双向DCDC变换器研究.docx

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双向DCDC变换器研究

本科毕业设计（论文）

双向DC/DC变换器研究

***

燕山大学

2012年6月

本科毕业设计（论文）

双向DC/DC变换器研究

学院（系）：

里仁学院电气工程及其自动化

专业：

应用电子

学生姓名：

***

学号：

***

指导教师：

***

答辩日期：

2012-6-17

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：

电气工程学院系级教学单位：

电气工程及其自动化

学

号

***

学生

姓名

***

专业

班级

里仁应电2班

题

目

题目名称

双向DC/DC变换器研究

题目性质

1.理工类：

工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；

理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）

2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）

题目类型

1.毕业设计（√）2.论文（）

题目来源

科研课题（）生产实际（）自选题目（√）

主

要

内

容

掌握双向DC/DC变换器的工作原理，实现高效变换；采用高频变换拓扑及调制与控制策略，提高系统响应速度，实现能量的双向流动：

主要内容

1分析双向变换器的工作原理

2设计主电路参数

3实现闭环控制

4使用合适的软件完成仿真

基

本

要

求

1．按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于2.4万字），A0图纸一张。

2．说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。

3．按教研室指定的地点进行设计，严格按进度计划完成毕业设计任务。

参

考

资

料

1李立，刘刚.多电池组储能系统双向DC-DC变换器的研制电力系统保护与控制.2011,39（3）:

90-94.

2张方华.双向DC-DC变换器的研究.南京航空航天大学博士论文

3郭海滨，张崇巍，张兴，等.一种应用于光伏系统的双向DC/DC变换器.

电力电子技术.2010,44（6）:

51-52

周次

第1～4周

第5～8周

第9～12周

第13～16周

第17～18周

应

完

成

的

内

容

查阅相关资料，完成调研工作

完成双向DC/DC变换器工作原理分析及参数设计

完成仿真电路搭建

对仿真结果分析及参数优化

撰写论文

准备答辩

指导教师：

***

职称：

助教教授2011年12月30日

系级教学单位审批：

年月日

摘要

双向DC/DC变换器是典型的“一机两用”设备，可实现能量的双向传输，所以在需要能量双向流动的场合，双向DC/DC变换器的应用可大幅度减轻系统的体积、重量和成本，有着重要的研究价值。

本文主要研究了隔离型双向全桥DC/DC变换器。

本文首先介绍双向DC/DC变换器的概念、应用场合以及研究现状，并在此基础上分析了电压一电流型双向全桥DC/DC变换器：

Buck充电模式时，高压侧开关管有驱动信号，低压侧开关管驱动信号封锁，仅用功率开关管的体二极管整流；此时电路为电压型全桥结构;Boost放电模式时，低压侧开关管有驱动信号，高压侧开关管驱动信号封锁，仅用功率开关管的体二极管整流；此时电路为电流型全桥结构。

然后，分别分析了buck充电模式和boost放电模式的工作原理。

最后利用PSpice软件分别对buck充电模式和boost放电模式的开环和闭环进行了仿真，给出了各个部分的波形图，最后的仿真结果和理论一致。

关键词：

　双向DC/DC变换器Buck充电模式Boost放电模式

Abstract

Bi-DC/DCConverter（BDC）wastypicaldeviceas“twofunctionsinonedevice”,withwhichenergycantransferineitherdirection.Therefore,insituationsthatrequiretwo-wayflowofenergy,bi-directionalDC/DCconverterapplicationscangreatlyreducethesystemsize,weightandcost,hasimportantresearchvalue.Thispaperstudiedtheisolatedbi-directionalfull-bridgeDC/DCconverter.

Thispaperfirstintroducestheconceptofbi-directionalDC/DCconverterapplications,aswellasthestatusquo,andonthisbasis,theadvantagesanddisadvantagesofthevoltageofacurrentbi-directionalfull-bridgeDC/DCconverter;Buckmode,thehighpressuresideswitchtubedrivesignals,thelowpressuresideoftheswitchdrivesignalblockade,theonlypowerswitchbodydioderectifier;Thecircuitforvoltagefull-bridgestructure.Boostmode,thelowvoltagesideswitchingpossessionofthedrivesignal,thehighpressuresideoftheswitchdrivesignalblockade,onlythepowerswitchbodydioderectifier;thecircuitforcurrent-modefull-bridgestructure.

Thenanalyzedthebuckchargingmodeandboosttheworkingprincipleofthedischargemode.LastbuckchargingmodeandboostthedischargemodeofopenandclosedloopsimulationusingPSpicesoftwaretovariouspartsofthewaveform,consistentwiththefinalsimulationresultsandtheoretical.

Keywords：

Bi-directionalDC/DCconvertersBuckchargingmodeBoostdischargemode

附录455

第1章绪论

1.1课题研究背景

DC/DC变换器是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电压、电流实现变换。

它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。

通常DC/DC变换器都是单向工作的，主要原因是因为功率开关（SCR，IGBT等）均为单向，并且主功率回路上都有单向导电的二极管，所以能量只能单向流动。

然而随着科技和社会的发展，双向直流不间断电源系统、航空电源系统等场合对DC/DC变换器的需求逐渐增加。

为了减轻系统的体积重量，节省成本，在电池的充放电系统、电动汽车、不间断电源系统、太阳能发电系统、航空电源系统等场合，双向DC/DC变换器（Bi一direCtionalDC/DCConverter，BDC）获得了越来越广泛的应用。

双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设备，单向DC/DC变换器只能将能量从一个方向传到另一个方向，双向DC/DC变换器则可以实现能量的双向传输，而且双向DC/DC变换器就是DC/DC变换器的双象限运行，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。

它的输入输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。

理论上讲，将单向DC/DC变换器中的单向开关和二极管改为双向开关，则所有的单向拓扑均变为双向拓扑，加上合理的控制就能实现能量的双向流动。

双向DC/DC变换器是电力电子变换器的一个新分支，它是伴随着航空航天、电动汽车、电动船舶和新的无污染能源科技的发展而发展起来的。

所以说需求是双向DC/DC变换器发展的动力，随着太阳能风能、燃料电池等无污染发电技术的发展和电动汽车技术的发展，会有更多的双向DC/DC变换器拓扑被提出，双向DC/DC变换器的应用将进入新的发展阶段。

1.2双向DC/DC变换器的应用

1.2.1不停电电源系统（UPS）

不停电电源系统包括直流输出不停电电源系统和交流输出不停电电源系统两种。

图1-1是一种DC-UPS的结构框图，由AC/DC变换器、电池组BA和双向DC/DC（BiDC/DC）变换器构成。

其工作原理是，当供电正常时，AC/DC变换器将直流母线电压调整到稳态电压，对直流母线上的负载供电，同时经Bi-DC/DC给电池组BA充电，若BA已充足电，则双向变换器不进行功率转换；当供电电源掉电或出现故障时，双向直流变换器将电池组电压转变成直流母线负载所需电压，给负载供电，使负载不断电。

相比于直接并接适合直流母线电压等级的蓄电池组构成方式，加入双向DC/DC变换器有以下优势:

（1）可以保证直流母线电压恒定，不随电池电压的变化而变化;

（2）可以优化蓄电池的充放电管理，有利于延长蓄电池寿命和提高蓄电池利用率。

图1-1DC-UPS电源系统

双向DC/DC变换器的功能是：

供电正常时作为电池组的充电器，保持电池充足电状态；在供电故障后将电池组电压转变为直流母线电压，给负载供电。

通常，电池组充电的功率较小，放电时功率较大，因此对Bi-DC/DC的功率等级应依放电功率为准。

使用双向DC/DC变换器的好处是，可以将电池的充放电的工作分离出来，用双向DC/DC变换器单独处理蓄电池的充放电操作，更容易优化充放电过程，对于延长蓄电池的寿命和提高充电效率都有好处。

1.2.2电动汽车燃料电池电源系统

燃料电池是一种可以将化学能转变成电能的装置，在电动汽车中有很好的应用前景。

在燃料电池系统中含有一个压缩机电机，正常运转情况下，该压缩机可由燃料电池输出电压供电，但在电动汽车启动时，燃料电池电压尚未建立起来，需要辅助电源来供电，提供压缩机电机的驱动能量，给燃料电池创造启动条件。

辅助电源有两个作用:

①在燃料电池启动前，提供直流母线的电压；②当汽车制动时，希望制动能量能够回馈并得到合理的应用。

采用蓄电池作为辅助供电电源，通过双向DC/DC变换器可以满足这两个方面的要求：

快速启动燃料电池；将制动能量回馈给蓄电池。

如1-2图为电动汽车燃料电池电源系统结构框图，双向DC/DC变换器是此电源管理系统中的重要组成部分之一。

为了和目前的汽车负载保持兼容，电池电压一般为12V，直流母线电压为288V。

蓄电池供电时，双向DC/DC变换器工作在放电模式，输入电池电压波动，输出稳定电压288V，放电功率1.5kW；蓄电池储能时，双向DC/DC变换器工作在充电模式，将电能存储于蓄电池