【正文】 所需的電能，雙向DCDC變換器工作在反向模式，由蓄電池向負(fù)載提供電能。圖13 含雙向DCDC直流變換器的直流不停電系統(tǒng)Fig13 DC UPS including the bidirectional DCDC converter同樣道理，雙向DCDC變換器還可成為某些ACUPS（交流不停電電源系統(tǒng)，也就是通常所說的UPS）中的中間直流總線與蓄電池之間的變換環(huán)節(jié)，圖14是在線式交流不停電電源系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖12 含雙向DCDC直流變換器的直流不停電系統(tǒng)Fig12 DC UPS including the single DCDC converter另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 13 所示，蓄電池組經(jīng)過雙向DCDC變換器并到直流總線上[5][6]。當(dāng)外部交流輸入電源掉線時(shí)，負(fù)載由蓄電池來提供能量。再者，在低壓大電流場(chǎng)合，一般雙向DCDC變換器更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態(tài)損耗。雙向DCDC變換器可以根據(jù)實(shí)際需要來控制能量的流動(dòng)方向，即可以使能量從V1傳輸?shù)絍2 (此時(shí)I1為負(fù)，而I2為正），也可以使能量從V2傳輸?shù)絍1（此時(shí)I1為正，而I2為負(fù)）。在這些需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合，兩側(cè)都是直流電壓源或直流有源負(fù)載，它們的電壓極性保持不變,希望能量雙向流動(dòng)，也就是電流的雙向流動(dòng)。人們對(duì)它的研究越來越感興趣。由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也隨之迅速發(fā)展，使得雙向DCDC變換器的應(yīng)用日益廣泛。數(shù)字控制雙向半橋DCDC變換器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄0 引言 11 概述 2 研究內(nèi)容 2 雙向DCDC變換器的原理 2 雙向DCDC變換器的應(yīng)用 3 不停電電源系統(tǒng) 3 新能源發(fā)電系統(tǒng) 4 電動(dòng)汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 5 蓄電池能量儲(chǔ)備系統(tǒng) 7 雙向DCDC變換器軟開關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 7 本論文的目的和主要工作 112 雙向半橋DCDC變換器的工作原理 14 引言 14 雙向DCDC變換器的工作原理 143參數(shù)設(shè)計(jì) 24 變壓器漏感的設(shè)計(jì) 24 輸入電感的設(shè)計(jì) 26 開關(guān)管應(yīng)力 26 隔直電容的選取 26 半橋臂開關(guān)管并聯(lián)電容的選取 274 雙向半橋DCDC變換器的仿真分析 28 引言 28 MATLAB簡(jiǎn)介 28 閉環(huán)控制 28 仿真分析 305 雙向半橋?qū)崿F(xiàn)研究 35 DSP芯片介紹 35 DSP芯片的發(fā)展 35 TMS320LF2407A 芯片的介紹 36 37 39 40 42 42 DC/DC變換器的驅(qū)動(dòng)電路 436 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 45 主程序設(shè)計(jì) 45 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 46 基于DSP的直接移相脈沖生成方法 477 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 498 總結(jié) 50致謝 51參考文獻(xiàn) 52附錄A 54附錄B 64**大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0 引言 電力電子技術(shù)是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學(xué)科，是電力行業(yè)中廣泛運(yùn)用的電子技術(shù)。尤其是軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使雙向DCDC變換器不斷朝著高效化、小型化、高頻化和高性能化的方向發(fā)展，開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低雙向DCDC變換器的開關(guān)損耗，提高變換器的工作效率，為變換器的高頻化提供可能性，從而減小變換器的體積，提高變換器的動(dòng)態(tài)性能。本章簡(jiǎn)單介紹了雙向DCDC變換器的原理和用途。這就需要雙向DCDC變換器。用通常的單向 DCDC 變換器也可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，但是這時(shí)就需要將兩個(gè)單向DCDC變換器反并聯(lián)，因?yàn)橥ǔ５膯蜗駾CDC變換器中主功率傳輸通路上一般都有二極管這個(gè)環(huán)節(jié)，因此能量經(jīng)由變換器流動(dòng)的方向只能是單向的?？傊?，雙向DCDC變換器具有效率高、體積小、動(dòng)態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢(shì)。正常供電時(shí)，交流輸入對(duì)蓄電池浮充。正常供電時(shí)，交流輸入電源除了對(duì)負(fù)載供電外，還通過雙向DCDC變換器對(duì)蓄電池充電。蓄電池組也是經(jīng)過雙向DCDC變換器并到直流總線上。雙向DCDC變換器充當(dāng)蓄電池的充電器和放電器，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到航天器上蓄電池的利用效率和壽命長短。在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)是典型的有源負(fù)載，從其輸入端來看既能輸出能量也可吸入能量。在坦克、裝甲車等重型車輛中，仍采用柴油或汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，作為車中其他設(shè)備的供電電源，但發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)需要電源。近年來，一些低輸入感抗的電機(jī)應(yīng)用越來越多，主要得益于它的功率密度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。雙向DCDC變換器在電動(dòng)汽車和車載、艦載系統(tǒng)中的應(yīng)用還包括為彌補(bǔ)蓄電池瞬時(shí)輸出功率有限的缺陷，通過加入超容電容和雙向DCDC變換器達(dá)到增加瞬時(shí)功率，從而提高系統(tǒng)的加減速性能[14][15]。一種解決辦法就是采用額外串并快速二極管的方法，這樣在一定程度上減小了反向恢復(fù)電流，但不足之處是除了增加半導(dǎo)體器件外，還會(huì)增加變換器的通態(tài)損耗，對(duì)非高壓應(yīng)用場(chǎng)合中提高效率并沒有貢獻(xiàn)。軟開關(guān)技術(shù)給DCDC變換器的性能帶來了很大的改進(jìn)，它降低了開關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力，軟化了器件的開關(guān)過程，減小了開關(guān)損耗，提高了變換器的工作效率。近年來，己有不少軟開關(guān)雙向DCDC變換器電路拓?fù)涑霈F(xiàn)，現(xiàn)討論幾種:1） 諧振類雙向DCDC變換器[17]諧振技術(shù)是出現(xiàn)較早的軟開關(guān)技術(shù)。而如圖19所示的電路拓?fù)錇楹泐l零電壓開關(guān)多諧振雙向DCDC變換器，其中S1，S2均為零電壓開關(guān)工作。變換器在主功率電感的作用下，每一個(gè)開關(guān)在其開通前，有電流流經(jīng)其反并聯(lián)二極管，兩端電壓被降低到零，這樣為功率開關(guān)提供了零電壓開通條件。同樣，不足之處是變換器存在較大內(nèi)部循環(huán)能量，通態(tài)損耗較高，輕載時(shí)不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作。圖111 一種應(yīng)用無源緩沖器的橋式雙向DCDC變換器Fig111 A bridge bidirectional DCDC converter using the passive buffer5) 有源緩沖器類雙向DCDC變換器通過加入一些有源緩沖器來達(dá)到零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)或零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)為目的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們的共同點(diǎn)是變換器基本保持一般的PWM方式工作，額外引入的輔助有源開關(guān)和輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，只是在主開關(guān)管開通或關(guān)斷之前工作一小段時(shí)間，使得主開關(guān)管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，此外，器件的電壓應(yīng)力較小。該種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是:①消除了無有源鉗位輔助回路時(shí)電流饋全橋端存在電壓應(yīng)力大的缺陷。②反向工作時(shí)，輔助鉗位管是硬開關(guān)工作的。采用輔助開關(guān)的軟開關(guān)法有：零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）和零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）雙向DCDC功率變換器、有源鉗位雙向DCDC功率變換器。因此，目前，采用輔助開關(guān)的軟開關(guān)雙向DCDC功率變換器存在電路元件多，需要額外引入的輔助開關(guān)及其控制電路等缺點(diǎn)，因此影響成本和功率密度。但諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振技術(shù)的雙向DCDC功率變換器由于基于LC諧振工作原理，存在功率器件電壓、電流應(yīng)力大，通態(tài)損耗高，軟開關(guān)的負(fù)載范圍受限等嚴(yán)重缺陷。但當(dāng)相移控制雙向DCDC功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標(biāo)稱電壓時(shí)，相移控制在電路中造成嚴(yán)重環(huán)流，導(dǎo)致通態(tài)損耗的迅速增加和軟開關(guān)條件的破壞。若能將相移控制和PWM相結(jié)合，發(fā)揮PWM控制對(duì)雙向DCDC功率變換器的輸入和輸出電壓大范圍變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮移相控制具有無須輔助開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)雙向DCDC功率變換器零電壓開關(guān)的能力優(yōu)勢(shì)，就可較好的解決雙向DCDC變換器在目前應(yīng)用中所遇到的問題。論文主要完成以下工作：1) 介紹了一種雙向半橋零電壓（ZVS）DCDC變換器。4) 介紹了DSP的選取，系統(tǒng)的主控制電路，采樣電路，保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路的方案。該變換器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，隔離變壓器的兩端各有一個(gè)對(duì)稱半橋。此變換器主要用于混合動(dòng)力汽車燃料電池的輔助啟動(dòng)。另外在能量雙向流動(dòng)時(shí)，沒有輔助設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓（ZVS）通斷。它是變換器能量傳輸?shù)闹匾?，同時(shí)也保證了變換器的軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)。從圖中可以看出變換器電流應(yīng)力大大增加，即增加輸入與輸出之間無功功率的交換，于是增加功率器件、磁性元件的電流應(yīng)力，增加了開關(guān)器件的通態(tài)損耗和磁性元件損耗。圖23a 階段0Fig23a Step 02） 階段1：(t1~t2 ) 如圖23b在t1時(shí)刻,S1關(guān)斷，Cr1,Cr2和Tr的漏感Ls開始諧振，使得諧振電容Cr2兩邊的電壓V1+V2開始下降，諧振電容Cr1被充電。在之期間, S2在ZVS 條件下導(dǎo)通。圖24b 階段3 Step 35） 階段4：(t4~t5 ) 如圖25a從t4時(shí)刻起，電流Ir1開始改變極性,然后二次側(cè)電流也開始從D3換向到開關(guān)管S3。圖25b 階段5 Fig25b Step 57） 階段6：(t6~t7) 如圖26a在t6時(shí)刻，當(dāng)諧振電容Cr4的電壓下降到0時(shí)，D4開始導(dǎo)通。Vr1也從V2開始上升。在此期間，S1在ZVS 條件下導(dǎo)通。圖28a 階段10 Fig28a Step 1012）階段11：(t11~t12) 如圖28b在t11時(shí)刻，S4關(guān)斷。在此期間，S3在ZVS 條件下導(dǎo)通。圖210為該ZVS雙向DCDC變換器的正向工作模式下穩(wěn)態(tài)工作時(shí)主要電壓、電流的波形。從圖210可以看出，在正向模式下ZVS通斷的條件主要決定于在t1,t5,t7,t11時(shí)刻電流Ir1與Id1的值。概括如下： (21)3參數(shù)設(shè)計(jì) 變壓器漏感的設(shè)計(jì)開關(guān)電源中變壓器是核心器件，變壓器設(shè)計(jì)的好壞不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，同時(shí)也影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性。此變換器電路中變壓器有三種功能:1) 變換器的高壓側(cè)與低壓側(cè)進(jìn)行隔離；2) 低壓側(cè)電壓到相應(yīng)的高壓；3) 變壓器的漏感用來存儲(chǔ)和傳遞能量。先考慮沒有損耗的理想情況，即變換器的輸入功率等于輸出功率。該模式在=時(shí)結(jié)束。設(shè)D=，開關(guān)頻率為 f =20kHz，上述公式可以簡(jiǎn)化為： (36)圖31輸出功率Po，相位移角和漏感LS的關(guān)系曲線圖Fig31 Output power, phase shift and leakage inductance LS圖31是漏感LS=，輸出功率Po與相位移角的關(guān)系圖，從圖中可以看出，變換器的輸出功率最大。 開關(guān)管應(yīng)力開關(guān)管上的電壓、電流和du/dt的變化范圍對(duì)于開關(guān)管的設(shè)計(jì)很重要。理想情況下，隔直電容上所允許的下降量dV為輸入直流電壓的10％~20％,產(chǎn)生該壓降的等效平頂脈沖電流為Ir， /2。仿真是伴隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高而逐漸發(fā)展起來的一種有效的分析設(shè)計(jì)工具，可以取代人工的計(jì)算分析，將設(shè)計(jì)人員從重復(fù)性的計(jì)算勞動(dòng)中解脫出來。它的核心是數(shù)值計(jì)算，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖像處理等若干領(lǐng)域。 閉環(huán)控制DCDC變換器的閉環(huán)控制有電流模式和電壓模式兩種[2325]。這兩種電流模式都采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式。故本文在能量正向流動(dòng)時(shí)，控制回路采用電壓模式控制。圖43是變換器正向工作時(shí)的電壓模式閉環(huán)控制的具體實(shí)現(xiàn)電路，電壓閉環(huán)由運(yùn)算放大器IC2, R4, R5, R6, R7, R8,R9,C1和C2構(gòu)成，它是一個(gè)PID調(diào)節(jié)器。圖45是變換器反向工作時(shí)的平均電流模式閉環(huán)控制的具體實(shí)現(xiàn)電路，電壓閉環(huán)由運(yùn)算放大器IC2, R4, R5, R6, R7, R8和C1構(gòu)成，它是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器。仿真電路所用的其它主要參數(shù)如下：主功率開關(guān)管S1～S4 ：RDS= ；輸入的直流電壓：V in=12V；輸出的直流電壓：Vo=288V；變壓器的匝比：1/12；開關(guān)頻率：f = 20kHz。圖48為正向工作模式下，輸出電壓為288V、輸出功率P0=72W時(shí)，變壓器漏感Ls兩邊電壓Vr1和Vr2的波形。圖411為變換器反向工作時(shí)，輸入電壓為288V,輸出電壓的波形，從圖中可以看出，輸出電壓值在12V左右，滿足設(shè)計(jì)的要求。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司(Texas Instruments，簡(jiǎn)稱TI)的一系列產(chǎn)品。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近50%。T公司于1984年推出的DSP32。美國模擬器件公司(Analog Devices，簡(jiǎn)稱AD)在DSP芯片市場(chǎng)上也占有一定的份額，相繼推出了一系列具有自己特點(diǎn)DSP芯片，其定點(diǎn)DSP芯片有ADSP2101/2103/2105，ASDP2111/2115，ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮點(diǎn)DSP芯片有ADSP21000/210ADSP21060/21062等。從制造工藝來看，1980年采用4μm的N溝道MOS(NMOS)工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米(Micron) CMOS工藝。2）乘法器(MPY)TMS320LF240xDSP采用一個(gè)1616位的硬件乘法器，可以在單機(jī)器周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)32位結(jié)果的有符號(hào)或無符號(hào)數(shù)。②累加器(ACC)。輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器將按照存儲(chǔ)指令中指定的位數(shù)將累加器輸出的內(nèi)容左移0~7位，然后用SACH或SACL指令將移位器的高位字或低位字存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。這8個(gè)輔助寄存器提供了強(qiáng)大而靈活的間接尋址能力，利用包含在輔助寄存器中的16位地址可以訪問64K數(shù)據(jù)空間中的任意單元。③比較AR0和當(dāng)前AR的內(nèi)容，然后將比較結(jié)果放至狀態(tài)寄存器ST1中的測(cè)試/控制位TC（CMPR指令）。TMS320LF240x指令集采用3中基本的存儲(chǔ)器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式和間接尋址方式。當(dāng)需要訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，用戶可采用直接或間接尋址方式。TI公司生產(chǎn)的DSP ( TMS320LF2407A)是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，采用了程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令。主控制器采用TMS320LF2407A雙向半橋變換器控制電路原理