DCDC直流變換器

1、第一章 緒本章介紹了雙向 DC/DC 變換器( Bi-directionalDC/DCConverter ，BDC) 的基本原 理概述、研究背景和應(yīng)用前景， 并指出了目前雙向直流變換器在應(yīng)用中遇到的主要問 題。雙向 DC/DC 變換器概述所謂雙向 DC/DC 變換器就是在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況下，根據(jù)具 體需要改變電流的方向，實現(xiàn)雙象限運行的雙向直流 /直流變換器。相比于我們所熟 悉的單向 DC/DC 變換器實現(xiàn)了能量的雙向傳輸。實際上，要實現(xiàn)能量的雙向傳輸， 也可以通過將兩臺單向 DC/DC 變換器反并聯(lián)連接，由于單向變換器主功率傳輸通路 上一般都需要二極管， 因此單個變換器能量的

2、流通方向仍是單向的， 且這樣的連接方 式會使系統(tǒng)體積和重量龐大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通過一臺 變換器來實現(xiàn)能量的雙向流動， BDC 就是通過將單向開關(guān)和二極管改為雙向開關(guān)， 再加上合理的控制來實現(xiàn)能量的雙向流動。雙向直流變換器的研究背景在 20世紀(jì) 80 年代初期，由于人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量很大， 美國 學(xué)者提出了用雙向 Buck/Boost 直流變換器來代替原有的充、放電器，從而實現(xiàn)匯流 條電壓的穩(wěn)定。 之后，發(fā)表了大量文章對人造衛(wèi)星應(yīng)用蓄電池調(diào)節(jié)器進(jìn)行了系統(tǒng)的研 究，并應(yīng)用到了實體中。1994年，香港大學(xué)陳清泉教授將雙向直流變換器應(yīng)用到了電動車上，同年，等

3、教授研制成功了用 20kW 水冷式雙向直流變換器應(yīng)用到電動車驅(qū)動， 由于雙向直流變 換器的輸入輸出電壓極性相反，不適合于電動車，所以他提出了一種Buck-Boost 級聯(lián)型雙向直流變換器，其輸入輸出的負(fù)端共用。 1998 年，美國弗吉尼亞大學(xué)李澤元 教授開始研究雙向直流變換器在燃料電池上的配套應(yīng)用。 可見，航天電源和電動車輛 的技術(shù)更新對雙向直流變換器的發(fā)展應(yīng)用具有很大的推動力， 而開關(guān)直流變換器技術(shù) 為雙向 DC/DC 變換器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1994 年，澳大利亞發(fā)表論文，總結(jié)出了不隔離雙向直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。他 是在單管直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管， 在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管， 從而

4、構(gòu)成 四種不隔離的雙向直流變換器： Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk 和 Sepi-Zeta 雙向直流 變換器。隔離式雙向直流變換器有正激、反激、推挽和橋式等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 反激式變換器是基于 Buck/Boost 直流變換器設(shè)計的，電路結(jié)構(gòu)對稱，相比之下 更易于構(gòu)成雙向直流變換器。 但普通的反激式變換器容易產(chǎn)生電壓尖峰和振蕩， 2001 年陳剛博士提出了有源嵌位雙向反激式直流變換器，有效的消除了電壓尖峰和振蕩， 并且實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開關(guān)，減少了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。推挽式變換器也具有對稱的電路結(jié)構(gòu)， 且結(jié)構(gòu)簡單，但存在變壓器的偏磁和漏感， 從而限制了變換器的應(yīng)用。 所以有學(xué)者

5、提出，在輸入輸出電壓相差較大的場合， 可以 應(yīng)用由推挽變換器和半橋變換器組成的混合式變換器。橋式直流變換器有兩類電路： 一種是雙有源橋式變換器， 電路結(jié)構(gòu)對稱， 通過控 制相位角來控制兩直流電源間能量傳輸?shù)姆较蚝痛笮。?另一種是由電壓源型橋式直流 變換器和電流源型直流變換器構(gòu)成，且這兩種電路都具有軟開關(guān)特性。 雙向直流變換器的應(yīng)用前景雙向DC/DC變換器主要應(yīng)用在：電動汽車、太陽能電池陣、不停電電源（UPS）、 分布式電站等方面。 在電動汽車中的應(yīng)用近年來，考慮到環(huán)境污染和能源安全等方面， 電動汽車的研究得到了飛速的發(fā)展。 電動汽車包括純電動汽車、混合動力車和燃料電池電動汽車三大類。雙向 DC

6、/DC 變 換器是應(yīng)用到電動汽車的一項重要技術(shù)。 目前，蓄電池電動汽車技術(shù)已經(jīng)有了較成熟 的發(fā)展，但由于蓄電池可靠性差且儲能小， 電動和內(nèi)燃機驅(qū)動相結(jié)合的混合車輛的研 究已經(jīng)成為了我國一些企業(yè)和科研院所的發(fā)展重點?；旌想妱榆囉蔁o刷直流發(fā)電機、 逆變器與驅(qū)動用交流電動機和蓄電池與雙向直流 變換等三部分組成。 其工作過程是： 啟動發(fā)動機， 蓄電池通過雙向直流變換器向無刷 直流電機供電， 無刷直流電機驅(qū)動發(fā)動機使其啟動， 作為電動機運行。 發(fā)動機正常工 作后，傳動發(fā)電機發(fā)出直流電， 發(fā)電機的電能一方面給電池充電， 另一方面給逆變器 供電，使交流電動機工作，驅(qū)動車輛。電動車加速時，發(fā)電機和蓄電池同時向

7、逆變器 供電，交流電動機輸出功率加大。車輛下坡或制動時，電動機轉(zhuǎn)為再生制動狀態(tài)，逆 變器將電動機能量返回，通過雙向直流變換器回到蓄電池。燃料電池具有能量密度高、 能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點， 是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝 置，它是未來電動車的首選能源。 在燃料電池供電的電動車系統(tǒng)中， 由蓄電池提供壓 縮機電機的驅(qū)動能量，從而建立燃料電池電壓，給其創(chuàng)造了啟動條件。正常運行時， 壓縮機電機的能量由燃料電池來提供， 系統(tǒng)中逆變器帶動的驅(qū)動電機的能量回饋到蓄 電池中，同時，燃料電池給蓄電池充電。其原理圖如下圖所示： 在太陽能電池陣系統(tǒng)中的應(yīng)用所有利用太陽能電源的航天器， 都需要能量存儲系統(tǒng)， 該系統(tǒng)和太陽能電池

8、陣組 合起來，構(gòu)成組合供電系統(tǒng)。比較典型的是太陽能 -蓄電池供電系統(tǒng)，主要有峰值功 率跟蹤系統(tǒng)和直接能量傳送系統(tǒng)。 雙向直流變換器起到了集蓄電池充放電為一體的作 用，大大減小了體統(tǒng)的體積和重量。原理： 在不停電電源系統(tǒng)中， 有一個充電單元給蓄電池充電， 在充電單元異常掉 電時，控制器通過檢測電壓和電流立即做出反應(yīng)， 用蓄電池通過放電單元來提供負(fù)載 能量，并在一定時間段內(nèi)保證直流總線電壓的恒定， 使外界的變化不會影響到對直流 負(fù)載的連續(xù)供電。而這個系統(tǒng)中的充放電單元就可以用雙向 DC/DC 變換器來代替。在USP中采用雙向DC/DC變換器可以起到以下的作用：1中間變換、升降壓， 方便選配蓄電池；

9、 2、將電池充放電工作隔離開； 3、優(yōu)化充放電過程，提高充放電過 程和蓄電池使用壽命； 4、允許蓄電池和直流母線相互隔離，保證安全。分布式發(fā)電系統(tǒng)包括多種新型發(fā)電單元，許多發(fā)電單元輸出為直流電源（燃料電池、太陽能等 ），同時分布式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部能量是多路徑流動，具備雙向功率流動的 典型特征，雙向 DC/DC 變換器可以在分布式發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮重要作用。本章小結(jié)本章主要對雙向直流變換器的基本概念、 應(yīng)用背景以及發(fā)展前景進(jìn)行了詳細(xì)的介 紹，并針對不同的應(yīng)用方向進(jìn)行了系統(tǒng)的描述， 指出了目前雙向變換器在發(fā)展過程中 所遇到的主要的難題。第二章雙向 DC/DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 本章簡單介紹了單向 DC/DC

10、 變換器的基本原理和類型， 并根據(jù)雙向 DC/DC 變換 器按照有無變壓器隔離的分類，對各種典型雙向 DC/DC 變換器的電路拓?fù)渥隽嗽敿?xì) 的介紹。DC 變換器的基本原理與類型變換器的基本原理DC/DC 變換器即是把直流電壓變換為另一數(shù)值的直流電壓，是開關(guān)電源技術(shù)的 一個分支。它是由半導(dǎo)體功率器件作為的開關(guān)管、二極管、電感、電容、負(fù)載和直流 電源構(gòu)成的， 通過使帶濾波器的負(fù)載電路和直流電壓時而接通、 時而關(guān)斷，使得負(fù)載 上得到另一個直流電壓。在所有的 DC/DC 變換器中， Buck 和 Boost 電路是最基本的。 變換器的類型DC/DC 變換器可以由輸入輸出之間是否有變壓器而分為隔離型和非

11、隔離型。 非隔離型的主要拓?fù)溆校?Buck 降壓變換器、 Boost 升壓變換器、 Buck-Boost 升降 壓變換器、Cuk變換器、SePiC變換器和Zeta變換器。隔離型的的主要拓?fù)溆校赫ぁ⒎醇ぁ⑼仆?、半橋、全橋型變換器。（1）非隔離型變換器下面主要介紹最基本的BUCk降壓變換器和Boost升壓變換器的工作原理。BUCK :當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電源通過電感L給電容C充電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電 感L續(xù)流，逐漸降低，電容上的電流由正逐漸降為零，并變成負(fù)向。進(jìn)而開關(guān)管再次 導(dǎo)通，電感上電流增加。BOOST：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電源向電感儲能，電感電流增加，負(fù)載由電容供電； 當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感電流減小

12、，電感電勢與輸入電壓疊加，迫使二極管 D 導(dǎo)通， 一起向負(fù)載供電，并同時向電容 C充電。（2）隔離型變換器下面主要介紹反激式變換器的工作原理：它是由電感變壓器T、功率晶體管Q、二極管D和濾波電容C組成。晶體管受 驅(qū)動信號驅(qū)動，周期的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，在理想情況下，輸入電壓全部 加在電感變壓器初級上， 變壓器初級感應(yīng)電勢同名端為正， 次級同名端也為正， 二極 管反偏截止， 所以電感變壓器此時作為電感運行， 電源向電感儲能，由輸出電容向負(fù) 載供電；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感能量不能突變，變壓器各線圈感應(yīng)電勢反號，同名端 為負(fù)，迫使二極管導(dǎo)通，電感能量逐步轉(zhuǎn)為電場能量向負(fù)載放電和向電容充電。雙向

13、 DC/DC 變換器的電路拓?fù)渚w論中已經(jīng)提到，雙向 DC/DC 變換器是在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況 下，根據(jù)需要改變電流方向， 通過在開關(guān)管上反并聯(lián)二極管、 在二極管上反并聯(lián)開關(guān) 管再加上適當(dāng)?shù)目刂苼韺崿F(xiàn)能量的雙向傳輸?shù)淖儞Q器。 它可以根據(jù)有無變壓器隔離分 為隔離型和非隔離型。非隔離型雙向 DC/DC 變換器非隔離型雙向 DC/DC 變換器的主要拓?fù)溆校弘p向 Buck-Boost 變換器、雙向 Buck/BOOSt變換器、雙向CUk變換器和雙向SePiC-Zeta變換器。下面主要介紹雙向BUCk-Boost變換器和雙向BUCkZBoost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雙向 Buck-BOOSt 變

14、換器：是由 Buck 變換器變換而來的， 在晶體管 Q 上反并聯(lián)二 極管D,在二極管D上反并聯(lián)晶體管Q,該電路便是雙向DCZDC變換器。它可以工 作于兩種模式：降壓模式和升壓模式。當(dāng)能量從 Vi流向V2，Qi工作，Q2不工作， Vi為電源端，則該變換器為BUCk變換器；當(dāng)能量從V2流向Vi, Q2工作，Qi不工作, V2作為電源端，則該變換器為 Boost變換器。若兩側(cè)都有電源， 則能量流動方式取決于兩電源電壓大小和占空比的大小， 兩端 的電壓極性相同， Vi<V2。雙向 BUCkZBoost 變換器：與單向 BUCkZBoost 變換器拓?fù)洳煌氖?，在原開關(guān)管 處反并聯(lián)二極管，在原二極

15、管處反并聯(lián)開關(guān)管，Qi和Q2互補方式導(dǎo)通，兩者間應(yīng)設(shè)定死去時間，以避免同時導(dǎo)通，其與BUCk-Boost不同的是：Vi和V2電壓是反極性的， 且其大小任意。隔離型雙向 DCZDC 變換器隔離型雙向 DCZDC 變換器是在非隔離型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 相對要復(fù)雜得多， 對于變壓器，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)磁化和去磁伏秒面積相等是保證其正常工作防止鐵芯磁飽和 的關(guān)鍵【 9】 。一般隔離型雙向 DCZDC 變換器常應(yīng)用在電壓傳輸比大、功率高、需要 電氣隔離的場合。隔離型雙向 DCZDC 變換器的主要拓?fù)溆校弘p向反激式、雙向正激式、雙向推挽 式、雙向半橋式和雙向全橋式。其主要區(qū)別為【 i5】：(1) 雙向反激式：結(jié)

16、構(gòu)簡單，成本低，適合于小功率應(yīng)用。(2) 雙向正激式：是在單管正激式的電路上再串接一個三極管而組成的， 對于高壓大功率的開關(guān)電源來說更加安全可靠。(3) 雙向推挽式：傳輸功率比雙反激拓?fù)浯?，結(jié)構(gòu)也比較簡單。但因變壓 器漏感引起大的開關(guān)電壓尖峰，開關(guān)管工作條件惡劣，適合中低壓應(yīng)用場合。(4) 雙向半橋式：半橋式 DCZDC 變換電路適用于輸入電壓比較高的場合， 與推挽式變換器相比較，它的輸入變壓器沒有中心抽頭，加工比較簡單。但是 對支撐電容的要求高，并且傳遞同樣的功率時，要求功率器件的電流容量大， 適合中功率高壓應(yīng)用。(5) 雙向全橋式：全橋變換由于對功率器件的電流 Z電壓應(yīng)力小，同樣容量 的器

17、件傳輸?shù)墓β矢螅_關(guān)管和變壓器的利用率高，是大功率應(yīng)用的首選拓 撲結(jié)構(gòu)。下面主要介紹雙向反激 DCZDC 變換器：所謂正激和反激， 正激變換器即是變壓器， 反激變換器即是當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時， 能 量可以存儲于原邊的漏感上。同樣，雙向反激變換器是在單向反激變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管， 在二極管 上反并聯(lián)開關(guān)管，開關(guān)管工作在 PWM 方式，互補導(dǎo)通。DC 變換器的拓?fù)溥x擇DC/DC 變換器拓?fù)浞倍?，在基本拓?fù)涞幕A(chǔ)上還可以組合形成新的拓?fù)?，鑒于 每種拓?fù)涠加懈髯缘奶攸c， 在不同的實驗要求下應(yīng)科學(xué)的選擇拓?fù)洌?以下是在選擇拓 撲時應(yīng)主要考慮的因素：（1）拓?fù)涞膹?fù)雜程度。在實現(xiàn)同樣的實驗要求的基礎(chǔ)上，

18、應(yīng)選擇簡單，控制方 便的拓?fù)?，可靠性要高。?）實現(xiàn)的難易程度。有的拓?fù)潆m然性能良好，但對器件的要求過高，要實際 的考慮是否能在市場上采購到等客觀因素。（3）成本。應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟水平來選擇合適的拓?fù)洌M量將成本減到最低，通常情 況下，雙向的比單向的成本高，隔離式的比非隔離式的成本高。（4）體積和重量。大多數(shù)情況下，采用變壓器的電路，變壓器所占的體積和重 量都很大。綜合以上分析可見，雙向 Buck-Boost 電路和雙向 Buck/Boost 電路為非隔離式 DC/DC 變換器的最基本的拓?fù)?，相對結(jié)構(gòu)簡單，且目前的技術(shù)發(fā)展都已成熟，但這 兩者相比之下，后者基于 Buck/Boost 升降壓變換器的缺

19、點是，輸入輸出電流為斷續(xù) 且紋波很大，在器件選擇上需要選擇性能好、容量大的濾波電容，成本太大。所以綜合考慮，選擇雙向 Buck-Boost 電路為本課題研究的拓?fù)洹１菊滦〗Y(jié)本章首先簡要介紹了單向 DC/DC 變換器的基本原理以及其按照輸入、輸出有無 變壓器的分類（隔離式和非隔離式），對最基本的 Buck、Boost 變換器和典型的隔離 式變換器進(jìn)行了詳細(xì)的分析，接著著重分析了雙向 DC/DC 變換器的拓?fù)?，同樣的?照輸入、輸出有無變壓器可分為隔離式和非隔離式兩類，其中非隔離式包括 Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和SePiC-Zeta；隔離式包括正激、反激、推挽、半橋、 全

20、橋。之后主要對典型的 Buck-Boost、 Buck/Boost 和雙向反激式變換器的拓?fù)溥M(jìn)行了 系統(tǒng)的分析。最后綜合各種拓?fù)涞奶攸c考慮，選擇了雙向 Buck-Boost電路為本課題 研究的拓?fù)?。第三章雙向 Buck-Boost 的主電路分析及參數(shù)設(shè)計 本章主要對選定的雙向Buck-Boost主電路拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)的分析，了解具體的工 作方式，隨后根據(jù)任務(wù)書上的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。雙向 Buck-Boost 的主電路分析主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作方式雙向Buck-Boost的主電路如圖所示，電路圖中包括兩個開關(guān)管、兩個二極管、 一個電感、兩個電容，兩個電源。其中兩個開關(guān)管互補導(dǎo)通，即Qi開通時

21、Q2關(guān)斷，Q2開通時Qi關(guān)斷。為了防止兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，應(yīng)通過合理設(shè)計電感L的大小，制造死區(qū)時間，即使開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通，并避免二極管的反向恢復(fù)問題。雙向 Buck-Boost 電路在一個開關(guān)周期內(nèi)，有三種工作方式：（1）BUCk工作方式。即電感電流恒大于零，能量從 Vi到V2傳輸,Qi導(dǎo)通，Q2 截止，電感電流增加，到t=ton, D2續(xù)流導(dǎo)通，Qi截止，Q2沒有電流通過；（2）Boost工作方式。即電感電流恒小于零，能量從 V2到Vi傳輸，在tonT期 間，Q2導(dǎo)通，Qi截止，電感電流在V2作用下增加，在t=T時刻，Q2截止，Qi導(dǎo)通, 但Qi沒有電流通過，Di續(xù)流導(dǎo)通；（3）交替工作

22、方式。即電感電流有正有負(fù)，1）在to到t期間，Qi導(dǎo)通但不通 過電流，從而實現(xiàn)零電壓開通，電流通過 Di,期間iL為負(fù)值；2）在tl到ton期間， Ql導(dǎo)通并通電流，iL為正值并逐漸增加；3）在ton到t2期間，Q2導(dǎo)通但不通過電流， 實現(xiàn)零電壓開通，電流通過 D2續(xù)流，iL為正值并逐漸減??；4）在ton到T期間，Q2 導(dǎo)通并通電流，iL為負(fù)值并逐漸增加。交替工作方式具體分析由交替工作方式下的電感電流圖可以看出，在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流為正部分的面積等于電感電流為負(fù)部分的面積，iLmaX iLmin這表明一個開關(guān)周期內(nèi)，實現(xiàn) 了能量的雙向流動且始終保持能量守恒。當(dāng)iLmaX iLmin，則表

23、明能量是從V1向V2傳1輸；當(dāng)iLmaX iLmin ,則表明能量 是從V2向Vi傳輸。前面提到過Buck-Boost雙向直流變換器若兩側(cè)都有電源，則能量的流動方向取 決于兩電源電壓的大小和占空比的大小。下面就來驗證這一結(jié)論：當(dāng)能量從V1流向V2時，其跟電流連續(xù)時的BuCk電路一樣，有VI式中，D1為Q1的占空比。當(dāng)能量從V2流向V1時，其跟電流連續(xù)時的Boost電路一樣，有V1 D2VI 式中，D2為Q2的占空比。因兩開關(guān)管互補導(dǎo)通，所以有 D21 DI ,代入上式，即可得比較可得，當(dāng)實現(xiàn)能量雙向傳輸時，能量的流動方向決定于兩電源電壓的大小和 占空比的大小。當(dāng)占空比保持不變時，若 V1<

24、;V2,則能量從V2流向V1；若V1>V2,則能量從V1 流向V2。主電路開關(guān)管的選擇及其參數(shù)設(shè)計主電路開關(guān)管的選擇功率晶體管是可控的開關(guān)器件。當(dāng)控制信號高電平時，晶體管導(dǎo)通，通過很大電 流，但壓降很小，相當(dāng)于是開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制信號低電平時，晶體管截止，幾乎不通 過電流，承受很大的電壓，相當(dāng)于是開關(guān)關(guān)斷。功率晶體管分為兩大類：雙極型功率晶體管（電流控制型）和場控晶體管（電壓 控制型），場控器件分為：MoS場效應(yīng)晶體管（MoSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT） 和MoS控制晶閘管（MCT）。在電路中采用哪類晶體管沒有很大的差別，主要是取 決于晶體管本身的參數(shù)、特性的限制以及成本等因素。下面

25、就來分析各個器件的特點：（1）功率晶體管：開關(guān)頻率低、驅(qū)動較為困難，市場上逐漸被IGBT和MOSFET 所替代。（2）功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）:開關(guān)速度快、驅(qū)動方便，導(dǎo)通時阻抗高，因 此在電流較大時的壓降較高，僅適用于小功率裝置。（3）絕緣柵晶體管（IGBT）:開關(guān)速度快、損耗小，具有耐脈沖電流沖擊能力， 輸入阻抗高，適用于低壓、高頻的大功率場合。本實驗擬采用MoSFET作為開關(guān)管，下面就是對 MoSFET的詳細(xì)介紹：MoSFET導(dǎo)通時只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電，因而也稱為單極型晶體管， 它是通過改變柵極電壓的大小來改變導(dǎo)電溝道的厚度，從而來控制漏極電流的。通常在制造時，將襯極和源極

26、短接，并使 EDS=0,。當(dāng)柵極電壓EGS小于開啟電壓EHT 時，不論電壓極性如何，兩個PN結(jié)中始終有一個是反向偏置的，漏極電流幾乎為零， 此時MOSFET不導(dǎo)通；當(dāng)柵極電壓EGS大于開啟電壓EHT時，漏源極之間形成溝 道，由于溝道的電阻小，故在漏源正電壓 EDS作用下，電子從源極流向漏極，這就 是MOSFET的正向?qū)щ娞匦?。主電路的主要參?shù)設(shè)計由于雙向Buck-Boost變換器互補工作，分別為 BUCK和BOOST工作模態(tài)，理 想情況下，管子承受的最大壓降及峰值電流均無異， 分析主電路的拓?fù)洌捎谥麟娐?正常工作是在BUCK模式，因此，器件參數(shù)的選擇應(yīng)以 BUCK為模型。主要技術(shù)指標(biāo)：輸入電

27、壓：360540V輸出電壓：240V輸出功率：12KW 開關(guān)頻率：20Khz效率: 95%（1）由主要技術(shù)指標(biāo)可得：（2）儲能電感L的設(shè)計由當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)，當(dāng)晶體管Q導(dǎo)通時當(dāng)負(fù)載電流減少到iomin 0時，iomax i ,此時最小負(fù)載電流iomin即為臨界連續(xù)電 流IG由公式Ui UoL iomax iominTONIONLTON和公式UOD*Ui ,可得L即是UiTD(I D)-2Cn-UoT(1 D)2Iomin由 i o min5°A,計算得240L1320 102 50（3）濾波電容C的設(shè)計由以上分析，易推得電感電流的變換量為T 2時間間隔內(nèi)iL

28、實際上是電容電流的變化量 iC和負(fù)載電流變化量io之和。若設(shè)io 0 ,即全部電感電流變化量等于電容電流的變化量，電容在 充電，電容充電的平均電流為電容峰峰值紋波電壓：式中，f IT為開關(guān)頻率。由上式得到其中，紋波電壓 UC取4%,輸出電壓為240V時，UC為所以C240 0.58 60 10 6 202 106 625 F（4）各參數(shù)定額1）功率管電流定額2）功率管電壓定額3）二極管電流平均值4）二極管電流有效值5）二極管承受電壓6）周期本章小結(jié)本章首先對Buck-Boost主電路進(jìn)行了分析介紹，分析了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工 作方式，并對交替工作方式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，其次對實驗用的開關(guān)管進(jìn)行了

29、選擇， 選定MoSFET開關(guān)管作為主電路的開關(guān)管，確定了儲能電感L、濾波電容C的參數(shù), 以及根據(jù)給定的實驗技術(shù)指標(biāo)計算出了各參數(shù)定額。第四章雙向DC/DC變換器的控制研究如何選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞?，因從兩個大方面來考慮，是選擇電壓控制模式還是電 流控制模式，是選擇模擬控制實現(xiàn)還是數(shù)字控制實現(xiàn)。雙向DC/DC變換器的控制方式從設(shè)計控制系統(tǒng)的方式來看，DCzDC變換器的控制技術(shù)主要分為電壓控制模式 和電流控制模式。（1）電壓控制模式：電壓控制模式是開關(guān)電源技術(shù)中最基本的一種控制方式，屬 于單閉環(huán)反饋控制方式。其原理是：變換器的輸出電壓經(jīng)分壓，與給定值 Vref相比較，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器將 電壓誤差放大，生

30、成控制信號，作用于脈寬調(diào)制電路，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)管 脈沖信號，作為開關(guān)管的驅(qū)動信號。脈沖寬度信號隨控制信號的改變而改變，從而改變輸出電壓，構(gòu)成單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。補傳遞函數(shù)（2）電流控制模式：電流控制模式是開關(guān)電源技術(shù)中最常用的一種控制方式， 因為其較電壓控制型而言，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能很較好，而且電壓控制模式對電流沒 有控制，因此無法對變換器進(jìn)行功率控制，也不利于變換器的并聯(lián)使用，其可移植性 差?！?】屬于電壓電流雙閉環(huán)控制，分內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流負(fù)反饋環(huán)，外環(huán)為 電壓負(fù)反饋環(huán)。其原理是：變換器的輸出電壓經(jīng)分壓，與給定值 Vref相比較，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器將 電壓誤差放大，從而生成電壓誤

31、差放大信號作為內(nèi)環(huán)電流基準(zhǔn)，電流檢測信號與給定值之間的誤差，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器放大后，生成控制信號，作用于脈寬調(diào)制電路，形成 占空比D可變的脈沖信號作用于開關(guān)管上。補傳遞函數(shù)雙向DC/DC變換器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)有模擬實現(xiàn)和數(shù)字實現(xiàn)兩種。模擬控制的實現(xiàn)模擬控制技術(shù)：特點是動態(tài)響應(yīng)快、易觀測和調(diào)試、無量化誤差且價格低廉。PID 調(diào)節(jié)器是模擬控制技術(shù)中常用的，例如電壓控制型和電流控制型中用到的電壓調(diào)節(jié) 器，下面就來詳細(xì)介紹PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器主要分為兩類：單極點-單零點補償網(wǎng)絡(luò)和雙極點-雙零點補償網(wǎng)絡(luò)（1）單極點-單零點補償網(wǎng)絡(luò)其傳遞函數(shù)1H(S)R1C1R2 C2C1 C2R2 C1

32、 C2該補償網(wǎng)絡(luò)的特點是：1）低頻段有一個積分環(huán)節(jié)，且穩(wěn)態(tài)誤差為零，因此其直 流增益高；2）在控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的最低級點或是引入一個零點，來將這個極點所引起的相位補償，也就是說這個零點抵消了補償網(wǎng)絡(luò)自身積分環(huán)節(jié)所引起的相位滯后，使其在這一頻段內(nèi)變成了一個反相器，使相位增加 90°。3）該補償器的最后一個極點消除 ESR電阻引起的零點。（2）雙極點-雙零點補償網(wǎng)絡(luò)H（S）其傳遞函數(shù)RI R3 CIR2C212RIR3C3C1 C2S SC1 C2 R212R3 C3該補償網(wǎng)絡(luò)的特點是：1）直流處有一個極點，且穩(wěn)態(tài)誤差為零；2）有兩個零點，其相頻對數(shù)特性曲線可以提供 180o的超前相位，如果將補償網(wǎng) 絡(luò)的這兩個零點放在重極點的位置，因為重極點可以引起180o的相位滯后，所以這兩個零點可以將其補償。綜上所述，這種補償網(wǎng)絡(luò)可以作為雙重極點控制對象的控制 器；3）該補償網(wǎng)絡(luò)的第一個極點消除 ESR電阻引起的零點，第二個極點用來在高頻 段，幅頻特性下降斜率-40dB,