【正文】 3(a)為隔離型 BuckBoostDC/DC 變換器的基本形式，其中高頻整流/逆變單元和高頻逆變/整流單元可以由全橋、半橋、推挽等電路拓?fù)錁?gòu)成?？傊p向 DC/DC 變換器具有高效率、體積小、動態(tài)性能好和成本低等優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的采用雙單向 DC/DC 變換器來達(dá)到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向 DC/DC變換器應(yīng)用一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體開關(guān)器件數(shù)目少，且可以更快的進(jìn)行功率傳輸方向的切換。簡單的實例如圖 221（a）中的單向 Buck DC/DC 變換器和圖221(b)中的單向 Boost DC/DC 變換器，由于二極管的存在，能量只能單方向傳輸。 使能量從V 2傳輸?shù)絍1 ，稱為反向工作模式，此時I 1為正，I 2為負(fù)。I 1和I 2分別是V 1和V2 的平均輸入電流。圖211 單向 DC/DC 變換功能框圖圖212雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)雙向 DC/DC 變換器是指在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)能量傳遞方向的直流變換器。然而對于有些需要能量可雙向流動的場合（V1和V2 ）可以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。最后對全文做了總結(jié)，并對進(jìn)一步的工作方向作了展望。（4）通過PSpice對Buck充電模式和Boost放電模式電路進(jìn)行仿真分析，驗證其正確行和可行性。（2）分別闡述了Buck充電模式和Boost放電模式的工作原理，并分析了變換器工作過程中存在的一些問題及相應(yīng)的解決方案。本文主要以應(yīng)用于中大功率場合的隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器為研究對象，變換器有 8 個功率開關(guān)管，高壓側(cè)是電壓源型全橋結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)是電流源型全橋結(jié)構(gòu)。因此雙向全橋DC/DC變換器備受青睞。但雙向DC/DC 變換器是電力電子變換器的一個新分支，是伴隨航空航天、電動汽車等新的無污染能源科技的發(fā)展而發(fā)展起來的，其前景十分廣闊。電磁兼容性既要考慮到不受外界干擾信號大的影響，又要不危害其他設(shè)備的正常工作。提高電能轉(zhuǎn)換效率是電力電子變換器永恒的追求。體積小、重量輕體現(xiàn)雙向DC/DC變換器是一種典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備。變換器的故障不應(yīng)導(dǎo)致給它供電電源的故障，也不應(yīng)引起與其連接的其他設(shè)備的故障。高的可靠性來自良好的設(shè)計、認(rèn)真的制造、全面的檢查、合理的使用、準(zhǔn)確地安裝和正確的維修。 雙向直流變換器的發(fā)展雙向直流變換器和電力電子變換器一樣，基本要求是：工作可靠性高、體積小、重量輕、電氣特性好等。這兩種橋式變換器均可具有軟開關(guān)特性。雙向直流變換器按開關(guān)轉(zhuǎn)換條件，也可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩類。隔離型雙向 DC/DC 變換器有：反激式雙向(Bi flyback)DC/DC 變換器，正激式雙向(Bi forward)DC/DC 變換器，雙向半橋(Bi half bridge)DC/DC 變換器，雙向推挽(Bi pushpull)DC/DC 變換器，雙向全橋(Bi full bridge)DC/DC 變換器等。橋式直流變換器既能實現(xiàn)電流的正與負(fù)，也能改變輸出電壓的極性，為四象限直流變換器。非隔離型雙向 DC/DC 變換器有：Bi BuckBoost、Bi Buck/Boost、Bi Cuk、等，這類變換器只能實現(xiàn)電流的雙向流動，并不能改變電壓的極性，故稱為電流雙向變換器，即在電壓和電流為坐標(biāo)的平面內(nèi)，僅電流可正可負(fù)，變換器工作在第 I 和第 II 象限。此后人們對人造衛(wèi)星用蓄電池調(diào)節(jié)器進(jìn)行了深入研究，并使之進(jìn)入了實用階段。通常太陽能電池陣列工作在最大功率跟蹤點，當(dāng)日光充足時，太陽能電池陣列除保證負(fù)載的正常供電外，將多余能量通過雙向DC/DC變換器儲存到蓄電池中:當(dāng)日光不足時，太陽能電池陣列不足以提供負(fù)載所需的電能，雙向DC/DC變換器反向工作向負(fù)載提供電能，雙向DC/DC變換器充當(dāng)蓄電池的充放電管理器，它設(shè)計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。圖 12電動汽車用燃料電池電源系統(tǒng)框圖 航天電源系統(tǒng)在衛(wèi)星及空間站等航天電源系統(tǒng)中，如圖13，雙向DC/DC變換器成為其中的關(guān)鍵性部件。上述領(lǐng)域中應(yīng)用的雙向 DC/DC 變換器的共同特點是：變換器功率較大，變換器所連接的電路中一端是電壓較低的蓄電池，另一端的電壓較高。為了和目前的汽車負(fù)載保持兼容，電池電壓一般為 12V，直流母線電壓為 288V。采用蓄電池作為輔助供電電源，通過雙向 DC/DC 變換器可以滿足這兩個方面的要求：快速啟動燃料電池；將制動能量回饋給蓄電池。在燃料電池系統(tǒng)中含有一個壓縮機(jī)電機(jī)，正常運轉(zhuǎn)情況下，該壓縮機(jī)可由燃料電池輸出電壓供電，但在電動汽車啟動時，燃料電池電壓尚未建立起來，需要輔助電源來供電，提供壓縮機(jī)電機(jī)的驅(qū)動能量，給燃料電池創(chuàng)造啟動條件。使用雙向 DC/DC 變換器的好處是，可以將電池的充放電的工作分離出來，用雙向DC/DC 變換器單獨處理蓄電池的充放電操作，更容易優(yōu)化充放電過程，對于延長蓄電池的壽命和提高充電效率都有好處。圖11 DCUPS電源系統(tǒng)雙向 DC/DC 變換器的功能是：供電正常時作為電池組的充電器，保持電池充足電狀態(tài)；在供電故障后將電池組電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€電壓，給負(fù)載供電。相比于直接并接適合直流母線電壓等級的蓄電池組構(gòu)成方式，加入雙向DC/DC變換器有以下優(yōu)勢:(1)可以保證直流母線電壓恒定，不隨電池電壓的變化而變化。圖11 是一種 DCUPS 的結(jié)構(gòu)框圖，由 AC/DC 變換器、電池組 BA 和雙向 DC/DC（Bi DC/DC）變換器構(gòu)成。所以說需求是雙向DC/DC變換器發(fā)展的動力，隨著太陽能風(fēng)能、燃料電池等無污染發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和電動汽車技術(shù)的發(fā)展，會有更多的雙向DC/DC變換器拓?fù)浔惶岢?，雙向DC/DC變換器的應(yīng)用將進(jìn)入新的發(fā)展階段。理論上講，將單向DC/DC變換器中的單向開關(guān)和二極管改為雙向開關(guān)，則所有的單向拓?fù)渚優(yōu)殡p向拓?fù)洌由虾侠淼目刂凭湍軐崿F(xiàn)能量的雙向流動。雙向DC/DC變換器是一種典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備，單向DC/DC變換器只能將能量從一個方向傳到另一個方向，雙向 DC/DC變換器則可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸，而且雙向DC/DC變換器就是DC/DC變換器的雙象限運行，功率不僅可以從輸入端流向輸出端，也能從輸出端流向輸入端。然而隨著科技和社會的發(fā)展，雙向直流不間斷電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合對DC/DC變換器的需求逐漸增加。它在可再生能源、電力系統(tǒng)、交通、航天航空、計算機(jī)和通訊、家用電器、國防軍工、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。雙向DC/DC變換器研究畢業(yè)設(shè)計目錄摘要 ⅠAbstract II第1章 緒論 1 課題研究背景 1 雙向DC/DC變換器的應(yīng)用 1 不停電電源系統(tǒng)(UPS) 1 電動汽車燃料電池電源系統(tǒng) 3 航天電源系統(tǒng) 4 雙向 DC/DC 變換器的現(xiàn)狀和發(fā)展 5 5 雙向直流變換器的發(fā)展 6 本章小結(jié) 7第2章 雙向全橋 DC/DC 變換器 8 DC/DC 變換器的原理 8 雙向 DC/DC 變換器的構(gòu)成方法 9 隔離型雙向全橋 DC/DC 變換器 11 雙向全橋 DC/DC 變換器的工作原理 12 充電模式工作原理 14 放電模式工作原理 16 開關(guān)管電壓尖峰問題 16 本章小結(jié) 18第3章雙向 DC/DC 變換器主電路元件設(shè)計 19 引言 19 高頻變壓器的設(shè)計 19：磁心選擇、匝數(shù)計算等。 19 雙向DC一DC變換器中變壓器偏磁問題： 20 電感Lf的設(shè)計 22 功率開關(guān)管的選取 23 23第四章：DC/DC變換器的PSpice仿真 25 Buck充電電路簡化仿真圖 25 Boost放電電路簡化仿真圖： 27 Bcuk 充電模式閉環(huán)仿真 30 Boost放電模式閉環(huán)仿真 31 33結(jié)論 35參考文獻(xiàn) 37致謝 39附錄1 41附錄2 45附錄3 49附錄4 55 I第1章 緒論第1章 緒論 課題研究背景DC/DC變換器是將一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式直流電能的技術(shù)，主要對電壓、電流實現(xiàn)變換。通常DC/DC變換器都是單向工作的，主要原因是因為功率開關(guān)(SCR，I GBT等)均為單向，并且主功率回路上都有單向?qū)щ姷亩O管，所以能量只能單向流動。為了減輕系統(tǒng)的體積重量，節(jié)省成本，在電池的充放電系統(tǒng)、電動汽車、不間斷電源系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合，雙向DC/DC變換器(Bi一direCtionalDC/DC Converter，BDC)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。它的輸入輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。雙向DC/DC變換器是電力電子變換器的一個新分支，它是伴隨著航空航天、電動汽車、電動船舶和新的無污染能源科技的發(fā)展而發(fā)展起來的。 雙向DC/DC變換器的應(yīng)用 不停電電源系統(tǒng)(UPS)不停電電源系統(tǒng)包括直流輸出不停電電源系統(tǒng)和交流輸出不停電電源系統(tǒng)兩種。其工作原理是，當(dāng)供電正常時，AC/DC 變換器將直流母線電壓調(diào)整到穩(wěn)態(tài)電壓，對直流母線上的負(fù)載供電，同時經(jīng) Bi DC/DC 給電池組 BA 充電，若 BA 已充足電，則雙向變換器不進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換；當(dāng)供電電源掉電或出現(xiàn)故障時，雙向直流變換器將電池組電壓轉(zhuǎn)變成直流母線負(fù)載所需電壓，給負(fù)載供電，使負(fù)載不斷電。(2)可以優(yōu)化蓄電池的充放電管理，有利于延長蓄電池壽命和提高蓄電池利用率。通常，電池組充電的功率較小，放電時功率較大，因此對 Bi DC/DC 的功率等級應(yīng)依放電功率為準(zhǔn)。 電動汽車燃料電池電源系統(tǒng)燃料電池是一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，在電動汽車中有很好的應(yīng)用前景。輔助電源有兩個作用:①在燃料電池啟動前，提供直流母線的電壓；②當(dāng)汽車制動時，希望制動能量能夠回饋并得到合理的應(yīng)用。如12圖為電動汽車燃料電池電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，雙向 DC/DC 變換器是此電源管理系統(tǒng)中的重要組成部分之一。蓄電池供電時，雙向 DC/DC 變換器工作在放電模式，輸入電池電壓波動，輸出穩(wěn)定電壓 288V，放電功率 ；蓄電池儲能時，雙向 DC/DC 變換器工作在充電模式，將電能存儲于蓄電池中。由于電壓等級差別較大，同時出于安全、輸出匹配等因素的考慮，這類變換器一般都采用變壓器進(jìn)行低壓與高壓之間的隔離，即選用隔離型雙向 DC/DC 變換器。航天電源系統(tǒng)的能源主要包括太陽能電池陣列、高能蓄電池。 圖13航空電源系統(tǒng) 雙向 DC/DC 變換器的現(xiàn)狀和發(fā)展 20世紀(jì)80年代初，為減輕人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量，美國學(xué)者提出用Buck/Boost型雙向DC/DC變換器代替蓄電池充電器和放電器。按照雙向 DC/DC 變換器的構(gòu)成方法，雙向 DC/DC 變換器可以由單向 DC/DC 變換器演變而來，按輸入和輸出之間是否有電氣隔離，或功率開關(guān)器件的個數(shù)進(jìn)行分類。電壓雙向變換器則只能實現(xiàn)電壓極性的變換，電流方向不變，變換器工作在第 I 和第Ⅳ象限。因而這種四象限直流變換器對直流電機(jī)電樞供電時，可以使直流電機(jī)在四個象限區(qū)域工作。不僅同一種類型的隔離直流變換器可構(gòu)成隔離型雙向 DC/DC 變換器，而且不同形式的隔離直流變換器也可組合成隔離型雙向 DC/DC 變換器。橋式直流變換器有兩類：一類是由雙電壓源型橋式直流變換器構(gòu)成，主變壓器兩側(cè)電路結(jié)構(gòu)對稱；一類是由電壓源型橋式直流變換器和電流源型橋式直流變換器構(gòu)成?？刂品绞接袃煞N：①變壓器兩側(cè)開關(guān)管相移控制, 變壓器有等效電感，通過控制兩側(cè)變換單元之間的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)兩個電源之間的能量傳輸大小和方向；②只對變壓器一側(cè)開關(guān)管進(jìn)行控制，來調(diào)節(jié)向另一側(cè)傳遞能量的大小，另一側(cè)開關(guān)管用其反并聯(lián)二極管整流，工作原理類似單向直流變換器?？煽啃允亲钪饕囊?，它是衡量成功率的尺度，通常以平均故障間隔時間，MTBF（以小時計）來表示，也可用平均故障間隔時間的倒數(shù)——故障率，即每一千工作小時的故障次數(shù)來表示。電力電子變換器應(yīng)該在合適的供電條件下不依賴于其他條件正常工作。變換器的故障應(yīng)不導(dǎo)致不安全狀態(tài)，不擴(kuò)大故障，更不造成火災(zāi)等嚴(yán)重事故。電力電子變換器的電氣性能包括供電電源的適應(yīng)性、輸出電能質(zhì)量、電能轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容性等方面。低損耗，就會有低溫升和小的體積重量，因而就有高的可靠性。雙向 DC/DC 變換器是電力電子變換器的組成部分，其發(fā)展方向基本相同。 本章小結(jié)由于對雙向DC/DC變換器的應(yīng)用場合分析我們可以知道，大多數(shù)情況下都需要較大的電壓傳輸比，而且要求可靠性高，所以一般都采用隔離拓?fù)?。目前雙向 DC/DC 變換器的研究工作主要集中在電路拓?fù)浜涂刂品绞絻蓚€方面。本課題的主要工作包括以下內(nèi)容:(1)介紹了雙向DC/DC變換器的概念原理、構(gòu)成方法、分類及應(yīng)用領(lǐng)域，并對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展作了簡略的介紹，并確定以電壓一電流型雙向全橋DC/DC變換器為本文的主要研究對象。(3) 介紹了雙向DC/DC變換器的設(shè)計過程中的參數(shù)計算，和變壓器的選擇。最后結(jié)果和理論一致。7第2章 雙向