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20 kW 蓄电池 电机 研究 设计

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武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名 程 琪 专业班级 班指导教师 黄 亮 工作单位 自动化学院设计(论文)题目: 20kW蓄电池放电机研究与设计 设计（论文）主要内容：设计一款20kW蓄电池放电机，放电机输入源为蓄电池，电压范围为300-430V，放电机由用户通过CAN总线控制，电压变化范围为360V-400V，电压纹波1%，输出功率20kw，也可通过CAN总线将放电机控制在电流模式下，输出电流由用户通过CAN总线控制，变化范围1-59A，纹波电流1%。放电机采用隔离型boost升压架构，设计电路参数，建立电路模型并仿真；设计PID控制器，通过仿真确定PID参数。要求完成的主要任务:1. 完成不少于2万印刷符，且与选题相关的英文文献翻译工作。2. 查阅相关文献资料（论文参考文献不低于中文13篇，英文2篇）。3. 撰写开题报告。4. 掌握隔离型boost升压电路基本结构及原理，完成电路参数设计及各主要器件的选型。5. 根据电路设计，建立电路动态仿真模型，并仿真。6. 掌握PWM调制技术，设计PID控制器，MATLAB建模并完成系统仿真7. 绘制图纸3张必读参考资料：1林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:中国电力出版社,20082林渭勋，现代电力电子电路.杭州:浙江大学出版社，20023陈坚，电力电子学电力电子变换和控制技术.北京:高等教育出版社，20024 王兆安 黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 毕业设计（论文）题 目 学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：年 月 日导师签名：年 月 日武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名 程 琪 专业班级 自动化0802班指导教师 黄 亮 工作单位 自动化学院设计(论文)题目: 20kW蓄电池放电机研究与设计 设计（论文）主要内容：设计一款20kW蓄电池放电机，放电机输入源为蓄电池，电压范围为300-430V，放电机由用户通过CAN总线控制，电压变化范围为360V-400V，电压纹波1%，输出功率20kw，也可通过CAN总线将放电机控制在电流模式下，输出电流由用户通过CAN总线控制，变化范围1-59A，纹波电流1%。放电机采用隔离型boost升压架构，设计电路参数，建立电路模型并仿真；设计PID控制器，通过仿真确定PID参数。要求完成的主要任务:1. 完成不少于2万印刷符，且与选题相关的英文文献翻译工作。2. 查阅相关文献资料（论文参考文献不低于中文13篇，英文2篇）。3. 撰写开题报告。4. 掌握隔离型boost升压电路基本结构及原理，完成电路参数设计及各主要器件的选型。5. 根据电路设计，建立电路动态仿真模型，并仿真。6. 掌握PWM调制技术，设计PID控制器，MATLAB建模并完成系统仿真7. 绘制图纸3张必读参考资料：1林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京:中国电力出版社,20082林渭勋，现代电力电子电路.杭州:浙江大学出版社，20023陈坚，电力电子学电力电子变换和控制技术.北京:高等教育出版社，20024 王兆安 黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、设计（论文）目的及意义（含国内外的研究现状分析）目前，随着可循环利用能源的发展以及人们环保意识的提高，加上在很多场合和设备的特定需求，蓄电池的应用越来越广泛。蓄电池的作用是把电能以化学能的形式储存起来，在需要使用的时候再将化学能转化为电能输出。 由于蓄电池是由单组组成，为了检查出单体性能下降的电池，避免其影响整个蓄电池组的性能，必须使用放电机进行放电试验；另一方面，对蓄电池进行放电，可以活化极板，以免长期浮充电造成极板软化。本次设计的目的就是设计一款蓄电池放电机能够符合要求的对特定功率的蓄电池进行放电。本次设计的实质就是设计一个可控的DC/DC直流变换电路。按业界的称呼，AC/DC称为整流，包括整流和离线式变换；DC/AC称为逆变；AC/AC称为交流/交流变频（同时伴随变电压），DC/DC称为直流/直流变换。我们可以采用多种方式和手段达到转换的目的，在几年前，最常用的方式就是以半导体器件搭成的电路来实现转换，而随着电力电子技术的发展，目前主要采用基于PWM技术的可控DC/DC变换电路。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，常用的直流斩波电路就是采用的PWM技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是PWM技术中最为简单的一种情况。 基于PWM的DC/DC变换器由功率开关管、整流二极管、滤波电路和PWM控制电路等组成。其输入、输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升、降压。由于开关工作频率的提高，滤波电感L、变压器T等磁性元件及滤波电容C等都可以小型化。近年来，电力电子技术的快速发展和电力电子装置系统在军士、工业、生活及高新技术领域的广泛应用，对电磁环境带来了严重污染，造成电网电能质量下降，干扰周围其他电气设备，导致可靠性下降乃至造成严重事故。从1996年骑欧洲已对电力电子装置引入电网的谐波和电磁干扰实施了严格的限制，开始执行新的安全指令：电磁兼容指令。对于常用的PWM型电力电子系统，工作波形是周期性脉冲系列，可能是方波、准方波、阶梯波、SPWM波或其它可变宽度的PWM波等波形，从频谱分析可知，各类脉冲信号含有丰富的高次谐波，其频谱可达脉冲频率的千倍次以上。因此，电力电子系统是一个很强的宽带电磁发射源。对于由PWM驱动信号所造成的EMI问题，是国内外近阶段的研究重点之一，学者专家门期望通过各种途径解决这一难题，例如利用随机调制技术实现对EMI的抑制而不增加系统的体积。由于隔离升压DC-DC变换器有宽广的应用领域，目前它已经成为开关电源领域的重要研究热点。以美国VPEC为代表的国外研究机构展开了一些研究，但多处在理论仿真研究和小功率试验样机的阶段。基于Buck变换器的电压源变换器，虽然具有单向功率流、变换效率高、输出容量大、输出电压文波较小等优点，然后，电压源型变换器在负载过载甚至短路时，其功率开关电流的上升率将比正常工作时大的多，缩短了保护电路的动作时间，因而其可靠性不够理想。基于Boost变换器的电流源变换器，由于储能式变压器的电感能够起到限流作用，在负载过载甚至短路时，其功率开关电流的上升率与正常工作时的相同，为功率开关的保护电路赢得了足够的动作时间，因而其可靠性将比基于Buck变换器的电压源变换器高。 本次设计采用隔离型全桥Boost升压电路，利用4个可控器件IGBT构成全桥，直流输入电压经过全桥变成交流电，通过变压器变压，变压器次级接4个二极管组成的整流桥，将交流电证流成直流电，后接滤波电感滤波后输出。2、设计（论文）任务、重点研究内容及进度安排设计（论文）任务是：设计一款20kW蓄电池放电机，放电机输入源为蓄电池，电压范围为300-430V，放电机由用户通过CAN总线控制，电压变化范围为360V-400V，电压纹波1%，输出功率20kw，也可通过CAN总线将放电机控制在电流模式下，输出电流由用户通过CAN总线控制，变化范围1-59A，纹波电流1%。放电机采用隔离型boost升压架构，设计电路参数，建立电路模型并仿真；设计PID控制器，通过仿真确定PID参数。重点研究内容：1 、PWM DC/DC变换电路设计使用常用的PWM DC/DC变换电路，并且计算出各个器件的参数。2 、隔离型Boost升压架构。要求掌握隔离型Boost升压电路的基本架构和原理，完成电路参数设计及主要器件的选型。3 、控制电路设计。要求使用PID控制器，通过仿真确定PID参数。 设计（论文）的进度安排是：1、第1-2周：毕业实习。2、第3周：实习总结。3、第4-5周：查阅文献资料，完成开题报告。4、第6-7周：学习Boost电路的相关知识，构建电路；利用电压反馈，通过PID控制控制IGBT的开端，通过仿真调试PID参数。5、第8-14周：完成论文初稿。6、第15-16周：论文修改并定稿。报告人签名： 年 月 日3、指导教师意见 意见： 结论：指导教师签名：年 月 日武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（论 文） 目录 摘要I绪论11 研究背景12 研究意义及隔离升压DC-DC变换器的应用前景12.1 在电动汽车中的应用12.2 在其他方面的应用23 隔离升压DC-DC变换器研究状况24 本文主要研究内容31 Boost电路原理41.1 基本Boost电路原理41.2非隔离型Boost和隔离型Boost51.2.1 非隔离型51.2.2 隔离型61.3 隔离型Boost电路分类61.3.1 Boost推挽变换器61.3.2 Boost双电感推挽变换器71.3.3 Boost反激变换器81.3.4 Boost正激变换器91.3.5 Boost全桥变换器92 隔离型Boost全桥变换器102.1 Boost全桥变换器电路结构102.2 Boost全桥分析102.2.1 工作原理分析112.2.2 电路的基本关系132.3 IGBT介绍212.3.1 IGBT结构及工作原理212.3.2 IGBT的工作特性222.4 器件选型233 控制器模型建立233.1 采样环节233.2 电压环243.3 PWM信号发生环节243.4 系统闭环传递函数结构框图254 Simulink仿真254.1 Matlab/Simulink环境介绍254.2 隔离型Boost全桥电路仿真264.2.1 IGBT驱动模块264.2.2 PID控制驱动模块274.2.3 隔离型Boost全桥电路27结束语29致谢30参考文献31附录：隔离型Boost全桥仿真电路。32 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（论 文） 摘要目前，随着可循环利用能源的发展和人们环保意识的提高，加上在很多场合和设备的特定需求，蓄电池的应用越来越广泛。其中，纯电动汽车被认为是解决大气污染和能源危机的有效途径之一。针对燃料电池电动车辅助能源系统的特点，提出了采用隔离Boost全桥变换器拓扑方案可有效地解决这一问题。文中介绍了该方案的原理，详细分析了控制系统，给出了数字化控制的实现方法和主电路关键参数的设计。并且设计了300V输入，400V输出的隔离Boost全桥变换器，进行了仿真，仿真结果表明，系统具有良好地动态性能，能有效地应用于电动汽车领域。关键词：燃料电池；电动汽车；DC-DC变换器；隔离Boost变换器；实验仿真 Abstract Now, along with recycled energy development and the improvement of the people environmental protection consciousness, and in many cases and the specific needs of equipment, storage battery used more widely. Among them, the pure electric vehicle is considered to be solve atmospheric pollution and one of the effective ways of energy crisis. For fuel cell electric vehicles auxiliary energy the characteristics of the system, puts forward the isolation of the whole bridge Boost converter topology scheme can effectively solve the problem. This paper introduces the scheme of principle, detailed analysis of the control system, digital control are given the implementation method of the main circuit and the design of the key parameters. I designed a whole bridge Boost converter circuit for 300V input and 400V output. The simulation results shows that the system has good dynamic performance, can effectively applied to electric car domain. Key words: Fuel Cells; Electric Vehicle; DC-DC converter; isolated Boost converter; Simulink I 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（论 文） 绪论1 研究背景 电能是当今最重要的能源形式，使用最方便，使用范围非常广，并且是清洁无污染的。电能变换则是用电之门，时用好点的必由之路。 供人类使用的电能都是通过一些方法产生或收集的来的，发电站是交流电网的源头。太阳能发电、风力发电、潮汐发电等时自然能与电能之间的有效转换。燃料电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸蓄电池等时经过电化学反应而产生电能的电能载体。所有称得上“电池”的都是直流电的储蓄体。直接从电网或者电池汲取的电能在某种意义上都是“粗电”。在大多数情况下，使用这些“粗电”都不能尽如人意，譬如电网上的点就不一定好使，需要稳压器等对电网的“粗电”进行整合和修补。电池电量随工作时间的延长或用电量的加大会逐渐衰竭，电池单体的电压较低，很少以其自然形态直接拿来使用，多数是串联或并联组合，但很难保证组合中的每个单体的特性一致，所以必须实施合理的充电、放电和监控。由于电力电子技术的发展，功率半导体开关器件的长足进步，DC-DC等电能变换技术在电网和用户之间起到较佳的缓冲匹配作用。DC-DC变换器是将一种直流电变换为另一种形式直流电的技术，主要对电压、电流实现变换，它在计算机、通讯、家用电器、航天航空、交通、国防军工、工业控制等领域有着广泛的应用前景。本文所需要研究的放电机，就是一种应用于对电动汽车的蓄电池组进行维护和调试的机器，实质上就是一个DC-DC变换器。2 研究意义及隔离升压DC-DC变换器的应用前景2.1 在电动汽车中的应用随着燃油汽车数量的快速增长，汽车尾气的污染问题越来越严重，特别是尾气中的一氧化碳和铅对人类的健康危害极大。另一方面燃油汽车使用的燃料来自于石油，而石油是有限的不可再生资源，作为全世界重要的化工资源的石油被世界各国在汽车上大量的消耗。在这样的背景下，由于燃料电池电动汽车具有清洁无污染、能量效率高及能量来源多养活、结构简单和维修方便等优点，称为电动汽车发展的新热点。但是燃料电池是通过化学反应发电，所以响应速度慢，另外也为了减小燃料电池的体积重量和成本，因此需要二次能源匹配燃料电池与负载之间的功率差异，在汽车冷起动、加速或爬坡时需要二次电源提供辅助功率。图1为燃料电池电动汽车的动力系统。 图1 燃料电池电动汽车的动力系统燃料电池电动车辅助能源系统一般为低压蓄电池或超级电容（一般为12V或24V），把低压升为高压，DC-DC功率变换器在辅助能源与高压直流母线之间起到较佳的匹配作用。根据其特点可知，该DC-DC变换器要满足：1.具有升压功能；2.要进行电气隔离。2.2 在其他方面的应用隔离升压DC-DC变换器是一种既能实现大升压比又能实现电气隔离的DC-DC变换拓扑，除了用于电动汽车外，它在分布式发电、储能系统、可再生能源发电以及通讯航天领域有广阔的应用前景。在分布式发电系统中，应用于燃料电池电站、军用移动电源和混合能源管理系统等。在储能系统的应用中，应用于蓄电池储能系统、超级电容储能系统、超导储能系统和飞轮储能系统等。在可再生能源系统中，应用于风能、太阳能发电系统等。在通讯和航天应用中，用于具有功率因数校正功能的通讯电源、应急电源和航天电源等。3 隔离升压DC-DC变换器研究状况 由于隔离升压DC-DC变换器有宽广的应用领域，目前它已经成为开关电源领域的重要研究热点。以美国VPEC（Virginia Power Electronics Center）为代表的国外研究机构开展了一些研究，但多处在理论仿真研究和小功率试验样机的阶段。 美国VPEC研究用于纯电动车和混合电动车充电器的隔离升压全桥变换器，目前处在 电路分析和仿真阶段，小功率的试验样机都采用模拟控制； 美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）也做了建模和仿真研究； 爱尔兰Cork大学做了电动汽车充电器的研究，其实验原理采用模拟控制，效果还不 太理想，功率因数较低； 韩国电工技术学院也对该拓扑展开了研究，应用领域是分布式能源系统，主要是电路 分析和仿真，实验电路也为模拟控制，处在实验研究阶段； 台湾大学展开了在太阳能发电和电子整流器中的应用研究； 国内在这方面的研究刚刚起步。 基于对基础的隔离升压DC-DC变换器的研究，很多专家学者提出了一些能拓展变换器性能的研究，比如：多输入的隔离型Boost全桥直流升压电路；有源钳位的隔离型Boost倍压电路；新型的ZCZVS（零电流零电压） PWM Boost全桥变换器等。4 本文主要研究内容 本文通过对功率开关电路和输出整流电路的相互组合提出了隔离升压DC-DC变换器拓扑族，对隔离Boost全桥拓扑进行了理论分析和Simulink仿真，为其电路的分析设计提供了电路理论基础。首先分析了隔离升压全桥变换器的工作模态，继而详细分析了该变换器的电压传输比，外特性等基本电气关系，最后做了Simulink仿真。第一章：介绍了Boost电路的基本原理和分类，给出了本文需要的电路选型。第二章：仔细分析了隔离Boost全桥电路的工作原理，给出了电路参数关系，并且计算出了电路主要的器件参数和选型。第三章：建立了电路的模型，分析设计了PID控制器，设计出了Simulink仿真电路，对本次设计做了理论仿真。 1 Boost电路原理1.1 基本Boost电路原理 The boost converter，或者叫step-up converter，是一种开关直流升压电路，输出电压高于输入电压。基本电路图如图2. 图2 基本Boost电路 假定那个开关（三极管或者MOS管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。充电过程：在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图3所示，开关（三极管）处用导线代替。这是，输入电压流过电感，二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电杆上的电流以一定比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流的增加，电感里储存了一些能量。 图3 充电阶段等效电路放电过程：如图4，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已经断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输出电压了。升压完毕。 图4 放电阶段等效电路 说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时电感吸收能量，放电时电感放出能量，如果电容量足够大，那么在输出端就可以再放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的输出电压。1.2非隔离型Boost和隔离型Boost1.2.1 非隔离型非隔离型BoostDC-DC变换器电路结构与拓扑实例如图5。该电路结构是由输入LC滤波器、储能电感、逆变器、整流器以及输出滤波电容依序级联构成，是研究其他Boost型变化你去的基础，适用于输出电压高于输入电压的中大功率直流变换场合。一般情况下，简单的Boost电路因为是用于直流升压，所以不含有逆变器和整流器。 （a） （b） 图5 非隔离型Boost电路结构（a）和拓扑实例（b）1.2.2 隔离型隔离型Boost就是在非隔离型的Boost电路中的逆变器和整流器之间插入高频变压器。输入电压经过滤波之后逆变成交流电，通过变压器升压，然后整流滤波成直流电输出。隔离型Boost电路结构和拓扑实例如图6。 （a） （b） 图6 隔离型Boost电路结构（a）和拓扑实例（b）1.3 隔离型Boost电路分类由于本次设计针对的输入和输出电压较高，所以必须采用隔离型的Boost电路以保障安全。隔离型Boost电路包括：Boost推挽变换器、双电感推挽变换器、Boost反激变换器、Boost正激变换器和Boost全桥变换器。1.3.1 Boost推挽变换器 隔离Boost变换器最初归类于电流馈点变换器。作为电流馈点变换器一族里最简单的拓扑Boost推挽变换器是在1966年提出的。1967年通过控制开关管交叠导通提高了该拓扑的能力。 Boost推挽变换器有两种常见的拓扑形式，一种是储能电感的副边线圈通过整流二极管连接到输出端，如图7(a)所示；另一种是连接到输入端，如图(b)所示。图7(c)是在图7(a)上增加MOSFET实现IGBT的零电压开关。 (a)耦合电感连接到输出端 (b)耦合电感连接到输入端 (c)使用MOSFET减小开关损耗 图7 Boost 推挽变换器1.3.2 Boost双电感推挽变换器双电感推挽变换器拓扑如图8所示。 其中(a)为传统双电感推挽变换器；(b)为在传统双电感推挽变换器上增加一只匝比为1 的变压器耦合两路电感电流；(c)为(b)的等效电路模型；(d)为(b)磁集成后的电路图，利用电流镜像变压器的漏感作为双电感；(e)为床垫干推挽变换器的两只电感分别改为耦合电感，将耦合电感的副边和输出整流二极管串联，耦合电感的匝比与变压器T的匝比相同。 (a)传统双电感推挽变换器 (b)增加镜像电流变压器 (c)图(b)的等效电路 (d)图(b)磁集成电路 (e)分别增加耦合线圈 图8 双电感推挽变换器1.3.3 Boost反激变换器 图9是Boost反激变换器拓扑。 其中(a)为Weinberg变换器；(b)是将传统的Weinberg变换器的耦合电感直接放在推挽变压器整流二极管之后，从而节省了两只反激整流二极管；(c)俄日单管正反激变换器；(d)为双管正反激变换器。 (a)Weinberg变换器 (b)简化Weinberg变换器 (c)单管正反激变换器 (d)双管正反激变换器 图9 Boost反激变换器1.3.4 Boost正激变换器 图10是Boost正激变换器拓扑。 其中(a)为增加磁复位电容的Boost正激变换器；(b)为没有增加磁复位电容的Boost正激变换器。 (a)带磁复位电容 (b)不带磁复位电容 图10 Boost正激变换器1.3.5 Boost全桥变换器 图11为加入了有源钳位Boost全桥变换器的拓扑。 图11 加入了有源钳位的Booat全桥上图由于加入了有源钳位的Booat全桥变换器，该变换器可以工作在Boost模式，也可以工作在Buck模式，由于本次设计任务只需要工作在Boost模式下，所以没有加入有源钳位。具体的电路工作原理和参数关系将在下一章做出具体说明。2 隔离型Boost全桥变换器2.1 Boost全桥变换器电路结构Boost全桥变换器在基本的Boost电路上做了如下改动：由于需要隔离升压，所以加入了变压器，但是本电路是用作直流升压，而直流电不能通过变压器升压，所以在直流电压输入之后，使用4个可控开关器件做成全桥电路，将直流电逆变成交流电，这样即可通过变压器升压，然后在变压器的次级，接入4个二极管组成的全桥整流器，将升压之后的交流电整流成为直流电，这样就完成了直流-直流的升压。Boost全桥变换器电路结构如图12. 图12 Boost全桥整流电路结构2.2 Boost全桥分析 图13是主电路原理图。它由输入电源Ui，升压电感L，全桥逆变电路Q1-Q4，隔离升压变压器T（升压比为nT），全桥整流电路D1-D4，输出滤波电容Co和如在RL组成。iL为电感电流，亦即输入电流，Uo为输出电压，亦即负载电压，io为输出电流。 图13隔离升压全桥变换器原理图 通过控制四肢功率开关管，在变压器原边得到一个交流方波电压，经过隔离变压器升压后，在变压器副边得到一个幅值为原边nT倍的交流方波电压，然后通过整流桥输出，经过输出滤波电容滤波得到直流输出电压。 稳态时电路的工作原理可以等效成单管Boost电路，如图14，功率开关管闭环时，输入电感储能，负载能量由输出电容提供，功率开关管断开时，电源和储能电感一起想负载输出能量。 图14 等效原理图2.2.1 工作原理分析 由该电路的特点可知，开关管不允许同时关断，因为此时存储在电感中的能量无释放回路，将在开关管形成很大的电压尖峰，所以设计稳态工作时开关管驱动脉冲占空比大于0.5，并且两者之间的相位差180。该电路采用的控制方案为堆成PWM控制。 电路主要波形如图15所示。假设电路中的器件都是理想器件，并且在t0时刻电路已经处于稳定状态。图16至图19给出了一个开关周期内变换器件各个开关模态的等效电路图。 图15 电路主要波形开关模态分析：t0，t1：功率开关管Q1、Q4开通，Q2、Q3关断，电感中电流经过Q1、变压器原边、Q4形成回路，存储在电感中的能量及电源能量经变压器传递到副边，给输出滤波电容充电，并向负载提供能量，如图16所示。此时电感的电流可以描述为： （式1）其中：It0时电感向负载释放能量时的初始电流，Dn为第n个周期的占空比，Ts是开关周期。此期间电感电流的下降斜率为：。该周期的持续时间为： 图16 t0，t1 图17 t1，t2 图18 t2，t3 图19 t3，t4 t1，t2：功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4同时开通，电路工作在Boost状态，电源对输入电感充电，如图17所示。此时的电感电流可以描述为： （式2）其中：iL是电感电流，Ui是电源电压，It1是初始电流。此期间电感电流的上升斜率为：。该周期的持续时间为：。 t2，t3：功率开关管Q2、Q3开通，Q1、Q4关断，电感中电流经过Q2、变压器原边、Q3形成回路，存储在电感中的能量及电源能留昂经变压器传递到副边，给输出滤波电容充电，并向负载提供能量，如图18。此过程与开关模态1类似。 t3，t4：功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4、同时开通，电路工作在Boost模态，电源对输入电感充电，如图19。此过程与开关模态2类似。2.2.2 电路的基本关系2.2.2.1 电压传输比 在一个开关周期内，储能电感上能量平衡，即电流的增加量等于减小量。功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4同时开通，电源对储能电感存储能量，电感L中的电流线性增大： （式3）功率开关管Q1、Q4或者Q2、Q3，关断时，储能电感释放能量，电感L中的电流线性减小： （式4） nT为变压器原边与副边的匝比。稳态时根据电感电流线性变化及电感电流连续性原理，上两式可以写成： （式5） （式6）联解（式5）和（式6），并化简可以得到电感电流连续式的电压传输比： （式7）式中D为单管占空比洗漱，T为工作周期，Ton为功率开关管导通时间，Toff为功率开关管截止时间，因此占空比D0.5，可见，输出电压U0大于Ui，所以是升压式电路。图20为占空比与输入电压的关系图。 图20 占空比与输出电压的关系图 2.2.2.2 电路外特性 变换器输出电压在恒定占空比系数下与输出电流的关系：。称为变换器的外特性。（式7）表示了电感电流连续式变换器的外特性，输出电压与负载电流无关，当负载电流减小，就可出现电感电流断续。负载电流为最小值时即为电感电流临界连续，如图21所示。 图21 电感电流临界连续波形图 （式8）IG为电感临界连续电流。稳态时，因，由式6可得： （式9）当D=0.75时，得到最大临界连续电流： （式10）将（式10）带入（式9）得到： （式11）这就是电感电流临界连续的一般表达式，以示于图22。 图22 电感临界连续电流与占空比的关系因临界连续是连续的特例，在本电路中： （式12）因此图22也反应了电压比与的关系。当给定占空比D时，即给定，如负载电流大于由（式11）决定的IG电感电流连续，电压比与负载电流无关，如（式7）所示。如负载电流小于由（式11）决定的IG，电感电流断续，波形如图23所示。 图23 电感电流断续波形图在图23中没电感电流在功率开关管关断时间Toff结束前就下降到零。此时输出平均电流为： （式13）式中，Toff时功率开关管关断后电感电流持续时间，稳态时，由（式5）得： （式14） 和（式6）可得： （式15）整理得： （式16）将（式14）带入（式13）可得： （式17）再将（式16）带入（式17）得： （式18）并结合（式10）和，得： （式19）经整理得到电感电流断续时的电压传输比： （式20) 将电感电流连续时的表达式绘成曲线A、电感电流临界连续的表达式绘成曲线B和电感电流断续时的表达式绘成曲线C，如图24中曲线A、B、C所示。临界连续曲线B右边为电感电流连续区，左边卫电感电流断续区。 图24 输出特性 应当注意，当Io=0时，输出开路，即，这是不允许的，因为这将损坏电路。由图24可见在电流断续区输出电压与输入电压比不仅与真空比系数有关，而且与负载电流有关，在讨论中虽然忽略了电感电阻和晶体管压降，但从特性上可以发现，变换器存在很高的非线性内阻。如变换器工作在这一区域，为维持一定的输出与输入电压比，占空比系数改变非常大，这样会在低输出电流时变换器失控。因此，在电路设计是应以电感临界连续电流作为最小电流来设计电感线圈。实际上电感线圈和功率开关管都不是理想的，输入电感存在线圈电阻，功率开关管有压降。为了简化，可以认为功率开关管饱和压降与二极管正向压降相等，并用功率开关管饱和电阻代替，与电感线圈电阻一起用R表示。因此实际等效电路如图25所示。 图25 实际隔离Boost全桥变换器等效电路图 如电感电流文波较小，当功率开关管导通时： （式21） 当功率开关管截止时： （式22） 联解（式21）和（式22），并令IL=iLmax=iLmin得到： （式23） 由（式23）可见，随负载电流增加，输入电流增加，电阻上压降加大，输出电压下降。如果作如下变换： （式24） （式25）代入（式23）并整理得到： （式26） 上式示于图26。由图可见当参数加大时，输出与输入电压之比偏离越大，即Uo对D的敏感程度下降，控制特性变差。 图26 调节特性2.2.2.3 功率开关管电压电流应力 不考虑变压器漏感时，功率开关管所承受的电压应力应为变压器原边电压，即：由于输入为大电感，电感有阻碍电流变化的作用，所以输入电流纹波教小，而输出纹波较大。当其中一对功率开关管关断时，输入电流全部流经另一对功率开关管，此时功率开关管电流应力最大。变换器效率为： （式27）其中Ploss为整个变换器的损耗。由此输入平均电流为：功率开关管导通时流过的峰值电流为： （式28）式中nTIomin为电感临界连雪电流。ILmax由下式决定： （式29）2.2.2.4 副边整流二极管电压电流应力 副边此阿勇全桥整流方式，同时整流桥的输出端接滤波电容，由此整流管不存在电压尖峰，承受最大电压应力应为输出电压，即VKA=Uo 最大电流应力为额定输出功率时输出的峰值电流，即：2.2.2.5 输出滤波电容工频整流滤波电路中的电容器，其脉动电压频率低，获得较小的脉动电压要求电容量很大，常采用普通铝电解电容，在选择时主要关心的指标是电容的耐压和电容量及漏电流，同时希望较小的体积。在开关变压器中作为能量传输的滤波电容器，其上脉动电压频率达千赫甚至数百千赫，这时电容量虽然任然是以个重要指标并且也是选择的依据，但是电容量达到一定值后，电容量只是影响电压文波的一个次要因素，更重要的是实际电容器的阻抗-频率特性，高频下电容器等效电路图如图27所示。 图27 高频下电容器的等效电路 途中C为电容器标称电容量，RS为等效串联电阻（ESR），它包含两个含义，以是引线及焊接接触电阻，另一个是介质损耗电阻。LS为等效串联电感（ESL）；G为漏电导，同城很小，因此电容等效电路可以简化为图28所示。 图28 电容简化等效电路图 这时电容器的实际阻抗为： （式30） 低频时，上式和，呈容性，因此，ESR和ESL对滤波器不产生影响。随着工作频率增高，低频电容器的ESR、ESL就会产生明显的影响，当大于LSC谐振频率时，甚至呈现电感性，失去滤波性能。在高频开关电路中，如开关频率比电容器谐振频率低得多没这事可不考虑ESL的影响，仅考虑ESR及标称电容影响，此时电压纹波应是两部分叠加而成，即iCRS及，一般电容量足够大时，电压纹波主要有ESR决定。而对于开关瞬时，由于电压电流瞬时变换，产生电流电压尖峰，包含了比开关频率高得多的谐波，远远超过谐振频率fo，这时电容器的阻抗呈感抗，主要是ESL起作用，对尖峰已无抑制作用。因此对高频开关电路应此采用ESR和ESL尽可能低的滤波电容高频电容。同时为了提高滤波效果，应当尽量缩短滤波电容的引线，减少分布电感。并且采用多个小容量的电容器并联，以减少ESR。由上面的分析可知，高频开关电路中滤波电容器的参数ESR和ESL很重要，但这只是在电容量足够大时才是正确的。对于隔离全桥Boost升压电路，输出电压和滤波电容电流的变化如图29所示，电感电流变化量： （式31） 图29 输出电压和滤波电容电流变化输出电流的变化量为，它实际上是电容电流变化量和负载电流变化量之和。若设，即全部电感电流变化量等于电容电流变化量，电容充电时间是，因此电容充电的平均电流为： （式32）因此电容电压峰值文波电压为： （式33）所以，滤波电容的值为： （式34）式中为开关频率。在高频时电容量大于（式34）的计算值后，决定输出文波的是ESL和ESR。为了减少ESR，应同时采用多个小容量的电容并联。为了抑制尖峰，常采用高质量的无极性无感电容与电解电容并联。2.3 IGBT介绍 本文在介绍Boost电路时，多次提到可控开关器件，作为Boost电路中的核心元件，这里对本次设计采用的开关器件IGBT做一个简单的介绍。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是有BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通降压两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流教导；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源等领域。2.3.1 IGBT结构及工作原理 IGBT结构如图30。 图30 IGBT结构N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区的边界形成。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需要控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET得沟道形成够，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减少N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态压降。 图31 IGBT等效电路 图31为IGBT的等效电路图，由图30可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通，若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。2.3.2 IGBT的工作特性IGBT的工作特性包括静态特性和动态特性。2.3.2.1 静态特性 IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。他与GTR的输出特性相似，也可以分为饱和区、放大区和击穿特性三部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+区缓冲，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通状态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流称为IGBT总电流的主要成分。2.3.2.2 动态特性 IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至包和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。世纪应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)与tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，如图32所示. 图32 开通时IGBT的电压电流波形 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET管关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间。td(off)为管段延迟时间，trv为电压Uds（f）的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf由图32中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off) = td(off) + trv + t(f) （式35）式中的td(off)与trv之和又称为存储时间。2.4 器件选型根据电路的基本关系可以得到IGBT的电压应力为，本次设计的Uo为400V，nT为1:3，所以IGBT的电压应力为1200V。电流应力根据（式30）为131A。整流二极管的电压电流应力根据2.2.2.4中给出的关系应为400V/72A。输出滤波电容应采用30mf的低ESR、低ESL的高频滤波电容，或者采用多个小容量电容并联。储能电感采用56H的电感。3 控制器模型建立控制器包括：采样环节，电压闭环，PWM信号发生环节。3.1 采样环节电压采样式用的电压LEM，其瞬态模型为：由此，其动态小信号模型：其传递函数框图如图33所示： 图33 电压采样环节传递函数框图3.2 电压环电压环采用的是PI调节器，其S域瞬态模型为： （式36）进行小信号扰动，线性化并消去稳态量得到电压环的模型函数为： （式37）式中电压环传递函数框图如图34. 图34电压环传递函数框图3.3 PWM信号发生环节PWM信号发生环节传递函数框图如图35。 图35 PWM信号发生环节传递函数框图 图36 PWM信号生成示意图由PWM信号发生器模型如图36可运算得到： （式38）对其进行拉式变换并进行小信号扰动，线性化并消去稳态量得到模型函数为： （式39）其中。3.4 系统闭环传递函数结构框图 图37 闭环传递函数框图 上图为系统整体传递函数框图，根据整体传递函数，可以确定PID控制器的设计。4 Simulink仿真电力电子技术仿真的平台和软件有很多，也各具特色。我选择集数学计算、结果可视化和编程于一身的强大数学和工程运算软件Matlab来实现，采用Matlab提供的仿真工具Simulink对本次设计的隔离型Boost全桥升压电路进行仿真。 4.1 Matlab/Simulink环境介绍 Matlab式矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，式美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulink两大部分。Simulink式Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰即反正惊喜、贴近世界、效率高、灵活等优点，基于以上优点Simulink已经被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时又大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink即动态仿真工具箱，允许用户在屏幕上通过绘制一个个框图来构建系统，并能动态的控制该系统。目前的Simulink不仅能进行线性系统的仿真，还能进行非线性系统的仿真，既可以实现连续时间系统的仿真，也可以实现离散时间系统的仿真。此外，Simulink能够用Matlab自身的语言、C语言或其他语言，根据S函数的标准格式写成用户自定义的功能模块。4.2 隔离型Boost全桥电路仿真4.2.1 IGBT驱动模块 图38 IGBT驱动电路 恒定的脉冲源以50%占空比驱动四个IGBT中的S1和S4，使这两个开关管同时导通或者截止。将脉冲源的信号引出后经过反相器与幅值为1的恒定输入相加，相加后的值与经过PID控制后的PWM控制信号一起接入延时器，来控制另一对开关管S2、S3。经过合适的参数设计之后，使得S2与S3的控制信号为与脉冲源刚好相反地脉冲信号，当脉冲源为高电平时，控制信号为低电平，当脉冲源为低电平时，控制信号为高电平。这样就达到了两组开关管交互导通的目的。 将四个开关管的控制信号使用示波器同时显示如图39，可以看到是我们需要的波形。 图39 四个开关管S1、S4、S2、S3的控制信号波