基于FPGA的双向DC-DC变换器的设计

1、广西工学院毕业设计（论文）开题报告（ 届）题目名称：A bi-direction DC-DC Converter design based on the FPGA基于FPGA的双向DC-DC变换器的设计系 别 电子信息与控制工程系 专 业 自 动 化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日一、选题的根据：1）本选题的理论、实际意义随着电力电子技术和新能源利用技术的发展，双向DC-DC变换器在直流不停电电源系统、航空能源系统、太阳能光伏发电系统、燃料电池应用系统以及基于燃料电池和混合能源的电动汽车或船舶等领域具有广泛的应用前景，已经引起了国内外专家的广泛关注。由于环境保护和能源短缺的要求，

2、对于太阳能光伏发电系统、风能发电系统和以太阳能电池为动力的混合电动汽车的研究成为一个热点内容。在这些应用领域中都需要一个高效率高可靠性的储能环节，通常为蓄电池装置，因此研究一种合理的双向DC-DC变换器对于这些系统高效、高功率密度、小型化、高可靠性的要求具有重要的意义。由于用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过软件程序的改变方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，一定程度上提高了系统的可靠性。基于上述原因考虑用FPGA（现场可编程门阵列）对双向DC-DC变换器进行控制，再加上FPGA

3、具有开发周期短、灵活性高、模块可重复利用率高等特点，相信对于双向DC-DC变换器在控制策略上的研究能提供一定的参考价值。2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解20世纪80年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出双向直流变换器代替蓄电池充电器和放电器，实现汇流条电压稳定。此后，1994年香港大学陈清泉教授开展了电动车用双向直流变换器的研究和试验工作。1998年美国弗吉尼亚大学的李择元教授开始从事与燃料电池配套的双向直流变换器研究。1994年澳大利亚Felix AHimmelstoss在PESC94上发表文章，总结了不隔离双向直流变换器的4种拓扑结构。由于Buck-

4、Boost双向直流变换器输出输入电压极性相反，不适合于电动车的使用，FCaficchi提出了一种Buck-Boost级联型双向直流变换器，该变换器输出输入的负端共用。隔离式双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等电路拓扑结构。2001年浙江大学陈刚博士在双向反激式直流变换器基础上提出有源箝位双向反激式直流变换器，变压器原副边箝位电路的引入，消除了普通反激变换器中的电压尖峰和振荡，实现了所有开关管的零电流开关，减少了开关器件的电压应力。虽然复合有源箝位电路实现了软开关，箝住了关断电压尖峰，但是由于箝位电容Cc的引入，使得个别器件的电压增益增加了Vcc，Vcc是箝位电容上的电压。推挽式直流变换器也

5、有对称的电路结构，1989年就有学者提出了双向推挽直流变换器的电路。推挽变换器的结构简单，但变压器的偏磁和漏磁限制了这种变换器的应用。在输入输出电压相差较大的场合，一种由推挽变换器和半桥变换器组合成的混合变换器得到了发展。2004年南京航空航天大学张方华博士对推挽正激移相式双向DC-DC变换器、级联式双向DC-DC变换器、正反激组合式双向DC-DC变换器做了深入的研究，提出了许多新型的适合于双向变换应用场合的应用电路，研究了其控制模型，通过双向控制模型的分析，采用PID补偿环节的单电压闭环实现了系统闭环稳定。同步整流技术是近几年开关电源技术研究的热点，其主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解

6、决续流管的导通损耗问题。双向同步直流变换器的研究也是目前研究的热点之一。2006年梁永春博士研究了由两路双向反激直流变换器输入并联输出串联构成的反激逆变器，在连续工作模式的反激逆变器的基础上，提出同步整流控制方案，大大简化了传统电流源高频链逆变器的控制方案，从而有效地降低了整流二极管导通损耗，将整机效率提高到85.8。本课题研究的是一种用于车载电源的双向DC-DC变换器，由于输入输出电压等级相差太大，所以降压电路采用移相PWM-ZVZCS的桥式功率变换电路，超前桥臂实现ZVS，滞后桥臂实现ZCS；升压电路采用新型软开关推挽式Boost功率变换电路，通过在原边加入一个辅助电路使开关管实现软开关。

7、控制电路部分则在FPGA里实现，以Altera公司Quartus II软件为开发平台，通过VHDL和原理图输入相结合的方式产生主电路所需要的PWM波形。二、研究内容1）主要研究内容设计一个基于FPGA的双向DC-DC变换器，该变换器由以下3部分组成：（1）主电路降压电路采用移相PWM-ZVZCS的桥式功率变换电路，升压部分采用新型软开关推挽式Boost功率变换电路；（2）控制电路由A/D采样控制模块、数字PID控制模块、数字PWM控制模块组成；系统时钟控制模块（3）其他辅助电路包括电压电流取样电路、保护电路、A/D转换电路、驱动电路、辅助电源电路、无源晶振电路、给定信号输入电路。系统框图如下：

8、双向DC-DC变换器主电路辅助电源电路dianlu驱动电路A/D转换FPGADC300VDC24V数字PWM控制模块PID控制模块A/D采样控制模块电压、电流取样电路无源晶振电路给定信号输入电路2）研究重点（1）升压电路、降压电路中开关功率管软开关的实现；（2）基于FPGA的控制电路的设计；（3）控制电路各个模块的编译、仿真。3）研究难点（1）降压控制模块中移相控制模块的设计，如何通过设计一个变量改变超前桥臂和滞后桥臂之间的移相角；（2）数字PWM控制模块的设计、编译、仿真；（3）如何利用FPGA实现数字PID调节。4）创新点由于FPGA具有开发周期短、灵活性高、成本低、模块可重复利用率高等特

9、点，本论文采用FPGA进行控制电路的设计，通过设计某种控制策略使得移相PWM-ZVZCS的桥式功率变换电路和新型软开关推挽式Boost功率变换电路组成一个双向DC-DC变换器，满足车载电源系统的设计要求。5）拟撰写论文的结构摘要第一章 绪论第二章 主电路拓扑结构及控制方式选择第三章 主电路工作原理第四章 主电路器件选择及参数设计第五章 基于FPGA的控制电路设计第六章 辅助电路的设计及选择结束语致谢参考文献附录三、研究方法通过在网上或者学校图书馆中文数据库里查找关于双向DC-DC变换器及FPGA的文献资料，通过各文献资料的比较之后首先确定主电路的拓扑结构，明确设计参数，在主电路大体思路了解之后

10、然后定下控制电路的模块组成，通过运用VHDL语言与原理图输入相结合的方法对模块进行编译、仿真、引脚锁定、配置文件下载等步骤之后，最后与主电路以及一些辅助电路进行结合，最终完成整个系统的设计。四、进程安排和采取的主要措施3月4号至3月11号：收集与课题有关的文献资料（外文翻译材料一并收集）；3月12号至3月19号：主电路拓扑结构方案的确定；3月20号至3月27号：主电路硬件设计，软件模块规划及设计；3月28号至4月17号：软件模块编译、仿真、引脚锁定；4月18号至4月30号：其他辅助电路的设计及选择；5月1号至5月15号：撰写毕业论文初稿；5月16号至5月29号：收尾并完善毕业设计论文。五、主要

11、参考文献1 刘晓艳.基于FPGA的高频PWM开关电源控制器设计D.江苏大学硕士学位论文，2009，6.2 陈冲.一种新颖的软开关双向DC-DC变换器D. 合肥工业大学硕士学位论文，2007，5.3 黄俊，王兆安.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2008.4 凌俊杰. 一种新型零电压、零电流全桥PWM DC-DC变换器的研制D.江苏大学硕士学位论文，2005，6.5 庄元明.双向全桥DC-DC变换器研究D.南京师范大学硕士学位论文，2007，4.6 吴金桥.一种车载电源双向DC-DC变换器的研究D.合肥工业工业硕士学位论文，2006,11.7 方如举.一种新型双向DC-DC变换器的研究D. 合肥工业大学硕士学位论文，2006，4.8 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M北京：电子工业出版社，1999.9 曲学基，王增幅，曲敬铠.新编高频开关稳压电源M北京：电子工业出版社，2005.10 常栋梁.基于FPGA的数字PWM控制器的研制D.西安科技大学硕士学位论文，2008,4.11 潘 松，黄继业 . EDA技术使用教程M.北京：科学出版社，2008.12 清源计算机工作室 . Protel 99 SE原理图与PCB及仿真 M.北京：机械工业出版社，2008.13 Ehsan Adib *，Hosein Farzanehfa