，单管工作频率为1 5 k h z ，三电平 时相对f 滤波器的工作频率为3 0 k h z ，在此主要计算电感电流连续时的参数。 3 3 1b u c k 电路滤波器参数计算 1 电感器l 占空比：d = v o n s 所以3 1 2 4 8 0 d 3 1 2 3 2 0 即0 6 5 d i c - 3 l = 孑( 1 一。) ( 2 d 一1 ) ，根据l 3 功率计尊取i o m i n = 6 0 a 并且在 d ：0 7 5 时取得最大值，可得临界电感l c ： 铷器”似肌1 ) 4 8 0 x 二i1 ：3 q ! ! q ：0 三= 8 3 u h 圾l = 2 l c - = - 1 6 6 u h 2 滤波电容c 由式c 3 嗡溉c 一骂慧竽曙 ：蒜3 26 纛6 31 2 曲3 0 ：1 、 实际可取电容值4 7 0 u f 。 3 4 主电路功率元器件应用 变换器的4 、型化和高效率与电力电子技术及其器件的发展分不丌。自1 9 5 6 年第一个晶闸管( s c r ) 问世以来，电力电子器件经历了无关断能力、有自关断 两个阶段，现在正向高频化、智能化发展。其发展趋势为：集成化；高频化； m 济大学硕，i 学位论文 缺于d s p 的电动汽车用d c d c 变换器的酬究与开发 全控化：控制技术数字化：智能化和专用化。随着电力电子技术的发展， 有的开关器件将逐步被相应的、性能更加优越的新璎器件所替代，如m o s f e t ， i g b t 、i p m 等。 场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管，功率场效应晶体管部是绝缘 栅型场效应管。绝缘栅场效应管是由金属氧化物、半导体组成的场效应晶体管， 筒称m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) ，是一种电k 控制的单极型器件。m o s f e t 的优点是：丌关工作频率高( 几百k h z ) ，j | ：关时 l 、h j 短( 几_ r 纳秒到e 百纳秒) ，输入阻抗高，很适合于高频应用。但是它的导通 压降与通态电流成正比，而且m o s f e t 的结电容比较大，具有较大的容性开通 损耗，中个器件或者模块的额定容量小，如v m o s f e t 模块，最大通流量为7 0 0 a 的模块唰压只有5 0 v ，而耐压1 0 0 0 v 的v m o s f e t 其最大通流鼍则不到5 0 a 。 i 丈j 此，m o s f e t 管或模块局限丁高频、低容量场合应用。为了器件的安全，不 被静电击穿，m o s f e t 在测试和接入电路前，器件应存放在抗静电包装袋或会 属容器中。当器件接入电路时，工作台、电烙铁、测量仪器等都必须接地，二个 电极未全部接好之前，电路不成加上电压。 绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p l a rt r a n s i s t o r ，简称i g b t ) 是m o s f e t 和g t r 的复合器件，因此，它既具有m o s f e t 的工作速度快、输入阻抗高、驱 动电路简单、热温度特性好的优点，义包含了g t r 的载流量大、阻断电压高等 多项优点，已被广泛应尉于各种逆变器和变换器中。i g b 在参数和特性力面具 卡j 以下特点：开关速度高，开关损耗小；通态压降比m o s f e t 低，特别是 在大电流区段：通态压降在1 2 或1 3 的额定电流以下具有负的温度系数，以 上区段具有正的温度系数，凼丽并联使用时具有电流自动调节能力；安全工作 区较g t r 宽，而且具有耐脉冲电流冲击的性能；输入特性与m o s f e t 相似， 输入阻抗高，在驱动电路中作为负载时旱容抗性质：l 】丁向高耐压、大电流、高 频化发展。 由于i g b t 结构上的特殊原因，它的内部存在一只n p n 型寄生晶体管，当 漏极电流人于规定的临界值i o ”时，该寄生晶体管因有过高的i 卜偏置被触发导 通，结果i g b t 的栅极失去控制作用，这就是擎柱效应。i g b t 发生擎柱效应后， 漏极电流增人，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。因此，i g b t 使用时一定 州济大学彻【：学位沦文基于d s p 的电动汽车用d c d c 变换器的研究与开发 要注意漏极电流不要超过最大值l d m 。 i g b t 的定额选择主要是根据额定电流i 。和额定电胝v c e r 两个参数。若实 际电路中电流最大有效值为1 。，则要选i g b t 的l e e 。1 5 i 。，考虑到电压波动和开 关电流所引起的电压尖峰等，“般如果在稳态时，加在i g b t 之间的电压最高为 v m ，则町选的耐压值v c h r 。2 v m 。还要注意，在任何情况卜，通过集电极电流 必须处在安全工作区的规定范围内。 i c p | 7 l l 卜 ： l | ，7 - ： ： k ； l -卜、； ， 0 ( 彻) t ，t 、i d t 锄 o ! 妻断过程：开通过程 图3 8i g b t 的开通和关断过程特性曲线 从图3 8i g b t 的开通和关断过程特性曲线可以看出，i g b t 的关断过程中， p n p 晶体管中贮存的电荷难以迅速消除，造成漏极电流有较长的托尾时间，大约 为lus 芹右，造成i g b t 较犬的关断损耗，因此为了减小i g b t 的工作损耗，提 高电路的变换效率，应尽可能选择天断时间t 0 h 小、导通饱和压降v c v ：( s a t ) 小的 i g b t 。 其他一些新型场拧器件，如静电感应晶体管s i t 是种依靠场效应弓【起的元 件中导电沟道形成或消失、实现开关功能的器件，s i t 具有输出功率大、夫真小、 输入阻抗高、开关频率高、热稳定性好以及抗辐射能力强等一系列优点。s i t 的 导通压降和关断时间都比i g b t 小，工作极限频率大于7 0 k h z ，但是由丁- 制造工 艺= 复杂，限制了它在大功率场合的应用。 功率二极管主要有：快恢复二极管f r d ( f a s tr e c o v e r yd i o d e ) 、超快恢复 _ 二极管s r d ( s u p e f f a s tr e c o v e r yd i o d e ) 和肖特基二极管( s c h o t t k y d i o d e ) s d 。 f r d 和s r d 的反向恢复时间为几百纳秒到几微秒，一般的，二极管的耐压越高， 电流越大，恢复时间越长，导通压降就越高。l r 公司和i x y s 公司生产的f r d 额定电流i f 都低于2 0 0 a 。肖特基极管的突出优点是导通压降很低，只有o _ 3 0 8 v ，反向恢复时间也比较短，通常只有几十纳秒，但是其耐压比较低，一股都 在1 5 0 v 以下。常用于输出电压较低、频率较高的整流电路中。由于i g b t 模块 | 一】济大学顾士学位论文桀 d s p 的电动汽车用d c d c 变换器的研究与开发 内通常都封装有反并联二极管，因此，b o o s t 电路用升压极管可以利用i g b t 模块的反并联二极管做为升压二极管。 3 5 小结 本章主要从非隔离式降压主电路拓扑结构出发，分析了两种主电路拓扑结构 的工作原理及其对应的主电路滤波器参数，参数计算值对比町参考表3 1 ，存要 求桐i 司的纹波电压下，相对于基本型b u c k 电路，b u c k3 l 电路的滤波器有相当 客观的减少，同时开关管的电压应力也相应降低。综合以上分析，选择b u c k3 l 电路作为燃料电池用d c d c 主电路拓扑结构。 滤波器参数 开关应力 电感器l ( u h )电容器c ( u f l b u c k6 0 ，62 6 7大 b u c k3 l8 t 34 0 2小 表3 1 两种主电路参数计算值对比 本章参考文献： 1 r o b e r tw e r i c k s o n d c d cp o w e r c o n v e r t e r s ，d e p a r t m e n t o fe l e c t r i c a la n d c o m p u t e re n g i n e e r i n gu n i v e r s i t yo f c o l o r a d o ，b o u l d e r 。 【2 】阮新波严仰光直流丌关电源的软丌关技术。科学出版社，2 0 0 0 【3 1 张占松丌关电源的原理与设：i 。电子f 业出版社，2 0 0 4 【4 】4 李爱文现代逆变技术及其应用。 科学出版社，2 0 0 0 n 】济人学硕 学位论文接丁d s p 的电动汽车用d c d c 变换器的研究j 开麓 4d c d c 控制电路功能实现 4 1 控制电路概述 4 。1 1 数字控制特点 数字电源是一种数字控制的电源产品，这种电源能够对整个回路控制提供配 置( c o n f i g u r a t i o n ) ，监测( m o r t i t o r i n g ) 与管理( s u p e r v is i o n ) 功能。 本文采用d s p 对燃料电池电动汽车用d c d c 变换器进行数字控制。数字控制 与模拟控制相比有以下优点： 1 增强的系统功能和灵活性 可实现系统以及系统间通信、保护和监测以及远程管理，町方便实现多控制 器和多功率级的连接，使得电源j c 余备份非常赛易，通信总线的存在使得布局和 走线更加简化。 2 增强的系统可靠性 数字控制的各大组成部分几乎都可由微控制器或d s p 实现，因此不需要或 只需要极少量外部i c s 或分立元件，系统兀件数骤减，从而减少了故障节点数， 提高了系统平均无故障时间，电源制造f ；i 协会预测2 0 0 8 年电源的可靠性将会提 高到4 m h 。各种监控和保护程序可以防i 卜器件过热、过压和过流以及实现电路 甲衡和均流 3 可以实现高级控制技巧 高级控制技巧包括非线性控制( n o n l i n e a rc o n t r 0 1 ) ，负荷电流估算和预测 ( l o a dc u r r e n te s t i m a t o ra n dp r e d i c t o r ) 以及鲁棒控制( r o b u s tc o n t r 0 1 ) 和多相 控制( m u l t i p h a s ec o n t r 0 1 ) 。这主要足冈为复杂控制规律往往难以用模拟方法加 以实现。而在数字控制系统中可通过对控制器c p u 进行编程实现复杂控制规律。 4 数字控制系统的功能价格比高 尽管c p u 的最初投资较大，但增加个控制回路的费用却很少。对于连续系 统，模拟控制系统中硬件成本几乎与控制规律复杂程度、控制回路多少成j f 比； 向数字控制系统中片c p u 可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路， 冈此其性能价格比值较高。 川济人学顾= 学位论史基十d s p 的电动汽车用d c d c 蹙换器的研究与开发 4 1 2d s p 控制芯片 自从德州仪器1 9 8 2 年推出通用可编程d s p 芯片以来，d s p 技术带来了决定数 字技术未来的突破性应用。最初d s p 只是一种专门为实时处理大量数据而设计的 微处理器，但目前已经在多种不同的领域取得了许多新进展。本文手要介绍 t 、f s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，这是一种主要被用来进行工业控制的定点d s p 芯片。 l _ t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 1 ) s p 有以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功 耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 在3 0 m h z 的频率下) ，从而提 高了控制器实时控制能力。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字的烈口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器：8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。可实现i 相反相器控制：p w m 的对称和非对称波 形；当外部引脚p d p i n t x 引脚出现低电平时町快速关闭p w m 通道；可实现可编 程的p w m 死区控制，以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元：1 6 通道 具有1 0 位有效位数的a d 模数转换器；片内光电编码器接口电路。事件管理器 模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、步进电机、逆变器及d c d c 变换 器。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字 的数据存储器空间；b 4 k 字的i 0 寻址空问。 看门狗定时器模块(