双向DCDC变换器研究毕业设计论文.docx
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本科毕业设计（论文）
双向DC/DC变换器研究
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本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
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6）论文主体部分：
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7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
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4）图表应绘制于无格子的页面上
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5.装订顺序
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3）其它
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
日
2011年12月
30
系级教学单位审批：
年
月
日
摘要
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
I
Abstract
Abstract
Bi-DC/DCConverter（BDC）wastypicaldeviceas“twofunctionsin
onedevice”,withwhichenergycantransferineitherdirection.
Therefore,in
situationsthatrequiretwo-wayflowofenergy,bi-directionalDC/DCconverterapplicationscangreatlyreducethesystemsize,weightandcost,hasimportantresearchvalue.Thispaperstudiedtheisolatedbi-directionalfull-bridgeDC/DCconverter.
Thispaperfirstintroducestheconceptofbi-directionalDC/DCconverterapplications,aswellasthestatusquo,andonthisbasis,theadvantagesanddisadvantagesofthevoltageofacurrentbi-directionalfull-bridgeDC/DC
converter;
Buckmode,thehighpressuresideswitchtubedrivesignals,thelow
pressuresideoftheswitchdrivesignalblockade,theonlypowerswitchbody
dioderectifier;
Thecircuitforvoltagefull-bridgestructure.
Boostmode,thelow
voltagesideswitchingpossessionofthedrivesignal,thehighpressuresideoftheswitchdrivesignalblockade,onlythepowerswitchbodydioderectifier;thecircuitforcurrent-modefull-bridgestructure.
Thenanalyzedthebuckchargingmodeandboosttheworkingprincipleofthedischargemode.LastbuckchargingmodeandboostthedischargemodeofopenandclosedloopsimulationusingPSpicesoftwaretovariouspartsofthewaveform,consistentwiththefinalsimulationresultsandtheoretical.
mode Boost discharge mode
Keywords：
Bi-directionalDC/DCconverters Buckcharging
II
目录
摘要 Ⅰ
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2双向DC/DC变换器的应用 1
1.2.1不停电电源系统（UPS） 1
1.2.2电动汽车燃料电池电源系统 3
1.2.3航天电源系统 4
1.3双向DC/DC变换器的现状和发展 5
1.3.1双向直流变换器的现状 5
1.3.2双向直流变换器的发展 6
1.4本章小结 7
第2章双向全桥DC/DC变换器 8
2.1.双向DC/DC变换器的原理 8
2.2双向DC/DC变换器的构成方法 9
2.3隔离型双向全桥DC/DC变换器 11
2.4双向全桥DC/DC变换器的工作原理 12
2.4.1充电模式工作原理 14
2.4.2放电模式工作原理 16
2.5开关管电压尖峰问题 16
2.6本章小结 18
第3章双向DC/DC变换器主电路元件设计 19
3.1引言 19
3.2高频变压器的设计 19
3.2.1变压器的设计主要包括：
磁心选择、匝数计算等。
19
3.2.2双向DC一DC变换器中变压器偏磁问题：
20
3.3电感Lf的设计 22
3.4功率开关管的选取 23
3.5本章小结 23
III
第四章：
DC/DC变换器的PSpice仿真 25
4.1Buck充电电路简化仿真图 25
4.2Boost放电电路简化仿真图：
27
4.3Bcuk充电模式闭环仿真 30
4.4Boost放电模式闭环仿真 31
4.5本章小结 33
结论 35
参考文献 37
致谢 39
附录1 41
附录2 45
附录3 49
附录4 55
IV
第1章绪论
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，I
GBT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
燕山大学本科生毕业设计（论文）
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。
LOAD
AC/DC变换器
直流母线
双向DC/DC变换器
BA
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
2
第1章绪论
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中。
上述领域中应用的双向DC/DC变换器的共同特点是：
变换器功率较大，变换器所连接的电路中一端是电压较低的蓄电池，另一端的电压较高。
由
于电压等级差别较大，同时出于安全、输出匹配等因素的考虑，这类变换器一般都采用变压器进行低压与高压之间的隔离，即选用隔离型双向
DC/DC变换器。
图1-2电动汽车用燃料电池电源系统框图
1燃.2.3电航天电源系统
料
电
压
控
12 双向
储
在卫星及空间站等航天电源系统中，如图1-3，双向DC/DC变换器成
钳
制
压缩机
12v
蓄
V DC/D
能
逆
驱动电
器
电机
电
负
C变
电 变
为其中的关键性部件。
航天电源系统的能源主要包括太阳能电池阵列、高
能蓄电池。
通常太阳能电池阵列工作在最大功率跟踪点，当日光充足时，
池
位
机
池
载
换器
容
器
3
燕山大学本科生毕业设计（论文）
DC Mains
太阳能阵列
负载
控制单元
双向DC/DC变换器
太阳能电池阵列除保证负载的正常供电外，将多余能量通过双向DC/DC变换器储存到蓄电池中:
当日光不足时，太阳能电池阵列不足以提供负载所需的电能，双向DC/DC变换器反向工作向负载提供电能，双向DC/DC变换器充当蓄电池的充放电管理器，它设计的好坏直接影响到航天器上蓄电池的利用效率和寿命长短。
图1-3航空电源系统
1.3双向DC/DC变换器的现状和发展
1.3.1双向直流变换器的现状
20世纪80年代初，为减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出用Buck/Boost型双向DC/DC变换器代替蓄电池充电器和放电器。
此后人们对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究，并使之进入了实用阶段。
按照双向DC/DC变换器的构成方法，双向DC/DC变换器可以由单向
DC/DC变换器演变而来，按输入和输出之间是否有电气隔离，或功率开关器件的个数进行分类。
非隔离型双向DC/DC变换器有：
BiBuck-Boost、BiBuck/Boost、Bi
Cuk、等，这类变换器只能实现电流的双向流动，并不能改变电压的极性，故称为电流双向变换器，即在电压和电流为坐标的平面内，仅电流可正可
4
第1章绪论
负，变换器工作在第I和第II象限。
电压双向变换器则只能实现电压极性的变换，电流方向不变，变换器工作在第I和第Ⅳ象限。
桥式直流变换器既能实现电流的正与负，也能改变输出电压的极性，为四象限直流变换器。
因而这种四象限直流变换器对直流电机电枢供电时，可以使直流电机在四个象限区域工作。
隔离型双向DC/DC变换器有：
反激式双向（Biflyback）DC/DC变换器，正激式双向（Biforward）DC/DC变换器，双向半桥（Bihalfbridge）DC/DC变换器，双向推挽（Bipush-pull）DC/DC变换器，双向全桥（Bifull
bridge）DC/DC变换器等。
不仅同一种类型的隔离直流变换器可构成隔离型双向DC/DC变换器，而且不同形式的隔离直流变换器也可组合成隔离型双向DC/DC变换器。
双向直流变换器按开关转换条件，也可分为硬开关和软开关两类。
桥式直流变换器有两类：
一类是由双电压源型桥式直流变换器构成，
主变压器两侧电路结构对称；一类是由电压源型桥式直流变换器和电流源型桥式直流变换器构成。
这两种桥式变换器均可具有软开关特性。
控制方式有两种：
①变压器两侧开关管相移控制,变压器有等效电感，通过控制两侧变换单元之间的相位关系来调节两个电源之间的能量传输大小和方向；
②只对变压器一侧开关管进行控制，来调节向另一侧传递能量的大小，另一侧开关管用其反并联二极管整流，工作原理类似单向直流变换器。
1.3.2双向直流变换器的发展
双向直流变换器和电力电子变换器一样，基本要求是：
工作可靠性高、体积小、重量轻、电气特性好等。
可靠性是最主要的要求，它是衡量成功率的尺度，通常以平均故障间隔时间，MTBF（以小时计）来表示，也可用平均故障间隔时间的倒数——故障率，即每一千工作小时的故障次数来表示。
高的可靠性来自良好的设计、认真的制造、全面的检查、合理的使用、准确地安装和正确的维修。
电力电子变换器应该在合适的供电条件下不依赖于其他条件正常工作。
变换器的故障不应导致给它供电电源的故障，也不应引起与其连接的其他设
5
燕山大学本科生毕业设计（论文）
备的故障。
变换器的故障应不导致不安全状态，不扩大故障，更不造成火灾等严重事故。
体积小、重量轻体现双向DC/DC变换器是一种典型的“一机两用”设备。
电力电子变换器的电气性能包括供电电源的适应性、输出电能质量、电能转换效率和电磁兼容性等方面。
提高电能转换效率是电力电子变换器永恒的追求。
低损耗，就会有低温升和小的体积重量，因而就有高的可靠性。
电磁兼容性既要考虑到不受外界干扰信号大的影响，又要不危害其他设备的正常工作。
双向DC/DC变换器是电力电子变换器的组成部分，其发展方向基本相同。
但双向DC/DC变换器是电力电子变换器的一个新分支，是伴随航空航天、电动汽车等新的无污染能源科技的发展而发展起来的，其前景十分广阔。
1.4本章小结
由于对双向DC/DC变换器的应用场合分析我们可以知道，大多数情况下都需要较大的电压传输比，而且要求可靠性高，所以一般都采用隔离拓扑。
因此双向全桥DC/DC变换器备受青睐。
目前双向DC/DC变换器的研究工作主要集中在电路拓扑和控制方式两个方面。
，本文主要以应用于中大功率场合的隔离型双向全桥DC/DC变换器为研究对象，变换器有8个功率开关管，高压侧是电压源型全桥结构，低压侧是电流源型全桥结构。
本课题的主要工作包括以下内容:
（1）介绍了双向DC/DC变换器的概念原理、构成方法、分类及应用领域，并对其研究现状和发展作了简略的介绍，并确定以电压一电流型双向全桥
DC/DC变换器为本文的主要研究对象。
（2）分别阐述了Buck充电模式和Boost放电模式的工作原理，并分析了变换器工作过程中存在的一些问题及相应的解决方案。
（3）介绍了双向DC/DC变换器的设计过程中的参数计算，和变压器的
6
第1章绪论
选择。
（4）通过PSpice对Buck充电模式和Boost放电模式电路进行仿真分析，验证其正确行和可行性。
最后结果和理论一致。
最后对全文做了总结，并对进一步的工作方向作了展望。
7
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