DC-DC直流变换器

1、第1章 绪 论本章介绍了双向DC/DC变换器（Bi-directional DC/DC Converter，BDC)的基本原理概述、研究背景和应用前景，并指出了目前双向直流变换器在应用中遇到的主要问题。1.1 双向DC/DC变换器概述所谓双向DC/DC变换器就是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据具体需要改变电流的方向，实现双象限运行的双向直流/直流变换器。相比于我们所熟悉的单向DC/DC变换器实现了能量的双向传输。实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向DC/DC变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上一般都需要二极管，因此单个变换器能量的流通方向仍是单向的，且这样的

2、连接方式会使系统体积和重量庞大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通过一台变换器来实现能量的双向流动，BDC就是通过将单向开关和二极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。1.2 双向直流变换器的研究背景在20世纪80年代初期，由于人造卫星太阳能电源系统的体积和重量很大，美国学者提出了用双向Buck/Boost直流变换器来代替原有的充、放电器，从而实现汇流条电压的稳定。之后，发表了大量文章对人造卫星应用蓄电池调节器进行了系统的研究，并应用到了实体中。1994年，香港大学陈清泉教授将双向直流变换器应用到了电动车上，同年，F.Caricchi等教授研制成功了用20kW水冷式双向

3、直流变换器应用到电动车驱动，由于双向直流变换器的输入输出电压极性相反，不适合于电动车，所以他提出了一种Buck-Boost级联型双向直流变换器，其输入输出的负端共用。1998年，美国弗吉尼亚大学李泽元教授开始研究双向直流变换器在燃料电池上的配套应用。可见，航天电源和电动车辆的技术更新对双向直流变换器的发展应用具有很大的推动力，而开关直流变换器技术为双向DC/DC变换器的发展奠定了基础。1994年，澳大利亚Felix A.Himmelstoss发表论文，总结出了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。他是在单管直流变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管，从而构成四种不隔离的双向直流变换器：

4、Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepi-Zeta双向直流变换器。隔离式双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等拓扑结构。反激式变换器是基于Buck/Boost直流变换器设计的，电路结构对称，相比之下更易于构成双向直流变换器。但普通的反激式变换器容易产生电压尖峰和振荡，2001年陈刚博士提出了有源嵌位双向反激式直流变换器，有效的消除了电压尖峰和振荡，并且实现了开关管的零电流开关，减少了开关器件的电压应力。推挽式变换器也具有对称的电路结构，且结构简单，但存在变压器的偏磁和漏感，从而限制了变换器的应用。所以有学者提出，在输入输出电压相差较大的场合，可以应用由推挽变换器和半桥变换

5、器组成的混合式变换器。桥式直流变换器有两类电路：一种是双有源桥式变换器，电路结构对称，通过控制相位角来控制两直流电源间能量传输的方向和大小；另一种是由电压源型桥式直流变换器和电流源型直流变换器构成，且这两种电路都具有软开关特性。1.3 双向直流变换器的应用前景 双向DC/DC变换器主要应用在：电动汽车、太阳能电池阵、不停电电源（UPS）、分布式电站等方面。1.3.1 在电动汽车中的应用近年来，考虑到环境污染和能源安全等方面，电动汽车的研究得到了飞速的发展。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力车和燃料电池电动汽车三大类。双向DC/DC变换器是应用到电动汽车的一项重要技术。目前，蓄电池电动汽车技术已经

6、有了较成熟的发展，但由于蓄电池可靠性差且储能小，电动和内燃机驱动相结合的混合车辆的研究已经成为了我国一些企业和科研院所的发展重点。混合电动车由无刷直流发电机、逆变器与驱动用交流电动机和蓄电池与双向直流变换等三部分组成。其工作过程是：启动发动机，蓄电池通过双向直流变换器向无刷直流电机供电，无刷直流电机驱动发动机使其启动，作为电动机运行。发动机正常工作后，传动发电机发出直流电，发电机的电能一方面给电池充电，另一方面给逆变器供电，使交流电动机工作，驱动车辆。电动车加速时，发电机和蓄电池同时向逆变器供电，交流电动机输出功率加大。车辆下坡或制动时，电动机转为再生制动状态，逆变器将电动机能量返回，通过双向

7、直流变换器回到蓄电池。燃料电池具有能量密度高、能量转换效率高等优点，是将化学能转换为电能的装置，它是未来电动车的首选能源。在燃料电池供电的电动车系统中，由蓄电池提供压缩机电机的驱动能量，从而建立燃料电池电压，给其创造了启动条件。正常运行时，压缩机电机的能量由燃料电池来提供，系统中逆变器带动的驱动电机的能量回馈到蓄电池中，同时，燃料电池给蓄电池充电。其原理图如下图所示：1.3.2 在太阳能电池阵系统中的应用所有利用太阳能电源的航天器，都需要能量存储系统，该系统和太阳能电池阵组合起来，构成组合供电系统。比较典型的是太阳能-蓄电池供电系统，主要有峰值功率跟踪系统和直接能量传送系统。双向直流变换器起到

8、了集蓄电池充放电为一体的作用，大大减小了体统的体积和重量。1.3.3在不停电电源（UPS）中的应用原理：在不停电电源系统中，有一个充电单元给蓄电池充电，在充电单元异常掉电时，控制器通过检测电压和电流立即做出反应，用蓄电池通过放电单元来提供负载能量，并在一定时间段内保证直流总线电压的恒定，使外界的变化不会影响到对直流负载的连续供电。而这个系统中的充放电单元就可以用双向DC/DC变换器来代替。 在USP中采用双向DC/DC变换器可以起到以下的作用：1、中间变换、升降压，方便选配蓄电池；2、将电池充放电工作隔离开；3、优化充放电过程，提高充放电过程和蓄电池使用寿命；4、允许蓄电池和直流母线相互隔离，

9、保证安全。1.3.4在分布式电站方面的应用【5】分布式发电系统包括多种新型发电单元，许多发电单元输出为直流电源(燃料电池、太阳能等)，同时分布式发电系统内部能量是多路径流动，具备双向功率流动的典型特征，双向DC/DC变换器可以在分布式发电系统发挥重要作用。1.4 本章小结 本章主要对双向直流变换器的基本概念、应用背景以及发展前景进行了详细的介绍，并针对不同的应用方向进行了系统的描述，指出了目前双向变换器在发展过程中所遇到的主要的难题。第二章 双向DC/DC变换器的拓扑结构本章简单介绍了单向DC/DC变换器的基本原理和类型，并根据双向DC/DC变换器按照有无变压器隔离的分类，对各种典型双向DC/

10、DC变换器的电路拓扑做了详细的介绍。2.1 DC/DC变换器的基本原理与类型2.1.1 DC/DC变换器的基本原理DC/DC变换器即是把直流电压变换为另一数值的直流电压，是开关电源技术的一个分支。它是由半导体功率器件作为的开关管、二极管、电感、电容、负载和直流电源构成的，通过使带滤波器的负载电路和直流电压时而接通、时而关断，使得负载上得到另一个直流电压。在所有的DC/DC变换器中，Buck和Boost电路是最基本的。2.1.2 DC/DC变换器的类型DC/DC变换器可以由输入输出之间是否有变压器而分为隔离型和非隔离型。非隔离型的主要拓扑有：Buck降压变换器、Boost升压变换器、Buck-B

11、oost升降压变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器。隔离型的的主要拓扑有：正激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器。（1） 非隔离型变换器 下面主要介绍最基本的Buck降压变换器和Boost升压变换器的工作原理。BUCK：当开关管导通时，电源通过电感L给电容C充电；当开关管关断时，电感L续流，逐渐降低，电容上的电流由正逐渐降为零，并变成负向。进而开关管再次导通，电感上电流增加。BOOST：当开关管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，负载由电容供电；当开关管关断时，电感电流减小，电感电势与输入电压叠加，迫使二极管D导通，一起向负载供电，并同时向电容C充电。（2） 隔离型变换器下面

12、主要介绍反激式变换器的工作原理：它是由电感变压器T、功率晶体管Q、二极管D和滤波电容C组成。晶体管受驱动信号驱动，周期的导通与关断。当开关管导通时，在理想情况下，输入电压全部加在电感变压器初级上，变压器初级感应电势同名端为正，次级同名端也为正，二极管反偏截止，所以电感变压器此时作为电感运行，电源向电感储能，由输出电容向负载供电；当开关管关断时，电感能量不能突变，变压器各线圈感应电势反号，同名端为负，迫使二极管导通，电感能量逐步转为电场能量向负载放电和向电容充电。2.2 双向DC/DC变换器的电路拓扑 绪论中已经提到，双向DC/DC变换器是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据需要改变电流方

13、向，通过在开关管上反并联二极管、在二极管上反并联开关管再加上适当的控制来实现能量的双向传输的变换器。它可以根据有无变压器隔离分为隔离型和非隔离型。2.2.1 非隔离型双向DC/DC变换器 非隔离型双向DC/DC变换器的主要拓扑有：双向Buck-Boost变换器、双向Buck/Boost 变换器、双向Cuk变换器和双向Sepic-Zeta变换器。下面主要介绍双向Buck-Boost变换器和双向Buck/Boost 变换器的拓扑结构。 双向Buck-Boost变换器：是由Buck变换器变换而来的，在晶体管Q上反并联二极管D，在二极管D上反并联晶体管Q，该电路便是双向DC/DC变换器。它可以工作于两

14、种模式：降压模式和升压模式。当能量从V1流向V2，Q1工作，Q2不工作，V1为电源端，则该变换器为Buck变换器；当能量从V2流向V1，Q2工作，Q1不工作，V2作为电源端，则该变换器为Boost变换器。若两侧都有电源，则能量流动方式取决于两电源电压大小和占空比的大小，两端的电压极性相同，V1<V2。双向Buck/Boost 变换器：与单向Buck/Boost变换器拓扑不同的是，在原开关管处反并联二极管，在原二极管处反并联开关管，Q1和Q2互补方式导通，两者间应设定死去时间，以避免同时导通，其与Buck-Boost不同的是：V1和V2电压是反极性的，且其大小任意。2.2.2 隔离型双向D

15、C/DC变换器隔离型双向DC/DC变换器是在非隔离型的基础上发展起来的，相对要复杂得多，对于变压器，稳态时实现磁化和去磁伏秒面积相等是保证其正常工作防止铁芯磁饱和的关键【9】。一般隔离型双向DC/DC变换器常应用在电压传输比大、功率高、需要电气隔离的场合。隔离型双向DC/DC变换器的主要拓扑有：双向反激式、双向正激式、双向推挽式、双向半桥式和双向全桥式。其主要区别为【15】：(l)双向反激式：结构简单，成本低，适合于小功率应用。(2)双向正激式：是在单管正激式的电路上再串接一个三极管而组成的，对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。(3)双向推挽式：传输功率比双反激拓扑大，结构也比较简单。但

16、因变压器漏感引起大的开关电压尖峰，开关管工作条件恶劣，适合中低压应用场合。(4)双向半桥式：半桥式DC/DC变换电路适用于输入电压比较高的场合，与推挽式变换器相比较，它的输入变压器没有中心抽头，加工比较简单。但是对支撑电容的要求高，并且传递同样的功率时，要求功率器件的电流容量大，适合中功率高压应用。(5)双向全桥式：全桥变换由于对功率器件的电流/电压应力小，同样容量的器件传输的功率更大，开关管和变压器的利用率高，是大功率应用的首选拓扑结构。下面主要介绍双向反激DC/DC变换器：所谓正激和反激，正激变换器即是变压器，反激变换器即是当开关管导通时，能量可以存储于原边的漏感上。同样，双向反激变换器是

17、在单向反激变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管，开关管工作在PWM方式，互补导通。2.3 DC/DC变换器的拓扑选择DC/DC变换器拓扑繁多，在基本拓扑的基础上还可以组合形成新的拓扑，鉴于每种拓扑都有各自的特点，在不同的实验要求下应科学的选择拓扑，以下是在选择拓扑时应主要考虑的因素：（1） 拓扑的复杂程度。在实现同样的实验要求的基础上，应选择简单，控制方便的拓扑，可靠性要高。（2） 实现的难易程度。有的拓扑虽然性能良好，但对器件的要求过高，要实际的考虑是否能在市场上采购到等客观因素。（3） 成本。应根据经济水平来选择合适的拓扑，尽量将成本减到最低，通常情况下，双向的比单向的成本

18、高，隔离式的比非隔离式的成本高。（4） 体积和重量。大多数情况下，采用变压器的电路，变压器所占的体积和重量都很大。 综合以上分析可见，双向Buck-Boost电路和双向Buck/Boost电路为非隔离式DC/DC变换器的最基本的拓扑，相对结构简单，且目前的技术发展都已成熟，但这两者相比之下，后者基于Buck/Boost升降压变换器的缺点是，输入输出电流为断续且纹波很大，在器件选择上需要选择性能好、容量大的滤波电容，成本太大。所以综合考虑，选择双向Buck-Boost电路为本课题研究的拓扑。2.4 本章小结本章首先简要介绍了单向DC/DC变换器的基本原理以及其按照输入、输出有无变压器的分类（隔离

19、式和非隔离式），对最基本的Buck、Boost变换器和典型的隔离式变换器进行了详细的分析，接着着重分析了双向DC/DC变换器的拓扑，同样的按照输入、输出有无变压器可分为隔离式和非隔离式两类，其中非隔离式包括Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepic-Zeta；隔离式包括正激、反激、推挽、半桥、全桥。之后主要对典型的Buck-Boost、Buck/Boost和双向反激式变换器的拓扑进行了系统的分析。最后综合各种拓扑的特点考虑，选择了双向Buck-Boost电路为本课题研究的拓扑。第三章 双向Buck-Boost的主电路分析及参数设计本章主要对选定的双向Buck-Boost主电

20、路拓扑进行详细的分析，了解具体的工作方式，随后根据任务书上的主要技术指标进行参数设计。3.1 双向Buck-Boost的主电路分析3.1.1 主电路的拓扑结构和工作方式双向Buck-Boost的主电路如图所示，电路图中包括两个开关管、两个二极管、一个电感、两个电容，两个电源。其中两个开关管互补导通，即Q1开通时Q2关断，Q2开通时Q1关断。为了防止两个开关管同时导通，应通过合理设计电感L的大小，制造死区时间，即使开关管实现零电压开通，并避免二极管的反向恢复问题。双向Buck-Boost电路在一个开关周期内，有三种工作方式：（1） Buck工作方式。即电感电流恒大于零，能量从V1到V2传输,Q1

21、导通，Q2截止，电感电流增加，到t=ton，D2续流导通，Q1截止，Q2没有电流通过；（2） Boost工作方式。即电感电流恒小于零，能量从V2到V1传输，在tonT期间，Q2导通，Q1截止，电感电流在V2作用下增加，在t=T时刻，Q2截止，Q1导通，但Q1没有电流通过，D1续流导通；（3） 交替工作方式。即电感电流有正有负，1）在t0到t1期间，Q1导通但不通过电流，从而实现零电压开通，电流通过D1，期间iL为负值；2）在t1到ton期间，Q1导通并通电流，iL为正值并逐渐增加；3）在ton到t2期间，Q2导通但不通过电流，实现零电压开通，电流通过D2续流，iL为正值并逐渐减小；4）在ton

22、到T期间，Q2导通并通电流，iL为负值并逐渐增加。3.1.2 交替工作方式具体分析由交替工作方式下的电感电流图可以看出，在一个开关周期内，电感电流为正部分的面积等于电感电流为负部分的面积，这表明一个开关周期内，实现了能量的双向流动且始终保持能量守恒。当，则表明能量是从V1向V2传1输；当,则表明能量是从V2向V1传输。前面提到过Buck-Boost双向直流变换器若两侧都有电源，则能量的流动方向取决于两电源电压的大小和占空比的大小。下面就来验证这一结论：当能量从V1流向V2时，其跟电流连续时的Buck电路一样，有式中，D1为Q1的占空比。当能量从V2流向V1时，其跟电流连续时的Boost电路一样

23、，有式中，D2为Q2的占空比。因两开关管互补导通，所以有，代入上式，即可得比较可得，当实现能量双向传输时，能量的流动方向决定于两电源电压的大小和占空比的大小。当占空比保持不变时，若V1<V2，则能量从V2流向V1；若V1>V2，则能量从V1流向V2。3.2 主电路开关管的选择及其参数设计3.2.1 主电路开关管的选择功率晶体管是可控的开关器件。当控制信号高电平时，晶体管导通，通过很大电流，但压降很小，相当于是开关导通；当控制信号低电平时，晶体管截止，几乎不通过电流，承受很大的电压，相当于是开关关断。功率晶体管分为两大类：双极型功率晶体管（电流控制型）和场控晶体管（电压控制型），场控

24、器件分为：MOS场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）。在电路中采用哪类晶体管没有很大的差别，主要是取决于晶体管本身的参数、特性的限制以及成本等因素。下面就来分析各个器件的特点：（1） 功率晶体管：开关频率低、驱动较为困难，市场上逐渐被IGBT和MOSFET所替代。（2） 功率场效应晶体管(MOSFET)：开关速度快、驱动方便，导通时阻抗高，因此在电流较大时的压降较高，仅适用于小功率装置。（3） 绝缘栅晶体管（IGBT）：开关速度快、损耗小，具有耐脉冲电流冲击能力，输入阻抗高，适用于低压、高频的大功率场合。本实验拟采用MOSFET作为开关管，下面就是

25、对MOSFET的详细介绍：MOSFET导通时只有一种极性的载流子参与导电，因而也称为单极型晶体管，它是通过改变栅极电压的大小来改变导电沟道的厚度，从而来控制漏极电流的。通常在制造时，将衬极和源极短接，并使EDS=0,。当栅极电压EGS小于开启电压EHT时，不论电压极性如何，两个PN结中始终有一个是反向偏置的，漏极电流几乎为零，此时MOSFET不导通；当栅极电压EGS大于开启电压EHT时，漏源极之间形成沟道，由于沟道的电阻小，故在漏源正电压EDS作用下，电子从源极流向漏极，这就是MOSFET的正向导电特性。3.2.2 主电路的主要参数设计由于双向Buck-Boost变换器互补工作，分别为BUCK

26、和BOOST工作模态，理想情况下，管子承受的最大压降及峰值电流均无异，分析主电路的拓扑，由于主电路正常工作是在BUCK模式，因此，器件参数的选择应以BUCK为模型。主要技术指标：输入电压：360540V 输出电压：240V 输出功率：12KW 开关频率：20Khz 效率：95%（1） 由主要技术指标可得：（2） 储能电感L的设计由当电路进入稳态以后，可以认为输出电压为常数，当晶体管Q导通时 当负载电流减少到 时，此时最小负载电流即为临界连续电流由公式和公式，可得即是由，计算得（3） 滤波电容C的设计由以上分析 ，易推得电感电流的变换量为 实际上是电容电流的变化量和负载电流变化量之和。若设，即全

27、部电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在时间间隔内充电，电容充电的平均电流为电容峰峰值纹波电压：式中，为开关频率。由上式得到其中，纹波电压取4%，输出电压为240V时，为9.6V所以（4） 各参数定额1） 功率管电流定额2） 功率管电压定额3） 二极管电流平均值4）二极管电流有效值5）二极管承受电压6）周期3.3 本章小结本章首先对Buck-Boost主电路进行了分析介绍，分析了主电路的拓扑结构和工作方式，并对交替工作方式进行了详细的介绍，其次对实验用的开关管进行了选择，选定MOSFET开关管作为主电路的开关管，确定了储能电感L、滤波电容C的参数，以及根据给定的实验技术指标计算出了各参数定

28、额。第四章 双向DC/DC变换器的控制研究如何选择恰当的控制方式，因从两个大方面来考虑，是选择电压控制模式还是电流控制模式，是选择模拟控制实现还是数字控制实现。4.1 双向DC/DC变换器的控制方式从设计控制系统的方式来看，DC/DC变换器的控制技术主要分为电压控制模式和电流控制模式。(1) 电压控制模式：电压控制模式是开关电源技术中最基本的一种控制方式，属于单闭环反馈控制方式。其原理是：变换器的输出电压经分压，与给定值Vref 相比较，经过电压调节器将电压误差放大，生成控制信号，作用于脉宽调制电路，将电压模拟信号转变为开关管脉冲信号，作为开关管的驱动信号。脉冲宽度信号随控制信号的改变而改变，

29、从而改变输出电压，构成单闭环反馈控制系统。补传递函数（2） 电流控制模式：电流控制模式是开关电源技术中最常用的一种控制方式，因为其较电压控制型而言，动态性能和稳态性能很较好，而且电压控制模式对电流没有控制，因此无法对变换器进行功率控制，也不利于变换器的并联使用，其可移植性差。【1】属于电压电流双闭环控制，分内环和外环，内环为电流负反馈环，外环为电压负反馈环。其原理是：变换器的输出电压经分压，与给定值Vref相比较，经过电压调节器将电压误差放大，从而生成电压误差放大信号作为内环电流基准，电流检测信号与给定值之间的误差，经过电流调节器放大后，生成控制信号，作用于脉宽调制电路，形成占空比D可变的脉冲

30、信号作用于开关管上。补传递函数4.2 双向DC/DC变换器控制系统的实现控制系统的实现有模拟实现和数字实现两种。4.2.1 模拟控制的实现模拟控制技术：特点是动态响应快、易观测和调试、无量化误差且价格低廉。PID调节器是模拟控制技术中常用的，例如电压控制型和电流控制型中用到的电压调节器，下面就来详细介绍PID调节器。PID调节器主要分为两类：单极点-单零点补偿网络和双极点-双零点补偿网络（1） 单极点-单零点补偿网络其传递函数该补偿网络的特点是：1）低频段有一个积分环节，且稳态误差为零，因此其直流增益高；2） 在控制系统传递函数的最低级点或是引入一个零点，来将这个极点所引起的相位补偿，也就是说

31、这个零点抵消了补偿网络自身积分环节所引起的相位滞后，使其在这一频段内变成了一个反相器，使相位增加90o。3） 该补偿器的最后一个极点消除ESR电阻引起的零点。（2） 双极点-双零点补偿网络其传递函数该补偿网络的特点是：1）直流处有一个极点，且稳态误差为零；2） 有两个零点，其相频对数特性曲线可以提供180o的超前相位，如果将补偿网络的这两个零点放在重极点的位置，因为重极点可以引起180o的相位滞后，所以这两个零点可以将其补偿。综上所述，这种补偿网络可以作为双重极点控制对象的控制器；3） 该补偿网络的第一个极点消除ESR电阻引起的零点，第二个极点用来在高频段，幅频特性下降斜率-40dB，具有良好的干扰抑制作用，同时可以保证开环传递函数有一个较好的增益裕量和相位裕度；4.2.2 数字控