双向DCDC变换器研究毕业设计.doc

双向DC/DC变换器研究毕业设计目录摘要AbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 双向DC/DC变换器的应用11.2.1 不停电电源系统(UPS)11.2.2 电动汽车燃料电池电源系统31.2.3 航天电源系统41.3 双向 DC/DC 变换器的现状和发展51.3.1双向直流变换器的现状51.3.2 双向直流变换器的发展61.4 本章小结7第2章 双向全桥 DC/DC 变换器82.1.双向 DC/DC 变换器的原理82.2 双向 DC/DC 变换器的构成方法92.3 隔离型双向全桥 DC/DC 变换器112.4 双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理122.4.1 充电模式工作原理142.4.2 放电模式工作原理162.5 开关管电压尖峰问题162.6 本章小结18第3章双向 DC/DC 变换器主电路元件设计193.1 引言193.2 高频变压器的设计193.2.1变压器的设计主要包括：磁心选择、匝数计算等。193.2.2 双向DC一DC变换器中变压器偏磁问题：203.3 电感Lf的设计223.4 功率开关管的选取233.5本章小结23第四章：DC/DC变换器的PSpice仿真254.1 Buck充电电路简化仿真图254.2 Boost放电电路简化仿真图：274.3 Bcuk 充电模式闭环仿真304.4 Boost放电模式闭环仿真314.5本章小结33结论35参考文献37致谢39附录141附录245附录349附录455 I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究背景DC/DC变换器是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电压、电流实现变换。它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。通常DC/DC变换器都是单向工作的，主要原因是因为功率开关(SCR，I GBT等)均为单向，并且主功率回路上都有单向导电的二极管，所以能量只能单向流动。然而随着科技和社会的发展，双向直流不间断电源系统、航空电源系统等场合对DC/DC变换器的需求逐渐增加。为了减轻系统的体积重量，节省成本，在电池的充放电系统、电动汽车、不间断电源系统、太阳能发电系统、航空电源系统等场合，双向DC/DC变换器(Bi一direCtionalDC/DC Converter，BDC)获得了越来越广泛的应用。双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设备，单向DC/DC变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向 DC/DC变换器则可以实现能量的双向传输，而且双向DC/DC变换器就是DC/DC变换器的双象限运行，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。它的输入输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。理论上讲，将单向DC/DC变换器中的单向开关和二极管改为双向开关，则所有的单向拓扑均变为双向拓扑，加上合理的控制就能实现能量的双向流动。双向DC/DC变换器是电力电子变换器的一个新分支，它是伴随着航空航天、电动汽车、电动船舶和新的无污染能源科技的发展而发展起来的。所以说需求是双向DC/DC变换器发展的动力，随着太阳能风能、燃料电池等无污染发电技术的发展和电动汽车技术的发展，会有更多的双向DC/DC变换器拓扑被提出，双向DC/DC变换器的应用将进入新的发展阶段。1.2 双向DC/DC变换器的应用1.2.1 不停电电源系统(UPS)不停电电源系统包括直流输出不停电电源系统和交流输出不停电电源系统两种。图1-1 是一种 DC-UPS 的结构框图，由 AC/DC 变换器、电池组 BA 和双向 DC/DC（Bi DC/DC）变换器构成。其工作原理是，当供电正常时，AC/DC 变换器将直流母线电压调整到稳态电压，对直流母线上的负载供电，同时经 Bi- DC/DC 给电池组 BA 充电，若 BA 已充足电，则双向变换器不进行功率转换；当供电电源掉电或出现故障时，双向直流变换器将电池组电压转变成直流母线负载所需电压，给负载供电，使负载不断电。相比于直接并接适合直流母线电压等级的蓄电池组构成方式，加入双向DC/DC变换器有以下优势:(1)可以保证直流母线电压恒定，不随电池电压的变化而变化;(2)可以优化蓄电池的充放电管理，有利于延长蓄电池寿命和提高蓄电池利用率。图1-1 DC-UPS电源系统双向 DC/DC 变换器的功能是：供电正常时作为电池组的充电器，保持电池充足电状态；在供电故障后将电池组电压转变为直流母线电压，给负载供电。通常，电池组充电的功率较小，放电时功率较大，因此对 Bi- DC/DC 的功率等级应依放电功率为准。使用双向 DC/DC 变换器的好处是，可以将电池的充放电的工作分离出来，用双向DC/DC 变换器单独处理蓄电池的充放电操作，更容易优化充放电过程，对于延长蓄电池的寿命和提高充电效率都有好处。1.2.2 电动汽车燃料电池电源系统燃料电池是一种可以将化学能转变成电能的装置，在电动汽车中有很好的应用前景。在燃料电池系统中含有一个压缩机电机，正常运转情况下，该压缩机可由燃料电池输出电压供电，但在电动汽车启动时，燃料电池电压尚未建立起来，需要辅助电源来供电，提供压缩机电机的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。辅助电源有两个作用:在燃料电池启动前，提供直流母线的电压；当汽车制动时，希望制动能量能够回馈并得到合理的应用。采用蓄电池作为辅助供电电源，通过双向 DC/DC 变换器可以满足这两个方面的要求：快速启动燃料电池；将制动能量回馈给蓄电池。如1-2图为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向 DC/DC 变换器是此电源管理系统中的重要组成部分之一。为了和目前的汽车负载保持兼容，电池电压一般为 12V，直流母线电压为 288V。蓄电池供电时，双向 DC/DC 变换器工作在放电模式，输入电池电压波动，输出稳定电压 288V，放电功率 1.5kW；蓄电池储能时，双向 DC/DC 变换器工作在充电模式，将电能存储于蓄电池中。上述领域中应用的双向 DC/DC 变换器的共同特点是：变换器功率较大，变换器所连接的电路中一端是电压较低的蓄电池，另一端的电压较高。由于电压等级差别较大，同时出于安全、输出匹配等因素的考虑，这类变换器一般都采用变压器进行低压与高压之间的隔离，即选用隔离型双向 DC/DC 变换器。图 1-2电动汽车用燃料电池电源系统框图1.2.3 航天电源系统在卫星及空间站等航天电源系统中，如图1-3，双向DC/DC变换器成为其中的关键性部件。航天电源系统的能源主要包括太阳能电池阵列、高能蓄电池。通常太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点，当日光充足时，太阳能电池阵列除保证负载的正常供电外，将多余能量通过双向DC/DC变换器储存到蓄电池中:当日光不足时，太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能，双向DC/DC变换器反向工作向负载提供电能，双向DC/DC变换器充当蓄电池的充放电管理器，它设计的好坏直接影响到航天器上蓄电池的利用效率和寿命长短。 图1-3航空电源系统1.3 双向 DC/DC 变换器的现状和发展1.3.1双向直流变换器的现状 20世纪80年代初，为减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用Buck/Boost型双向DC/DC变换器代替蓄电池充电器和放电器。此后人们对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究，并使之进入了实用阶段。按照双向 DC/DC 变换器的构成方法，双向 DC/DC 变换器可以由单向 DC/DC 变换器演变而来，按输入和输出之间是否有电气隔离，或功率开关器件的个数进行分类。非隔离型双向 DC/DC 变换器有：Bi Buck-Boost、Bi Buck/Boost、Bi Cuk、等，这类变换器只能实现电流的双向流动，并不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可负，变换器工作在第 I 和第 II 象限。电压双向变换器则只能实现电压极性的变换，电流方向不变，变换器工作在第 I 和第象限。桥式直流变换器既能实现电流的正与负，也能改变输出电压的极性，为四象限直流变换器。因而这种四象限直流变换器对直流电机电枢供电时，可以使直流电机在四个象限区域工作。隔离型双向 DC/DC 变换器有：反激式双向(Bi flyback)DC/DC 变换器，正激式双向(Bi forward)DC/DC 变换器，双向半桥(Bi half bridge)DC/DC 变换器，双向推挽(Bi push-pull)DC/DC 变换器，双向全桥(Bi full bridge)DC/DC 变换器等。不仅同一种类型的隔离直流变换器可构成隔离型双向 DC/DC 变换器，而且不同形式的隔离直流变换器也可组合成隔离型双向 DC/DC 变换器。双向直流变换器按开关转换条件，也可分为硬开关和软开关两类。桥式直流变换器有两类：一类是由双电压源型桥式直流变换器构成，主变压器两侧电路结构对称；一类是由电压源型桥式直流变换器和电流源型桥式直流变换器构成。这两种桥式变换器均可具有软开关特性。控制方式有两种：变压器两侧开关管相移控制, 变压器有等效电感，通过控制两侧变换单元之间的相位关系来调节两个电源之间的能量传输大小和方向；只对变压器一侧开关管进行控制，来调节向另一侧传递能量的大小，另一侧开关管用其反并联二极管整流，工作原理类似单向直流变换器。1.3.2 双向直流变换器的发展双向直流变换器和电力电子变换器一样，基本要求是：工作可靠性高、体积小、重量轻、电气特性好等。可靠性是最主要的要求，它是衡量成功率的尺度，通常以平均故障间隔时间，MTBF（以小时计）来表示，也可用平均故障间隔时间的倒数故障率，即每一千工作小时的故障次数来表示。高的可靠性来自良好的设计、认真的制造、全面的检查、合理的使用、准确地安装和正确的维修。电力电子变换器应该在合适的供电条件下不依赖于其他条件正常工作。变换器的故障不应导致给它供电电源的故障，也不应引起与其连接的其他设备的故障。变换器的故障应不导致不安全状态，不扩大故障，更不造成火灾等严重事故。体积小、重量轻体现双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设备。电力电子变换器的电气性能包括供电电源的适应性、输出电能质量、电能转换效率和电磁兼容性等方面。提高电能转换效率是电力电子变换器永恒的追求。低损耗，就会有低温升和小的体积重量，因而就有高的可靠性。电磁兼容性既要考虑到不受外界干扰信号大的影响，又要不危害其他设备的正常工作。双向 DC/DC 变换器是电力电子变换器的组成部分，其发展方向基本相同。但双向DC/DC 变换器是电力电子变换器的一个新分支，是伴随航空航天、电动汽车等新的无污染能源科技的发展而发展起来的，其前景十分广阔。1.4 本章小结由于对双向DC/DC变换器的应用场合分析我们可以知道，大多数情况下都需要较大的电压传输比，而且要求可靠性高，所以一般都采用隔离拓扑。因此双向全桥DC/DC变换器备受青睐。目前双向 DC/DC 变换器的研究工作主要集中在电路拓扑和控制方式两个方面。，本文主要以应用于中大功率场合的隔离型双向全桥 DC/DC 变换器为研究对象，变换器有 8 个功率开关管，高压侧是电压源型全桥结构，低压侧是电流源型全桥结构。本课题的主要工作包括以下内容:(1)介绍了双向DC/DC变换器的概念原理、构成方法、分类及应用领域，并对其研究现状和发展作了简略的介绍，并确定以电压一电流型双向全桥DC/DC变换器为本文的主要研究对象。（2）分别阐述了Buck充电模式和Boost放电模式的工作原理，并分析了变换器工作过程中存在的一些问题及相应的解决方案。(3) 介绍了双向DC/DC变换器的设计过程中的参数计算，和变压器的选择。（4）通过PSpice对Buck充电模式和Boost放电模式电路进行仿真分析，验证其正确行和可行性。最后结果和理论一致。最后对全文做了总结，并对进一步的工作方向作了展望。7第2章 双向全桥DC/DC变换器第2章 双向全桥 DC/DC 变换器2.1.双向 DC/DC 变换器的原理单向 DC/DC 变换器，能量只能从一端输入，从另一端输出，如图 2-1-1 所示，这类变换器的主功率传输通路上一般都有二极管这个环节，因此变换器传递能量时只能是单向的，即图 2-1-1 中，能量只能从V 1经变换器传输到V2 ，而不能反向流动.。然而对于有些需要能量可双向流动的场合（V1和V2 ）可以是直流电压源或直流有源负载，它们的电压极性保持不变。能量有时可从V2 传输到V1 ，有时可从V1 传输到V2），如果仍使用单向 DC/DC 变换器，则需要将两个单向 DC/DC 变换器反并联. 但是这样电路就会变得复杂化，实际上可以将这两个单向变换器的功能由一个变换器来完成，即是双向 DC/DC 变换器。图2-1-1 单向 DC/DC 变换功能框图图2-1-2双向DC/DC变换器结构双向 DC/DC 变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要调节能量传递方向的直流变换器。双向 DC/DC 变换器置于电源V1 和V2之间，控制其间的能量传递。I 1和I 2分别是V 1和V2 的平均输入电流。根据实际需要，可以通过双向 DC/DC 变换器的控制器控制功率流向：使能量从V1传输到V2, 称为正向工作模式，此时I 1为负，I 2为正; 使能量从V 2传输到V1 ，称为反向工作模式，此时I 1为正，I 2为负。2.2 双向 DC/DC 变换器的构成方法（a）单向DC/DC基本变换单元 b）双向DC/DC基本变换单元图 2-2-1 双向 DC/DC 基本变换单元演变示意图（a）单向Buck DC/DC变换器 （b）单向Boost DC/DC变换器图2-2-2 双向 Buck-Boost DC/DC 变换器演变示意图从电路拓扑上讲，单向 DC/DC 变换器可简化为含有如图 2-2-1所示单向基本变换单元的基本原理结构，该基本变换单元由一个有源开关和一个二极管构成。简单的实例如图 2-2-1（a）中的单向 Buck DC/DC 变换器和图2-2-1(b)中的单向 Boost DC/DC 变换器，由于二极管的存在，能量只能单方向传输。图2-2-2（c）为基本的双向 Buck-Boost DC/DC 变换器，它有两种简单的工作方式：Q2 保持关断，Q1 采用 PWM 方式工作，变换器实际为一个 Buck 电路，能量从V 1传输到V2 ；Q1保持关断，Q 2采用 PWM 方式工作，变换器实际为一个 Boost 电路，能量从V2传输到V 1。与传统的采用双-单向 DC/DC 变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向 DC/DC变换器应用一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体开关器件数目少，且可以更快的进行功率传输方向的切换。而且，一般双向 DC/DC 变换器更方便在现有的电路上使用同步整流工作方式，有利于降低通态损耗。总之，双向 DC/DC 变换器具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等优势。2.3 隔离型双向全桥 DC/DC 变换器在非隔离型双向 Buck-Boost DC/DC 变换器的电路拓扑结构中插入高频变压器，即可构成隔离型 Buck-Boost DC/DC 变换器拓扑。图 2-3(a)为隔离型 Buck-BoostDC/DC 变换器的基本形式，其中高频整流/逆变单元和高频逆变/整流单元可以由全桥、半桥、推挽等电路拓扑构成。图 2-3(b)的整流/逆变单元和逆变/整流单元均是全桥结构，该拓扑即是本文的研究对象。本文主要研究电压-电流组合型隔离型双向全桥 DC/DC 变换器。. (a) 隔离型双向DC/DC基本拓扑图 2-3（b）隔离型双向全桥 DC/DC 变换器2.4 双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理 带隔离变压器的双向全桥 DC/DC 变换器的拓扑结构如图 2-4 所示。图 2-4 中变压器两侧整流/逆变单元均是全桥型结构，高压侧的为电压型全桥结构，低压侧为电流型全桥结构。两侧可以实现能量的双向流动。图 2-4 中，R1 为高压侧母线负载；变压器两侧绕组匝数分别为N1 、N2 ，匝比为n = N1 :N2；L r1为变压器高压侧等效漏感或与外串电感之和；Lr2 为变压器低压侧等效漏感或与外串电感之和； Lf 在充电模式时是滤波电感，放电模式时是储能电感； Cf 是高压侧的滤波稳压电容。图 2-4双向全桥 DC/DC 变换器主电路该变换器有两种工作模式：当供电电源V1 正常时，开关K1闭合，V1 提供母线负载R 1能量，同时通过变换器给蓄电池V2 充电，称为充电模式；当供电电源V1故障时，开关K1 断开，蓄电池V2 作为应急供电电源通过变换器升压后提供高压侧母线负载R1 能量，称为放电模式。充电模式时，开关管Q1 Q4有驱动信号，并采用移相 PWM 控制方式，而开关管Q5 Q8则不加驱动信号，只利用其反并联二极管D 5 D8实现输出全桥整流。放电模式时，开关管Q5 Q8有驱动信号，当四个开关管同时导通时电感L f储能，当对开关管Q 5、Q 8（或Q6 、Q7 ）同时导通时，向高压侧负载传递能量，实现变换器的升压功能，而开关管Q1 Q4则没有驱动信号，只利用其反并联二极管D1 D4实现输出全桥整流。移相PWM控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件。漏感储存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容充放电来使开关管两端的电压下降到零，使电路的四个开关管依次在零电压下导通，在缓冲电容的作用下零电压关断，从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器装置提高开关频率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的条件。同时还保持了一般全桥电路中的结构简单、控制方式简洁、开关频率恒定、元器件的电压电流应力小的优点。双向DC/DC变换器有两种工作模式:充电模式和放电模式。2.4.1 充电模式工作原理等效电路当变换器处于充电模式时，开关K 1闭合，供电电源V1 向母线负载R1 正常供电，同时向电池充电。正常供电时，负载R1 所消耗的能量是恒定的，对双向变换器的传递功率没有影响，滤波电容Cf 上的电压保持为V1 且恒定不变的，Cf 对变换器功率变换也没有影响，故分析该模式工作原理时，可以不计母线负载R 1和滤波电容Cf 。因此，充电时主电路等效电路如图 2-4-1所示，由图可见充电模式等效电路类似全桥直流变换器，由全桥逆变器和输出全桥整流滤波电路构成，因此，其工作原理的分析可以参考全桥直流变换器工作原理。Lr1是变压器高压侧等效漏感与外串电感之和。图 2-4-1 双向全桥 DC/DC 变换器充电模式 模态1：对Q1和Q4施加控制脉冲；Q1和Q4导通构成变压器T左侧的正向电流，此时电流流向是V1+ Q1 A B Q4 V1-。变压器右侧电流流向：D5 C Lf V2+ D8。如图2-4-1（a）所示图2-4-1 （a） 模态1下的电流流向 模态2：相对于Q1和Q4，延迟半个周期，对Q2和Q3施加控制脉冲；Q2和Q3导通构成变压器T左侧的正向电流，此时电流流向是V1+ Q3 B A Q2 V1-。变压器右侧电流流向：D7Lf V2+ D6。如图2-4-1（b）所示。图2-4-1（b） 模态2下的电流流向图 2-4-1中的开关管Q1 Q4上不仅有反并联二极管D 1 D4，还有并联电容C1 C4，它们可以是开关管的结电容，或外加的小电容。C1 C4的作用是使开关器件在关断时其两端电压从零缓慢上升，实现软关断，减少关断损耗。在开关器件关断、开通过程中，电容C 1 C4与L r1谐振，使开关管在施加驱动信号开通时其两端电压已为零，从而实现零电压开通，无开通损耗。2.4.2 放电模式工作原理当变换器处于放电模式时，开关K 1断开，蓄电池V2 经过对开关管的控制和电感Lf的作用实现升压，向母线负载R1 正常供电。另外，考虑到 Boost 型变换器开关管电压尖峰的问题，在输入端采用有源钳位电路。放电模式时，对开关管施加驱动信号。在Q5 Q8同时有驱动信号时，四个开关管同时导通，电源电压加在输入电感L f上，电感电流Lfi 增长，若只有对管Q 5、Q8 （或Q 6、Q 7）导通时，则电感电流Lfi 流入变压器的原边线圈，电感和电源能量向负载传送，电感电流Lfi 下降。为了防止电感电路的突然断开，同一桥臂开关管（Q 5、Q 6或Q 7、Q 8）之间不是加死区时间，而是加重叠导通时间，即每个开关管的导通时间大于 T /2（T 为变换器的开关周期），导通占空比大于 0.5。这样才能实现升压功能。 当工作于放电模式时：对开关管Q5和Q8（或Q 6、Q 7）分别施加驱动信号，并且占空比大于0.5。Q 6和Q 7的控制信号比Q5和Q8的驱动信号延迟半个周期。这样着四个开关管就有同时导通的时候，同时导通的时候电感Lf上开始储能，当他们不是同时导通的时候，有蓄电池V2和电感Lf上的电能同时通过变压器的作用实现升压功能。图 2-4-2 双向全桥 DC/DC 变换器放电模式2.5 开关管电压尖峰问题 本文所研究的电压-电流型双向全桥直流变换器实际上就是一个双向 Buck-Boost变换器，根据功率流动方向，分别命名为 Buck/充电方向和 Boost/放电方向。为突出电流型拓扑的电压尖峰问题，使分析具有普遍性，这里忽略变压器的励磁电流，并把漏感折算到同一侧，得到图 2-5所示的简化电路。功率传输方向不同时，开关管上产生电压尖峰的机理不同。充电方向时，如图 2-5(a)，Q 关断后，L r和Q的结电容振荡产生电压尖峰，当结电容C的电压等于电源电压V 1时，振荡结束。这个振荡为无源阻尼振荡，振荡能量是有限的，产生的电压尖峰易于吸收。因此充电方向上的电压尖峰问题不是主要问题，下面主要分析放电模式时开关管的电压尖峰产生机理和解决方案。(a) buck 充电方向（b） boost 放电方向图 2.5 电流-电压型双向直流变换器开关管电压尖峰产生机理放电方向时，如图 2.5(b)，Q关断后，由于Lr中的电流不能突变，在L r中的电流达到Lfi之前，电流I Lf - I D给Q的结电容C 充电，形成巨大的电压尖峰。由于输入电感L f足够大，输入电流在一个周期内基本不变，由此可见，放电方向的电压尖峰是基于恒流源I Lf对电容C充电产生的，其能量是巨大的，有源的。因此这个电压尖峰难以抑制，必须设法解决。解决方案：如图 2-4-2所示，在蓄电池侧加上有源无损钳位电路，并且需要对钳位开关管进行合理的控制。就能很好的抑制电压尖峰。2.6本章小结 本章以电压-电流组合型隔离型双向全桥 DC/DC 变换器为研究对象，详细分析了该变换器充电模式和放电模式时的工作原理，针对两种工作模式分别加以论述。并给出开关管电压尖峰产生机理，及抑制电压尖峰可以采取的钳位电路。 17第3章 双向DC/DC变换器主电路元件设计24第3章 双向DC/DC变换器主电路元件设计第3章双向 DC/DC 变换器主电路元件设计3.1 引言 在许多场合下，需要有能将直流电源进行双向变换的装置，以燃料电池为能源的电动车驱动系统，就是一例。在该系统中，同时具有普通酸铅蓄电池和燃料电池，普通酸铅蓄电池作为车辆冷启动动力，提供30-40V的低电压电源。启动后，用燃料电池提供150一3OOV的车辆驱动电压。因此，在电动车启动时，要求能将普通蓄电池输出的30一40V直流电压提升到150一200V以启动系统开始工作。当系统进入正常工作后，用燃料电池的电能，对酸铅蓄电池进行充电，以恢复电池的能量消耗。双向DC一DC电源也可用于供电系统的直流操作电源中，供电系统的直流操作电源，通常用蓄电池作为后备电源，当使用双向直流变换电源后，可有效地减少后各电池的数量。对双向直流电源通常要求其具有高效、隔离、低辐射等特点，同时也要求电路结构简单，易于控制。 前面分析了双向 DC/DC 变换器两种工作模式（Buck充电模式和Boost放电模式）下的工作原理，本章将针对200W 样机的标准设计电路， V1= (15010%)V，V2= (4010%)V，f= 20KHz，P=200W,工作在放电模式时，输出稳定在 150V左右，工作在充电模式时，输出稳流，电压不超过 44V。3.2 高频变压器的设计3.2.1变压器的设计主要包括：磁心选择、匝数计算等。该全桥直流变换器的两个半周期的工作都用同一个原边绕组，磁心和绕组使用率都很高。为了减少磁化电流，最好原边绕组匝数多些，电感量大些。因此选择高磁合金材料的磁心比较合适，而且磁心不带气隙。具体设计步骤如下：根据放电功率、效率，确定变压器输入、输出功率。计算式如下： 根据输入功率确定合适的磁心型号。再由磁心型号得到变压器在开关频率为 20kHz 时的最佳磁感应强度B 。则磁感应强度的变化量为 B = 2B。原边线圈匝数的计算原边线圈匝数计算式如下： （3-1）其中，V1 原边线圈所加直流电压，在有波动时取最小值（V）； Ton 最大导通时间（ s）；B 总磁感应强度变化量（T）；Ae 磁心有效面积（mm 2）。原副边匝数比n的计算： 为了保证整个电压输入范围内变换器都能输出额定的电压，式(3-1)中输入电压V 1用的其最小值V1(min)，Vsw是原边开关管的导通压将，Dp为原边最大占空比，一般取0.45，Dsec为副边最大占空比，取 0.4，V2(max)为输出电压最大值，VL为电感上的电压损失，Vsr 为副边整流二极管上的压降，Vr 为线路压降。因为没有做实际试验，现在只是理论上和电路上对所研究的电路进行PSpice仿真。根据原理和所设计的要求。进行PSpice仿真时利用理想变压器，此变压器的匝数比N=n1：n2=3：1。3.2.2 双向DC一DC变换器中变压器偏磁问题：变压器上施加的电压和工作磁通中的关系由下式给出: （3-2）一般情况下，电路在平衡状态下，磁通是对称的。若由于某种原因导致两个半周期内施加在高频变压器上的电压不相等(例如开关管的饱和压降有较大差异)，或是开关管的导通脉宽不相等(例如由于存储时间的不一致，控制电路输出脉宽不相等以及反馈环路引起的不对称等)时，功率转换电路便工作在不平衡状态。此时磁通变化的幅度就不相同，磁通在一个周期终了时不能返回到起始点，于是将在一个方向逐渐增大，其工作区域将偏向一个象限，引起磁芯单向饱和，电流急剧上升，从而导致开关管损坏。同样，全桥电路也会出现偏磁。图3-1磁性特性示意图在脉冲宽度调制的开关变换器中，为满足输出特性的需要，脉冲的宽度需要不断的调整;功率开关管的饱和压降、存储时间及控制电路的输出脉宽等不可能完全一致，反馈回路引起的不对称也不可能完全消除，因此，在双向DC一DC变换器中，偏磁是必然存在的。目前采用抗偏磁的措施有以下几种:（1）对于频率较低、功率较小的变换器，由于变压器绕组的阻值较高，自平衡能力较强，可以采用增大磁芯面积，或使磁芯保留一定的气隙，并适当加大功率器件的容量，可使偏磁的危害得到抑制或缓解。（2）使用MOSFET管可以在一定程度上抑制偏磁问题。这主要是MOSFET没有存储时间，如果门极信号导通时间相同，则漏极导通时间也相同;同时MOSFET通态电阻具有正的温度系数，即温度升高时，通态电阻增加。导通电流大(或导通时间长)的MOSFET管上功耗大，则通态电阻增大，MOSFET上电压增大，加在变压器上的电压值减少，从而降低V一S值，在一定程度上抑制了偏磁现象的发生。（3） 在高频变压器的原边串联一无极性电容，可以有效地防止直流偏磁。但是电容的存在降低了功率传递的效率，影响了装置的动态性能;同时，脉冲电压严重不对称时电容上压降有可能超过电源电压的10%，从而使装置在电源电压下降或负载波动较大时运行不稳定。（4）尽量选用特性一致的开关管。（5） 用电流型控制方案。通过检测流过器件的电流，并以此来调整PWM控制器两路输出脉冲的宽度，将变压器励磁电流控制在一定范围内，来达到防止偏磁的目的，这是最有效的措施。3.3 电感Lf的设计图3.3 放电模式电感电流连续工作主要波形放电模式电感电流连续工作主要波形如图3.3所示，假设电感L f工作在连续状态。图3.3 中，半个周期 T /2内，Q5 Q8四个开关管同时导通的时间为(1 - D )T/2，期间，电感L f储能，电感L f电流Lfi 线性上升。对管Q5 、Q8（或Q6 、Q7）导通的时间为 DT / 2，电感L f传递能量，电流Lfi 线性下降。实验时，电感 L f= 300H。3.4 功率开关管的选取当前应用于开关电源中的开关器件，主要是 MOSFET 和 IGBT 两种，其中MOSFET 的开关损耗主要是开通损耗，其产生原因是 MOSFET 开通时漏源结电容未完全放电；而对于 IGBT 的开关损耗主要为关断损耗，产生原因是关断时存在电流拖尾现象。所以在某些场合，尤其在低压大电流的工作场合下，如果不能实现零电流关断，则 IGBT 会有较大损耗，所以 IGBT 开关管不适合做低压侧开关管；使用 MOSFET 开关管，易于实现零电压关断，并且有很好的频率特性，有利于提高变换器的开关频率。所以本试验进行仿真时选用的是MOSFET 开关管。3.5本章小结本章首先介绍变压器的磁芯选择和匝数比的计算，然后给出了如何选择电感和功率开关。第四章DC/DC变换器的PSpice仿真第四章：DC/DC变换器的PSpice仿真DC一DC变换器的基本机构可分为Buck充电电路、Boost放电电路。开环仿真4.1 Buck充电电路简化仿真图： 4.1 Buck充电电路PSpice仿真图其中，右侧的等效电阻 ：。C=100uh。图4.1.1（a） D=40%时，Buck充电电路仿真波形第四章DC/DC变换器的PSpice仿真图4.1.1（b）D=40%时，控制管M1和M2的触发脉冲的占空比波形图，分别是40%。理论上在充电模式时 V1=150v，n=3，D=40%，此时V2=40v，可是上图得出的波形略小于40v。这是由于Mosfet开关管上在导通期间有一定的压降，所以最后的结果才略小于40v。这是正常的。图4.1.1（c）触发脉冲U1和U2两端波形和mosfet管M1两端电压波形图当触发脉冲U1起作用时，mosfe管M1两端电压为零，而当所有的mosfet管都关时，mosfet管M1和M2两个管分别占V1电压的一半，也就是75v。当触发脉冲U2起作用时，Mosfet管M1两端电压为V1电压，也就是150v，如上图所示。图4.1.1（d）变压器两端电压波形图 N=n1；n2=34.2 Boost放电电路简化仿真图图4.2 Boost放电电路PSpice仿真图其中，右侧的等效电阻 ：。C=100uh。图4.2.1（a）D=60%时，Boost放电电路波形图 图4.2.1（b）D=60%时，触发脉冲U5和Mosfet管M5两端电压波形有图可以看出，当Mosfet管M5导通时它的两端有一定的压降，所以得出的波形略小于150v。理论上在放电模式时V2=40v，n=3，D=60%，此时V1=150v，可是上图得出的波形略小于150v。这是由于Mosfet开关管上在导通期间有一定的压降，所以最后的结果才略小于150v。这是正常的。图4.2.1（c）D=60%时，触发脉冲U5、U6的电压波形和电感Lf两端的电流波形观察电感电流，它只有当开关管同时导通时，电感电流在增长，也就是储能，当M5和M8(或者M6和M7)单独导通时，由V2和电感上的电能一起经过变压器给右侧的电阻提供能量，实现升压功能。图4.2.1（d）D=60%时，变压器两端的电压波形 N=n1：n2=3当四个开关管同时导通时，由于再给电感Lf充电，电感Lf电流上升，所以变压器两端电压为零，符合理论。闭环仿真4.3 Bcuk 充电模式闭环仿真图4.3 Bcuk 充电模式闭环仿真图4.3.1（a）D=40% Buck充电电路波形图图4.3.1（b）Buck电路三角载波和调制波信号形成的PWM波占空比为40%.当调节PI调节器和比较器时，三角载波和调制波信号形成的PWM波占空比为40%.D=40%时,V1=150v, 根据公式： ，得出V2=40v。结果正确。4.4 Boost放电模式闭环仿真4.4 Boost放电模式闭环仿真图图4.4.1（a）D=60% Boost放电电路波形图4.4.1（b）Boost电路三角载波和调制波信号形成的PWM波占空比为60%.当调节PI调节器和比较器时，三角载波和调制波信号形成的PWM波占空比为60%. 当 D=60%,V2=40v时, 根据公式，,得出V1=150,结果正确。4.5 本章小结本章利用PSpice分别对Buck充电模式和Boost放电模式做了开环和闭环仿真，对各个阶段进行了分析，得出结果了理论一致。34结论结论本文以双向全桥 DC/DC 变换器为研究对象。从双向 DC/DC 变换器的基本概念入手，介绍了双向 DC/DC 变换器的构成方法和分类，进而引出本文要研究的对象：电压-电流组合型隔离型双向全桥 DC/DC 变换器。（1） 分析双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理，并针对变换器Buck充电模式和Boost放电模式分别分析了工作原理。充电模式时变换器工作原理类似单向全桥直流变换器，高压侧开关管采用PWM控制，低压侧开关管驱动信号封锁，输出用低压侧开关管的反并联二极管实现输出全桥整流。放电模式时变换器工作原理类似 Boost 全桥变换器，低压侧开关管有驱动信号，高压侧开关管驱动信号封锁，输出用高压侧开关管的反并联二极管实现全桥整流。因此变换器是全桥逆变-全桥整流式电压-电流组合型双向全桥 DC/DC 变换器。（2）利用仿真软件PSpice对电路进行了开环和闭环仿真。通过对高压侧四个Mosfet管的驱动，实现了降压功能，通过对低压侧四个Mosfet管的驱动，实现了升压功能，得出的结果略小于理论值，是由于Mosfet管有一定的压降。最后通过闭环控制，使得出结果和理论值一样。总的来说，本课题达到了一定的目标，取得了一定的理想结果，可由于本身学的知识有限，对整体电路的综合控制和电路优化没有做得很好，这些工作还有进一步完善。38参考文献参考文献1 张方华. 朱成花. 王慧贞 等 双向 DC-DC 变换器电路拓扑的分析与评价 电源技术学报 Vol.1, No.4, 2003，332-338；2 朱成花. 张方华. 严仰光 两端稳压软开关双向 Buck/Boost 变换器研究 南京航空航天大学学报 2004，Vol. 36. 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Research on the Analysis and Control Strategy of Ultracapacitor DC Storage Energy System Application.Graduate University of Chinese Academy of Sciences(NSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERING),2006.40致谢致谢在本论文完成之际，首先，我谨以最诚挚的敬意感谢我的导师*老师在我完成毕业设计过程中给予我的悉心指导和热情鼓励。从开题到论文完稿期间赵老师对我的指导和建议，使我在课题研究阶段少走了不少弯路，在赵老师的启发和指导下，我掌握了一些科学研究的方法，锻炼了独立分析问题的能力。每次去找老师解答一些问题，老师总是教导我们，遇到问题需要一点一点的分析，分布完成各阶段的任务，最后在总结整体结论。这对我以后工作上给了很好的建议和帮助。 其次，还要感谢我的同学*，特别是研究生*学长，他们在我的毕业设计中，给予了我很多大帮助。在这最后的做毕业设计半年里，同学们一起度过了许多难忘的时光，大家从学习和生活上互相关心、支持和帮助，形成了一个良好的学术氛围，充实了我们的大学生活，这是很有意义的。最后要特别感谢的是我的家人和我的朋友在生活上、精神上给予的理解和支持，正是由于您们的关心和帮助，我才能顺利完成我的学业。附录1附录1一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义双向DC/DC变换器就是双象限运行，它实现了能量的双向传输。BDC在系统中起到了集蓄电池充、放电于一体的作用，减少了系统的体积重量，节省了成本，提高了效率。目前，国内外关于对双向DC/DC变换器的研究主要集中以下几个方面：1. 太阳能电池阵系统 在日照区，太阳能直接传送给航天器负载并通过双向DC-DC变换器给蓄电池电池充电，并把多余的能量通过分流调节器耗散掉。在日影区，蓄电池通过双向DC-DC变换器给航天器负载提供能量。2.电动汽车电源管理系统 双向DC-DC变换器应用在电机驱动系统中，既可以通过BDC为电机供电，又可以利用电机的制动能量。3. 不停电电源（UPS）系统 在UPS系统中，通常具有一个