电动汽车DCDC变换器的研究与设计.wps.docx

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1、 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研宄作出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论 文 作 者 签 名 日 期 ， d 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存

2、论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定 ） 论文作者签名 :沐 M . 导 师 签 名 曰 期 ： # 上 目录 摘要 . I ABSTRACT . Ill 第 1章绪论 . 1 1.1研宄背景与课题来源 . 1 1.1.1电动汽车的发展现状及趋势 . 1 1.1.2电动汽车的系统架构 . 3 1.1.3电动汽车 DC/DC变换器输入特性和负载特性 . 3 1.2变换器整体架构 . 4 1.3主要研宄内容 . 6 第 2章相关理论分析 . 7 2.1基本的 PWM全桥变换器 . 7 2.2 PWM全桥变换器的控制策略 . 8 2.2.1有限双极性控制策略 . 8 2.2.2单极

3、性控制策略 . 8 2.2.3移相控制策略 . 9 2.3闭环反馈控制模式 . 10 2.3.1两种控制模式分析 . 1 2.3.2峰值电流模式的双闭环控制 系统及其传递函数 . 12 2.3.3峰值电流模式的斜坡补偿 . 15 2.4软开关 （ ZVS)技术 . 16 2.4.1传统硬开关技术 . 16 2.4.2软开关技术 . 17 2.5副边整流电路 . 18 2.5.1半波整流 . 19 2.5.2全波整流 . 20 2.5.3倍流整流 . 21 2.6同步整流技术 . 24 2.6.1同步整流原理 . 24 2,6.2 MOSFET的双向导通原理 . 25 2.6.3同步整流驱动方式

4、 . 27 第 3章倍流同步整流移相控制 ZVS PWM全桥变换器的研宄 . 29 3.1移相控制 ZVSPWM全桥变换器的工作模态分析 . 29 3.2倍流同步整流移相控制 ZVS PWM变换器工作模态分析 . 39 3.3谐振参数分析 . 42 3.3.1两个桥臂实现 ZVS的差异 . 42 3.3.2谐振电容 . 43 3.3_3谐振电感 . 43 3.4副边占空比的丢失 . 44 第 4章变换器主电路参数设计 . 47 4.1样机主要参数要求 . 47 4.2主变压器设计 . 47 4.3输出滤波电感设计 . 51 4.3.1电感值的计算 . 51 4.3.2滤波电感的设计 . 52

5、4.4谐振电感的计算 . 53 4.5输出滤波电容的计算 . 54 4.6开关管的选择 . 54 4.6.1全桥开关管的选择 . 54 4.6.2同步整流管的选择 . 54 第 5章控制电路设计 . 57 5.1变换器的闭环控制策略 . 57 5.2控制器 UCC28950介绍 . 57 5.3 UCC28950的关键外围电路设计 . 60 5.3.1软启动设置 . 60 5.3.2开关频率设置 . 60 5.3.3死区时间设置 . 60 5.3.4同步整流 DCM模式 . 61 5.4驱动电路的设计 . 62 5.4.1全桥开关管的驱动电路 . 62 5.4.2同步整流管的驱动电路 . 63

6、 5.5控制电路的设计 . 64 5.5.1电流内环的设计 . 64 5.5.2电压外环的设计 . 65 第 6章仿真研宄与调试结果 . 69 6.1仿真研宂 . 69 6.2实验结果 . 74 6.2.1软开关特性 . 75 6.2.2输出特性 . 76 6.2.3效率测试 . 76 第 7章研宄结论与展望 . 79 7.1研宄结论 . 79 7.2研宄展望 . 79 参考文献 . 81 致谢 . 85 iii CONTENTS ABSTRACT . Ill Chapter 1 Introduction . 1 1.1 Beckground and Subject Source . 1 1.

7、1.1 Development Status and Tends of EV . 1 1.1.2 System Architecture of EV . 3 1.1.3 Input and Load Characteristics of DC/DC Converter for EV Application . 3 1.2 System Architecture of the DC/DC Converter . 4 1.3 The Main Research Contents . 6 Chapter 2 Analysis of Related Principles . 7 2.1 Basic P

8、WM Full-bridge Conveter . 7 2.2 Control Strategies of PWM Full-bridge Converter . 8 2.2.1 Finite Bi-polarity Control Strategy . 8 2.2.2 Uni-polarity Control Strategy . 8 2.2.3 Phase-shifted Control Strategy . 9 2.3 Closed-loop Feedback Control Mode . 10 2.3.1 Analysis of Both Voltage and Current Mod

9、e Control . 10 2.3.2 Double closed-loop Control System and Transfer Function of Current Mode Control . 12 2.3.3 Slope Compensation of Current Mode Control. 15 2.4 ZVS Technology . 16 2.4.1 Traditonal Hard Swithing Tecnnology . 16 2.4.2 ZVS Technology . 18 2.5 Secondary Rectifier . 18 v 2.5.1 Half-Wa

10、ve Rectifier. 19 2.5.2 Full-Wave Rectifier . 20 2.5.3 Current Doubler Rectifier . 21 2.6 Synchronous Rectification. . . . . . . 25 2.6.1 Synchronous Rectification Principle . 25 2.6.2 Bi-directional Conduction Principle of MOSFET . 25 2.6.3 Drive Metod of Synchronous Rectifier . 27 Chapter 3 Researc

11、h on Phase-shifted Full-bridge DC/DC Converter with Current Doubler and Synchronous Rectifier . 29 3.1 Operation Mode Analysis of Phase-shifted Full-bridge DC/DC Converter.29 3.2 Operation Mode Analysis of Phase-shifted Full-bridge DC/DC Converter with Current Doubler and Synchronous Rectifier . 39

12、3.3 Resonant Parameter Analysis. 42 3.3.1 Difference between tow Legs to Achieve ZVS . 42 3.3.2 Resonant Capacitor . 43 3.3.3 Resonant Inductor . 44 3.4 Duty-cycle Loss of Secondary . 44 Chapter 4 Parameters Design of the Power Circuits . 47 4.1 Key Parameters of the Prototype . 47 4.2 Design of the

13、 Power Transformer . 47 4.3 Design of the Output Filter Inductor . 51 4.3.1 Induction Calculation . 51 4.3.2 Inductor Design . 53 4.4 Design of the Output Filter Capacitor . 54 4.5 Design of the Resonant Inductor . 54 4.6 Selection of the Power Switches . 54 4.6.1 Selection of the Full-bridge Power

14、Switches . 54 4.6.2 Selection of the Synchronous Power Switches . 55 Chapter 5 Design of the Control Circuits . 57 5.1 Closed-loop Control Stratge of the Converter . 57 5.2 Introduction of the Controller UCC28950 . 57 5.3 Design of the Key Peripheral Circuits of UCC28950 . 60 5.3.1 Soft Starting Set

15、ting . 60 5.3.2 Switching Frequecy Setting . 60 5.3.3 Delay Time Setting . 60 5.3.4 DCM Mode . 61 5.4 Design of Drive Circuits . 62 5.4.1 Drive Circuits of Full-bridge Power Swicthes . 62 5.4.2 Drive Circuits of Synchronous Power Switches . 63 5.5 Design of Control Circuits . 64 5.5.1 Design of the

16、Current Loop . 64 5.5.2 Design of the Voltage Loop . 65 Chapter 6 Simulation Research and Experimental Results . 69 6.1 Simulation Research . 69 6.2 Experimental Results. 74 6.2.1 Characteristics of Soft-swithing . . 75 6.2.2 Characteristics of Output . 76 6.2.3 Efficiency Test . 76 Chapter 7 Resear

17、ch Conclusions and Prospects . 79 7.1 Research Conclusions . 79 7.2 Research Prospects . 79 vii References Acknowledgements 山东大学硕士学位论文 摘要 随着电动汽车和智能汽车系统的普及，电动汽车对低压直流电源的需求持 续上升，这也是电动汽车动力电池的重要应用之一。电动汽车的蓄电池、智能 控制系统以及内部的大量低压电子设备（如仪表和照明设备等）需要一个低压 直流电源进行供电，这些设备的额定电压通常为 12V,其构成的负载总的工作 电流较大，可达上百安，且各种工作状态切换时负

18、载变化率很高。因此，需要 开发一款高效稳定的电动汽车低电压大电流 DC/DC变换器。 较小的体积和较高的功率密度及效率是开发一款高效稳定的电动汽车低电 压大电流 DC/DC变换器的关键所在，因此，研宄过程中将采用高频化技术、软 开关技术、倍流整流技术和同步整流技术来减小变换器的体积和提高效率，这 些技术也是现代直流变换器的发展方向。 本设计的主电路采用倍流同步整流移相控制 ZVS PWM全桥变换器拓扑， 以满足低电压大电流的负载要求。采用电流模式控制，控制效果好，动态响 应 快。控制芯片采用采用的是 TI公司的全桥移相式软开关 PWM控制器 UCC28950， 该芯片是 TI最新推出的支持同步

19、整流的绿色环保型移相全桥控制 器，并且符合汽车的应用要求。 本文在对主电路的原理和工作模态进行详细理论分析的基础上，对变换器 各部分都给出了详尽的设计，并进行了仿真验证，在此基础上开发出一台实验 样机。 随着电动汽车和智能汽车系统的普及，电动汽车产业对低电压大电流直流 电源的需求持续上升，本文设计的 DC/DC变换器具有体积小、功率密度高、变 换效率高、动态响应好等优点，针对汽车应用进行模块化设 计，具有很好的应 用前景。 关键词：电动汽车， DC/DC变换器，移相控制，同步整流 .，倍流整流 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 ABSTRACT As the popularity o

20、f electric vehicles and intelligent vehicle systems, the demand of low-voltage DC power supply for electric vehicles is growing, and this is one of the most important applications of EV lithium ion battery. A low-voltage DC power supply is needed for the lead acid battery, intelligent control system

21、, as well as the large number of low-voltage electronics devices (such as instruments and lighting equipments, etc) of EV. The rated voltage of the power supply of these devices is usually 12V, and the total current of these loads is large, which up to over 100A. The rate of change of the load is ve

22、ry high when these operation status of these devices change. Therefore, to devlelop a low-voltage high-current DC/DC converter with high efficiency and stability for EV application is neccesary. Small size and high power density and efficiency are the key purpose to develop a low-voltage high-curren

23、t DC/DC converter for EV application. As a result, high- frequency technology, soft switching technology, current doubler rectification technology, and synchronous rectification technology are adapt to reduce the volume and to improve the efficiency of the converter, and these technologies are devel

24、opment direction of modem DC/DC converters. A phase-shifted full-bridge DC/DC converter with current doubler and synchronous rectifier is adapted to meet the requiments of low-voltage and high-current. The control method is current mode control, good effect and fast dynamic response. And the control

25、 chip is the phase- shifted full-bridge soft switching PWM controller UCC28950 of TI, which is the latest green phase-shifted full-bridge controller with synchronous rectification function, and meets the requiments of automotive applications. Based on the detailed theoretical analysis of the princip

26、le and operation modes of the topology, the detailed design processes of every part of the converter are given in this article. Then a prototype is developed based on the simulation verification. As the popularity of electric vehicles and intelligent vehicle systems, the demand of low-voltage DC pow

27、er supply for electric vehicles is growing. The advantages of the DC/DC converter designed in this article are small size, high power desity and efFiency, and good dynamic response, etc. And this DC/DC converter is modular designed for automotive applications. The application prospect is sure to be

28、good. Ill _ 山东大学硕士学位论文 _ Key words: Electric Vehicle, DC/DC Converter, Phase-shifted Control, Synchronous Rectification, Current Doubler Rectification IV 山东大学硕士学位论文 第 1章绪论 1.1研究背景与课题来源 1.1.1电动汽车的发展现状及趋势 世界银行 2012年发布的中国新能源汽车的挑战与机遇报告指出 1，过 去十年中出现的四个互补的大的发展趋势正引导着汽车动力向电动化的方向发 展。第一个趋势是建议显著降低汽车 C02的排放量，以防

29、止全球变暖加剧；第 二个趋势是人们对于由石油引起的经济和安全问题的日益关注；推动汽车电气 化第三大驱动力是带来严重空气质量问题的城市交通拥堵问题的日益加重；科 学技术的快速发展是推动汽车电气化的第四大驱动力，主要表现为电池技术的 发展使得电动汽车大规模的市场化应用正变得可能。 伴随着科学技术的发展，人们开始日益思考由汽车带来的污染问题的解决 办法，在众多方法中，通过电动汽车来改变当前现状的优势显而易见，逐步成 为目前减轻气候变暖问题的重要途径，越来越多的被人们重视起来。但是，虽 然现状如此，用电能代替石油能源，这种电动化的改变宄竟能给温室效应带来 多大的影响，数据还不够真实、充足、有代表性，目前己知数据和假设的绝大 多数都来自于美国。 美国最近公布了 2012-2016汽车尾气排放法，美国交通部与环境保护署对 该法案进行了分析，分析结果如图 1-1所示。由分析结果可见，美国普通轻型 内燃机汽车的 C02尾气实际排放量为 262克 /公里，远高于纯电动汽车和混合动 力电动汽车。新法律将 2016年汽车 C02的平均排放标准设置成 155克 /公里。 该标准并未将内燃机车上游的 C02排放量算在内，如果此排放量是被计算在内 的，那么汽车尾气排放量将会每公里增加 40克。 从分析结果可知，相对于普通内燃机汽车 2016年的 C02尾气排放目标，目