双向交错并联DCDC变流器设计及仿真23751.pdf

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1、.1 课题 10：双向交织并联 DC/DC 变流器设计与仿真 主要性能指标要求：输入线电压 10V-15V，交流输出功率 400W，输出电压 48V，电压控制稳态精度为 3%，输出电压纹波峰峰值为 100mv。具体容：要求学生在深入学习和分析双向交织并联 DC/DC 变换器的组成和工作原理根底上，完成主电路和驱动保护电路的硬件设计与元件选型，并在MATLAB SIMULINK 平台上，完成控制系统仿真。摘要 本设计是在双线交织并联 DC/DC 电路构造图的根底上进展主电路和驱动电路，保护电路的硬件设计，并通过对电路参数的计算进展元件选型，并在simulink 上完成控制系统的仿真。【关键词】D

2、C/DC 变换器，驱动电路 PWM 控制，保护电路 第一章 原理分析 1.1 双向交织并联 DC/DC 变换器工作模式分析 Boost 工作模式 该模式下电路的等效电路图如以下图所示：该电路的作用把低压端储存的能量通过 Boost 电路变换成电压较高、稳定的直流电源。此时 S3 和 S4 工作，CsuperVin放电。由于变换器在启动时功率较大，而超级电容的电压又较低，故其放电电流较大，进而两路电感电流之和在变换器工作于 Boost 模式时一直处于连续工作状态。而且，当变换器工作在最大功率下时，每一路的电感电流也工作在连续状态。为了简化分析，对变换器工作于最大功率时，作出如下假设：1 两路开关

3、导通占空比相等，即 D3=D4=D，相位差相差 180 度；2 两路电感相等，即 L1=L2=L;3 电路已经进入稳态，各个开关周期电流相等。根据开关管 S3、S4 占空比 D 的情况，Boost 模式又可以分为 3 种状态：D0.5。当 D0.5 时，由于开关管的导通时间较短，存在两路的续流二极管同时导通的情况，该状态下个阶段电路的主要波形如图 2 所示。图 2 Boost 模式 D0.5 时电路的主要工作波形 在阶段一中，两个开关管 S3 和 S4 都开通，电感 L1 和 L2 储存能量，此阶段有：在阶段二中，开关管 S3 继续导通，电感 L1 继续储能；开关管 S4 关断，D2 续流，电

4、感 L2 释放能量，此阶段有：阶段三和阶段四重复阶段一和阶段二的过程，根据图 4 和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波iL1、Il2 和超级电容的纹波isc 以及电压增益 Ay:Buck 工作模式 该模式下电路的等效电路图如以下图所示：在该模式下电路将高压断多余的能量通过 Buck 电路回馈给 Csuper。此时 S1 和 S2 工作，Csuper 充电。与 Boost 模式一样，Buck 模式下根据开关管 S1、S2 占空比 D 的情况不同可以分为三种状态：D0.5。当 D0.5 时，由于开关管的导通时间较短，存在两路的续流二极管同时导通的情况，该状态下一个开关周期的电路各阶段主要工作波

5、形如图 5 所示。图 5 Buck 模式 D0.5 时电路主要工作波形 在阶段一中，两个开关管 S1 和 S2 都开通，电感 L1 和 L2 储存能量，此阶段有：在阶段二中，开关管 S1 继续导通，电感 L1 继续储能；开关管 S2 关断，D4 续流，电感 L2 释放能量，此阶段有：阶段三和阶段四重复阶段一和阶段二的过程，根据图 7 和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波iL1、Il2 和超级电容的纹波isc 以及电压增益 Ay:第二章 参数设计.1 表 1 双向交织并联 DC/DC 变换器参数要求 输入线电 V 输出电压 V 交流输出功率W 电压控制稳态精度 输出电压纹波波峰值(mv)10

6、-15 48 400 3%100 双向交织并联 DC/DC 变换器的主要元件包括储能电感 L1、L2，输入侧电容滤波 Ci,输出侧电容滤波 Co 和功率开关管。在上文原理分析的根底上，下面将给出变换器电路各元件的具体参数设计。2.1 电感参数设计 最大的电感电流纹波(峰峰值)iL 为其平均值的 20%，分别计算 Boost 模式和 Buck模式下电感值，Boost 电路电感 LBoost 和 Buck 电路的电感 LBuck 分别为：考虑到采用了交织并联及术后，两相交织并联电路所需的电感值所需的电感值 Ldual与单个 Boost 或 Buck 所需电感值 Lsingle 存在如下的关系：上式

7、中 D=1-D。由此计算出 Boost 模式下 Ldual=23.44Uh,Buck 模式下 Ldual=21.48uH，综合以上考虑，装置中采用电感 L1=L2=25uH。2.2 输入输出滤波电容设计 考虑输入输出侧最大的电压纹波V 为 3%，则输入侧应满足超级电容电压波动Vsc需求，因此可的输入侧的滤波电容 输出侧应满足蓄电池电压波动Vbat 需求，因此可的输出侧的滤波电容 上式中 R 为变换器的等效负载。由此计算出输入电容 Ci=65Uf,输出电容 Co=100uF。由于一般电解电容的 ESR较大，在功率较大时发热较为严重，影响了整个系统的平安性，故采用多个容值较小的 CBB电容并联作为

8、输出电容。实际上取输入电容 Ci=100Uf，输出电容 Co=120uF。2.3 功率开关器件选择 装置选取 MOSFET 作为开关器件以减小装置体积。又由变换器的原理分析可知流过功率开关器件的电流最大值和电感电流的最大值是相等的，因此最大的漏极电流：考虑 10%的裕量，取 IDma*=24A。功率开关器件所承受的最大电压应力就是输出电压的最大值即：但考虑到 MOS 管关断时由于电路引线电感的影响，通常存在较大的电压过冲。因此实际装置中取 VDSma*=60V。第三章 驱动电路设计 由于所采用的 MOS 管输入结电容，考虑其开通时间在 50ns 以，故驱动峰值电流6A.。选取型号为 I*DD6

9、09 的驱动芯片来驱动 MOS 管，该驱动芯片的驱动峰值电流为 9A.，驱动电压的上升和下降时间均小于 25ns。驱动电路如图 13.1 所示。双向交织并联 DC/DC 变换器共有 4 个 MOS 管，其中 Boost 模式的 MOS 管 S1，S2 是共地的，而 Buck 模式的 MOS 管 S3，S4 是隔离的，因此驱动电路的供电电源共需3 路互相隔离的+5V 和+15V。图 13 驱动电路图 第四章 电路仿真 在 Boost 工作模式下，输入电压为 10-15V，给定输出电压为 48V，是测出输出电压为 48V，是测出输出电压在额定功率左右是误差为 10mV，效率到达 92.4%，图 1

10、4a 为系统在 Boost 工作模式额定功率稳态运行时相关参数的波形。图 14b 为系统负载瞬时降低20%时的电压波形。可见，输出电压在 5ms 稳定在 48V。为了保证系统可靠性，系统在启动时控制程序给定一个线性变化量，通过约 30ms 到达 48V，图 14c 为系统启动过程中相关参数的实验波形。在 Buck 工作模式下，高压端输入电压为直流 48V。图 14d 为系统在Buck 模式下，给定输出电流 13.5A 时稳态工作的波形。图 14 实验仿真图形 第五章 控制系统建模与仿真 5.1Boost 模式下的控制系统建模与仿真 采用受控电流源、受控电压源和理想变压器等效，建立变换器在 Bo

11、ost 模式下的信号交流等效电路，如图 8 所示：图 8 Boost 模式下的小信号交流等效电路 为了简化计算，忽略电感参数的差异，假定 L1=L2=L,IL1=IL2，d1(t)=d3(t)=d(t),Il1(t)=iL2(t)=iL(t)。同时，因为电路的稳态量 D1=D3，设 D1=D3=D.根据小信号模型等效电路，可以求出 Boost 工作模式下占空比到电感电流的传递函Gid(s):Boost 模式下，通过控制双向 DC/DC 变换器的输出电流来补偿蓄电池额定放电电流的缺乏。其控制框图如图 9 所示：图 9 Boost 模式下的系统控制框图 输出电流经过低通滤波和功率守恒计算，得到输入

12、电流的给定值。通过分别控制两路电感电流，一方面减小了两路之间的电流误差，同时也到达了间接控制输出电流的目的。5.2 Buck 模式下控制系统建模与仿真 采用受控电流源、受控电压源和理想变压器等效，建立变换器在 Buck 模式下的信号交流等效电路，如图 10 所示：图 10 Buck 模式下的小信号交流等效电路 为了简化计算，忽略电感参数的差异，假定 L1=L2=L,IL1=IL2，d2(t)=d4(t)=d(t)，Il1(t)=iL2(t)=iL(t)。同时，因为电路的稳态量 D2=D4，设 D2=D4=D.根据小信号模型等效电路，可以求出 Buck 工作模式下占空比到电感电流的传递函数Gid(s):占空比到输出电压的传递函数 Gud(s):电感电流到输出电压的传递函数 Gv1(s):Buck 模式下，采用电压电流双向闭环的控制策略，给超级电容充电。通过电压外环准确控制充电电压，通过电流环提高响应速度。其控制框图如图 11 所示：.1 图 11 Buck 模式下的系统控制框图 电压外环通过 PI 控制器得到环的电流给定值，即两路电感电流之和，电流环控制没一路的电感电流等于电流给定值的一半，与 Boost 模式一样，两路电感电流分别独立控制。第六章 总结