数字控制双向全桥DC-DC变换器的研究.

1、分 类 号 学号 2003611310062 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 数字控制双向全桥数字控制双向全桥 DC/DC 变换器的研究变换器的研究 学位申请人：牛金红 学科专业 ：电力电子与电力传动 指导教师 ：康 勇 教授 答辩日期 ：2006 年 4 月 29 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering A Study of Bi-directional Full-Bridge DC/DC Converter Based on Digital Control Candidate : Niu Jin Hong Major:Power Electronics and Electric Drive Supervisor:Prof. Kang Yong Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei P.R. China 430074 April,

2、 2006 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 I 摘 要 双向 DC/DC 变换器(Bi-directional DC/DC Converter, BDC)是可双象限运行的 直流-直流变换器。该变换器能够根据实际需要调节

3、能量的流动方向，在功能上相当 于两个单向直流-直流变换器。随着科技和生产的发展，对双向 DC/DC 变换器的需求 逐渐增多，主要有直流不停电电源系统、航天电源系统、电动汽车等应用场合。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，有重要的研究价值。本文主要研究适用于中大功率场合的数字控制隔离型 双向全桥 DC/DC 变换器。 本文首先在介绍双向 DC/DC 变换器的概念、构成方法的基础上引出双向全桥 DC/DC 变换器，该变换器变压器高压侧为电压型全桥结构，接直流母线；低压侧为电 流型全桥结构，接蓄电池。接着介绍双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理，该变换器 有两种工作模式：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，工作原理与单向全桥 DC/DC 变换器类似；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，工作原理与 Boost 型全桥 DC/DC 变换器类似。同 时分析了变换器工作过程中存在的占空比损失、开关管电压尖锋、启动控制等问题 及相应的解决方案。然后用状态空间平均法建立变换器的小信号模型，研

4、究双向全 桥 DC/DC 变换器的控制模型，分析变换器的闭环系统稳定性，并给出单闭环 PID 控 制器的设计方法。 最后给出一台 200W 双向全桥 DC/DC 变换器系统设计、软件流程、数字 PID 控制 器的实现方法、及实验结果与分析。 关键词：关键词：双向全桥 DC/DC 变换器 充电模式 放电模式 控制模型 数字 PID 控制 II Abstract Bi-directional DC/DC Converter (BDC) is the two-quadrant operating DC/DC converter. The power can flow in either direction between two DC sources. BDC performs as two DC/DC converters. With the development of the science and production, BDC is increasingly used in applications such as DC uninterruptible power supply,

5、aerospace power supply, and auxiliary power supply of electric vehicles, etc. The employing of BDC can reduce the size, the weight, and the cost of power system. This thesis is concentrated on the research of the digital controlled Bi-directional, isolated, full-bridge DC/DC Converter. This converter is usally used in high power applications. In chapter one, the conception, creation of the bi-directional DC/DC converter are presented, and the bi-directional, isolated, full-bridge DC/DC converter

6、 is proposed. The converter is operated with dual full-bridges placed on each side of the isolated transformer. The high voltage (HV) side is connected to the dc generator supply, and the low voltage (LV) side is connected to the battery. In chapter two, the operating principle of the bi- directional full-bridge DC/DC converter is introduced. When power flows from the HV- side to the LV-side, the converter works in buck/charge mode to charge the LV-side battery, and the switching signal on HV-si

7、de is turned on, on LV-side is locked; otherwise, it works in boost/discharge mode to power the HV-side load, and the switching signal on LV-side is turned on, on HV-side is locked. Charge mode works as isolated full-bridge DC/DC converter, and the discharge mode works as isolated full-bridge boost converter. Chapter two also proposed some problems and the solved methods, such as the loss of duty ratio, voltage spike, startup controlling, etc. In chapter three, an extended state-space averaged m

8、odel is developed to build the small signal model of the converter in both directions of power flow. A PID controller is designed to make the system has a satisfactory transient response against the disturbance. Finally, a 200W prototype has been built. The design of hardware and software, realization of digital PID controller, etc are introduced in detail. The experimental results of the converter are proposed to confirm the theory analysis. Keywords: Bi-directional Full-bridge DC/DC Converter

9、Charge Mode Discharge Mode Controller Model Digital PID Controller III 目 录 摘要摘要 I AbstractII 1 绪论 1.1 双向 DC/DC 变换器概述(1) 1.2 双向 DC/DC 变换器的应用(5) 1.3 双向 DC/DC 变换器的现状和发展(7) 1.4 本文的研究意义和主要工作(9) 2 双向全桥 DC/DC 变换器 2.1 引言(11) 2.2 双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理(11) 2.3 开关管电压尖峰问题(24) 2.4 双向全桥 DC/DC 变换器的启动控制(26) 2.5 本章小结(31) 3 双向全桥 DC/DC 变换器控制模型的研究 3.1 引言(32) 3.2 非隔离型双向 Buck-Boost 变换器的小信号模型.(32) 3.3 双向全桥 DC/DC 变换器小信号模型的建立(41) 3.4 小信号模型稳定性分析(42) 3.5 本章小结(47) 4 双向全桥 DC/DC 变换器的系统设计 4.1 引言(48) 4.2 主电路参数设计(48) 4.3 辅助电路设计(52) IV 4.4 控制电路设计(55) 4.5 本章小结(58) 5 双向全桥 DC/DC 变换器系统的软件设计及实验结果 5.1 引言(60) 5.2 双向 DC/DC 变换器数字化控制的软件实现(60) 5.3 数字 PID 控制器的算法实现(62) 5.4 实验结果及分析(63) 5.5 本章小结(70) 全文总结.(71) 致谢.(72) 参考文献.(73) 附录 攻读硕士学位期间发表的论文.(77) 1 1 绪 论 1.1 双向 DC/DC 变换器概述 电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能 的装置。电源可分为两类：一是直流电(DC)，其频率；二是交流电(AC)，其频0f 率。因此按转换电源的种类，可分为 4 类基本的电能变换器13，如图 1.1 所0f 示。 图 1.1 电能变换器类型 DC/DC 变换器，又称直流斩波器，将一种直流电转换成另一种直流电的电能变 换器，是直流开关电源的主要部件。 DC/A

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