双向交错并联DCDC变流器设计与仿真

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。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，并在 simulink上完成控制系统的仿真

2、。【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Idnut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。为了简化分析，对变换器工作于最大功率时

3、，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 L1=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： D<0.5 ，D=0.5 和 D>0.5 。当 D<0.5 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D<0.5时电路主要工作波形在阶段一中，开关管释放能量，此阶段有：S3开通，电感L1储存能量；开关管 S4

4、关断，D2续流，电感L2在阶段二中，开关管 S3关断，D1续流，电感L1释放能量；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 2 和伏秒前平衡原理， 可以分别求得电感电流的纹波厶iL1、 IL2和超级电容的纹波 isc以及电压增益 Ay:当占空比D=0.5时，电路只有两个阶段，开关管S3和S4轮流导通，该状态下的电路阶段过程和各阶段的主要工作波形如图 3所示。图 3 Boost 模式 D=0.5 时电路的主要工作波形 当开关管导通占空比继续增加至大于 0.5 之后，将会出现两个开关管同时导通的情况。该 状态下一个开关周期的各阶段电路

5、的主要工作波形如图 4 所示。图 4 Boost 模式 D>0.5 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:在阶段二中，开关管 S3继续导通，电感 L1继续储能；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:Buck工作模式该模式下电路的等效电路图如下图所示: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，Csupe

6、r充电。与Boost模式一样，Buck模式下根据开关管 S1、S2占空比D的情况不同可以分为三种 状态： D<0.5， D=0.5 和 D>0.5 。当 D<0.5 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 D<0.5 时电路主要工作波形在阶段一中，开关管 S1开通，电感L1储存能量；开关管 S2关断，D4续流，电感L2 释放能量，此阶段有：在阶段二中，开关管S1关断，D3续流，电感L1释放能量；开关管S2关断，D4续流, 电感L2释放能量，此阶段有：可以分别求

7、得阶段三和阶段四重复阶段一盒阶段二的过程， 根据图 5 和伏秒前平衡原理，电感电流的纹波厶iL1、 IL2和超级电容的纹波isc以及电压增益 Ay:当占空比D=0.5时，电路只有两个阶段， 开关管S1和S2轮流导通，该状态下的电路 阶段过程和各阶段的主要工作波形如图 6 所示。图6 Buck模式D=0.5时电路主要工作波形当开关管导通占空比继续增加至大于 0.5之后， 将会出现两个开关管同时导通的情况。该状态下一个开关周期的各阶段电路的主要工作波形如图7 所示。图 7 Buck 模式 D>0.5 时电路主要工作波形在阶段一中，两个开关管S1和S2都开通，电感L1和L2储存能量，此阶段有:

8、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: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）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

9、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 存在如下的关系:Ldual上式中Dx =1-D。由此计算出 Boost 模式下 Ldual=23.44Uh,Buck 模式下 Ldual=21.48uH ， 考虑，装置中采用电感 L1=L2=25uH。2.2 输入输出滤波电容设计考虑输入输出侧最大的电压纹

10、波 V为3%,则输入侧应满足超级电容电压波动综合以上Vsc需求,因此可的输入侧的滤波电容输出侧应满足蓄电池电压波动厶Vbat需求，因此可的输出侧的滤波电容 上式中 R 为变换器的等效负载。由此计算出输入电容 Ci=65Uf,输出电容Co=100uF。由于一般电解电容的 ESR较大, 在功率较大时发热较为严重，影响了整个系统的安全性，故采用多个容值较小的CBB 电容并联作为输出电容。实际上取输入电容Ci=100Uf，输出电容 Co=120uF。2.3 功率开关器件选择装置选取MOSFET作为开关器件以减小装置体积。又由变换器的原理分析可知流过功率 开关器件的电流最大值和电感电流的最大值是相等的，

11、因此最大的漏极电流：考虑 10%的裕量，取 IDmax=24A。功率开关器件所承受的最大电压应力就是输出电压的最大值即：但考虑到 MOS 管关断时由于电路引线电感的影响， 通常存在较大的电压过冲。 因此实 际装置中取 VDSmax=60V。第三章 驱动电路设计由于所采用的 MOS 管输入结电容，考虑其开通时间在 50ns 以内，故驱动峰值电流6A. 。选取型号为 IXDD609 的驱动芯片来驱动MOS管，该驱动芯片的驱动峰值电流为9A.，驱动电压的上升和下降时间均小于25ns。驱动电路如图13所示。双向交错并联 DC/DC变换器共有4个MOS管，其中Boost模式的MOS管S1，S2是共地的，

12、而 Buck模式的MOS管S3, S4是隔离的，因此驱动电路的供电电源共需3路互相隔离的+5V和+ 15V。图 13 驱动电路图第四章 电路仿真在Boost工作模式下，输入电压为10-15V，给定输出电压为 48V，是测出输出电压为48V，是测出输出电压在额定功率左右是误差为10mV，效率达到92.4%，图14a为系统在Boost工作模式额定功率稳态运行时相关参数的波形。图14b为系统负载瞬时降低 20%时的电压波形。可见，输出电压在5ms内稳定在48V。为了保证系统可靠性，系统在启动时控制程序给定一个线性变化量，通过约30ms达到48V，图14c为系统启动过程中相关参数的实验波形。在 Buc

13、k工作模式下，高压端输入电压为直流48V。图14d为系统在Buck模式下，给定输出电流 13.5A 时稳态工作的波形。图 14 实验仿真图形第五章 控制系统建模与仿真5.1 Boost模式下的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 交流等效电路，如图 8 所示：图 8 Boost 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L1=L2=L,IL1=IL2，Boost 模式下的信号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D1=D3=D.根据小信号模型等效电路，可

14、以求出 Boost 工作模式下占空比到电感电流的传递函 Gid(s):Boost 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 9 Boost 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。 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)