双向交错并联DCDC变流器设计与仿真讲解

1、课题10:双向交错并联DC/DC变流器设计与仿真主要性能指标要求：输入线电压 10V-15V，交流输出功率400W，输出电压 48V，电压控制稳态精度为3%,输出电压纹波峰峰值为100mv。具体内容：要求学生在深入学习和分析双向交错并联DC/DC变换器的组成l.iS| 宀I、I i1a和工作原理基础上，完成主电路和驱动保护电路的硬件设计与元件选型，并在 MATLAB SIMULINK 平台上，完成控制系统仿真。-I- l?l图2双向交错并联DC/DC电路结构图摘要本设计是在双线交错并联 DC/DC电路结构图的基础上进行主电路和驱 动电路，保护电路的硬件设计，并通过对电路参数的计算进行元件选型，

2、并在 simulink上完成控制系统的仿真。【关键词】DC/DC变换器，驱动电路PWM控制，保护电路第一章原理分析|?|图2双向交错并联DC/DC电路结构图1.1双向交错并联DC/DC变换器工作模式分析Boost工作模式该模式下电路的等效电路图如下图所示:该电路的作用把低压端储存的能量通过Boost电路变换成电压较高、稳定的直流电源。此时S3和S4工作，Csuper （ Vin）放电。由于变换器在启动时功率较大，而超级电容的电压又较低，故其放电电流较大，进而两路电感电流之和在变换器工作于Boost模式时一直处于连续工作状态。而且，当变换器工作在最大功率下时，每一路的电感电流也工作在连续状态。为

3、了简化分析，对变换器工作于最大功率时，作出如下假设：(1) 两路开关导通占空比相等，即D3=D4=D，相位差相差180度；(2) 两路电感相等，即 L仁L2=L;(3) 电路已经进入稳态，各个开关周期内电流相等。根据开关管S3 S4占空比D的情况，Boost模式又可以分为 3种状态：D0.5。当D0.5时，由于开关管的导通时间较短，存在两路的续流二极管同时导通的情况，该状态下个阶段电路的主要波形如图2所示。图2 Boost模式D0.5时电路的主要工作波形在阶段一中，两个开关管S3和S4都开通，电感L1和L2储存能量，此阶段有:dt *dt业）J出*在阶段二中，开关管 S3继续导通，电感 L1继

4、续储能；开关管 S4关断，D2续流，电 感L2释放能量，此阶段有：阶段三和阶段四重复阶段一和阶段二的过程，根据图4和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波厶iL1、A 112和超级电容的纹波 isc以及电压增益 Ay:V DT11Buck工作模式该模式下电路的等效电路图如下图所示:ii3T-S1r-I1厶2TET：X111L1L/VYViVbus =COUTL2 i ?1|JYVI1 3tS3广S4C&uL CIN7-:21-匹JLTFXTTEJtexi11在该模式下电路将高压断多余的能量通过Buck电路回馈给Csuper。此时S1和S2工作，Csuper充电。与Boost模式一样，Buck模

5、式下根据开关管 S1、S2占空比D的情况不同可以分为三种 状态：D0.5。当D0.5时，由于开关管的导通时间较短，存在两路的续流二极管同时导通的情况， 该状态下一个开关周期的电路各阶段主要工作波形如图5所示。图5 Buck模式D0.5时电路主要工作波形ai在阶段二中，开关管 S1继续导通，电感 L1继续储能；开关管 S2关断，D4续流，电 感L2释放能量，此阶段有：阶段三和阶段四重复阶段一和阶段二的过程，根据图7和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波厶iL1、A 112和超级电容的纹波 isc以及电压增益 Ay:V DT2L第二章参数设计表1双向交错并联DC/DC变换器参数要求输入线电（V）

6、输出电压（V）交流输出功 率（W）电压控制稳 态精度输出电压纹波波峰值（mv）10-15484003%100双向交错并联 DC/DC变换器的主要元件包括储能电感L1、L2,输入侧电容滤波 Ci,输出侧电容滤波Co和功率开关管。在上文原理分析的基础上，下面将给出变换器电路各元件 的具体参数设计。2.1电感参数设计最大的电感电流纹波（峰峰值） iL为其平均值的20%分别计算Boost模式和Buck模式下电感值，Boost电路电感LBoost和Buck电路的电感LBuck分别为:考虑到采用了交错并联及术后，两相交错并联电路所需的电感值所需的电感值与单个Boost或Buck所需电感值Lsingle存在

7、如下的关系：Ldual（D）J0Di0.5O.5D,（!）图8Boost模式下的小信号交流等效电路为了简化计算，忽略电感参数的差异，假定L仁L2=L,IL1=IL2, d1(t)人=d3(t)人=d(t)人，ll1(t) 人=iL2(t)人=iL(t)人。同时，因为电路的稳态量D仁D3设D仁D3=D.根据小信号模型等效电路，可以求出Boost工作模式下占空比到电感电流的传递函Gid(s):RgBoost模式下，通过控制双向DC/DC变换器的输出电流来补偿蓄电池额定放电电流的不足。其控制框图如图 9所示：图9Boost模式下的系统控制框图输出电流经过低通滤波和功率守恒计算，得到输入电流的给定值。

8、通过分别控制两路电感电流，一方面减小了两路之间的电流误差，同时也达到了间接控制输出电流的目的。5.2 Buck模式下控制系统建模与仿真采用受控电流源、受控电压源和理想变压器等效，建立变换器在Buck模式下的信号交流等效电路，如图10所示:图10 Buck模式下的小信号交流等效电路为了简化计算，忽略电感参数的差异，假定L仁L2=L,IL1=IL2, d2(t)人=d4(t)人=d(t)人，Il1(t) 人=iL2(t)人=iL(t)人。同时，因为电路的稳态量D2=D4设D2=D4=D.根据小信号模型等效电路，可以求出Buck工作模式下占空比到电感电流的传递函数Gid(s):占空比到输出电压的传递函数Gud(s):电感电流到输出电压的传递函数Gv1(s):G 何 3.=_.hu)卩册so 曲)a)-o pM(j)二oBuck模式下，采用电压电流双向闭环的控制策略，给超级电容充电。通过电压11所示:外环精确控