1、 分类号： 密级： U D C ： 编号： 专业硕士学位论文 （工程硕士） 双向 DC/DC 变 换器的 控制 方法研 究与 设计 硕士研究生 ： 孙 亚 指 导 教 师： 姚绪梁 教授 企 业 导 师： 蔡晓华 研究员 工 程 领 域： 控制工程 学 位 论 文 主 审 人 ： 罗耀华 教授 哈尔滨工程大学 2014 年 6 月 分类号： 密级： U D C ： 编号： 专业硕士学位论文 （工程硕士） 双向 DC/DC 变 换器的 控制 方法研 究与 设计 硕 士 研 究 生 ：孙 亚 指 导 教 师 ：姚绪梁 教授 学 位 级 别 ：工程硕 士 工 程 领 域 ：控制工 程 所 在 单 位
2、 ：自动化 学院 论文提交日期 ：2014 年 4 月 论文答辩日期 ：2014 年 6 月 学位授予单位 ：哈尔滨 工程大 学 Classified Index ： U.D.C ： A Dissertation for the Degree of M.Eng （Master of Engineering ） Design and Research on The Control Method of Bidirectional DC/DC Converter Candidate ： Sun Ya Supervisor ： Prof. Yao Xuliang Academic Degree App
3、lied for ： Master of Engineering Engineering Field ： Control Engineering Date of Submission ： Apr , 2014 Date of Oral Examination ： Jun , 2014 University ： Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、 方法、 数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。 除文中已注 明引用的内容外， 本论文不包含任
4、何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体， 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。 作者（签字）： 日期： 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定， 即研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权属于哈尔滨工程大学。 哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进 行检索， 可采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文， 可以公布论文的 全部内容。 同时本人保证毕业后结合学位论文研究课
5、题再撰写的论文一律注明作者第一 署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文（ 在授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工 程 大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字）： 导师（签字）： 日期： 年 月 日 年 月 日 双向 DC/DC 变 换器 的控 制 方法研 究与 设计 摘 要 随着人类文明的发展和科学技术水平的进步， 现代社会对电 能的需求比以往任何时 候都更加迫切。 在一些应用场合，要求 DC/DC 变换器具有双向电能流动的能力 。双向 变换器在电力驱动、 分布式能源、 智能充放电、 可再生能源、 交通、 航空航天、 工业控 制等领域
6、得到了广泛的应用 1 。 在输入输出电 压极性不变的情况下， 双向 DC/DC 变换器 可以使电流的方向发生改变。 目的在于要使电能从输入端输送到输出端， 也能使电能从 输出端输送到输入端。 在电路结构上， 只要有能量的反向流通回路， 就可以实现电能的 双向流动。 本 文 在 进 行 大 量 阅 读 比 较 ， 理 论 研 究 的 基 础 上 ， 通 过 对 比 分 析 研 究 典 型 的 双 向 DC/DC 变 换器 的 拓 扑结 构 ， 选 用双 向 全桥 直流 变 换 器 作为 研 究对 象 ， 分 析 了 该变 换 器 原理及实现软开关 的 条件， 根据课题性能指标的要求， 设计了电路
7、的主要参数 ， 包括开 关管选取、变压器、电容、电感 等参数设计 。经过对比研究全桥变换器典型控制策略 ， 选用滑模变结构控制 作为该变换器的控制方法 ， 对滑模面的设计 、 滑模 参数的选取等问 题进行了 研究。基于 Saber 仿真软件，建立了 双向 DC/DC 变换器的 滑模变结构控制 仿 真模型 ， 验证了当参数波动 时滑模控制对外界参数变化的不敏感性 ， 分别验证当输入电 压波动和负载波动时系统的抗干扰性 。 分别采用移相控制策略和重复导通控制策略建立 了主电路充放电模式等效电路模型 。 最后，为了验证理论分析的正确性，控制方案及参数设计的正确合理性，以 IGBT 为开关器件， FP
8、GA 作 为控制芯片， 搭建了一个功率等级为 1000W 实验平台， 并在此基 础上进行实验分析研究。 关键词： 双向 DC/DC 变换器；滑模控制；Saber 仿真；软开关 哈尔滨 工程 大学 硕士 学位 论文 双向 DC/DC 变 换器 的控 制 方法研 究与 设计 ABSTRACT With the development of human civilization, the demand for electricity in modern society is becoming more urgent than ever. In some applications, the DC/DC
9、 converter should have the ability to transfer energy in bidirectional directions. The bidirectional DC/DC converter has been widely used in many fields, such as electric drive, distributed energy, intelligent charging and discharging system and so on. In the condition of polarity unchanged of the i
10、nput and output voltage, this converter can change the transfer directions of the current. The energy can transfer to both sides of the converter. In the circuit structure, as long as there is a reverse flow of energy in the circuit, then the energy can transfer in both sides. After a lot of reading
11、, theoretical research and analysis, the bidirectional full-bridge DC/DC converter was selected by comparing the topology of typical bidirectional DC/DC converters. A detailed analysis was given on the principle and soft-switching conditions, according to the requirements of the task performance, pa
12、rameters of the main circuit elements were designed, such as IGBTs, capacitors, inductors and so on. The Sliding Mode Control has been selected by comparing with other control strategies. The design on the sliding surface, sliding on issues such as the selection of the sliding parameters was studied
13、. The simulation model of bidirectional DC/DC converter was built based on simulation software Saber. In order to verify the output insensitivity when there are fluctuations in the external parameters, such as the input voltage and output load fluctuations. The phase-shift control strategy and repet
14、itive control strategy has been used on simulation studies. Finally, based on IGBTs, FPGA chip as a controller, a rated power of 1000W experimental platform was built. In order to verify the design of the converter, the related experimental analysis was carried on. Key words: Bidirectional DC/DC con
15、verter; SMC; Saber; Soft-switching 哈尔滨 工程 大学 硕士 学位 论文 双向 DC/DC 变 换器 的控 制 方法研 究与 设计 目 录 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题研究的背景和意义 1 1.2 双向 DC/DC 变换器的应用 1 1.2.1 双向 DC/DC 变换器的基本原理 1 1.2.2 双向 DC/DC 变换器的应用领域 3 1.3 双向 DC/DC 变换器的国内外发展现状 4 1.3.1 双向直流变换器的提出与发展 4 1.3.2 软开关技 术在双向变换器中的应用 5 1.4 课题研究的主要内容 6 第 2 章 双向 DC/DC 变换器的主
16、要拓扑和基本 原理分析 8 2.1 非隔离型双向 DC/DC 变换器 8 2.1.1 Buck 电路及其变 换 8 2.2 隔离型双向全桥 DC/DC 变换器 12 2.2.1 双向全桥 DC/DC 变换器的主要拓扑结构 13 2.2.2 双向全桥 DC/DC 变换器充电模式工作原理 14 2.2.3 双向全桥 DC/DC 变换器放电模式工作原理 20 2.3 本章小结 24 第 3 章 双向全桥 DC/DC 变换器主电路设计 25 3.1 移相全桥直流变换器软开关实现条件 25 3.1.1 超前臂实现 ZVS 的条件 25 3.1.2 滞后臂实现 ZVS 的条件 25 3.2 双向全桥 DC
17、/DC 变换器主电路参数设计 25 3.2.1 高频变压器的设计 26 3.2.2 IGBT 的选用 29 3.2.3 滤波电路的设计 29 3.2.4 谐振电感的设计 30 3.2.5 桥臂死区时间设置 31 3.3 本章小结 31 第 4 章 双向全桥 DC/DC 变换器控制系统设计 32 4.1 硬件控制系统设计 32 4.1.1 数字控制器设计 32 哈尔滨 工程 大学 硕士 学位 论文 4.1.2 A/D 转换电路设计 33 4.1.3 电平转换电路设计 34 4.1.4 电压及电流采样电路设计 35 4.1.5 输出电压及电流信号调理与保护电路 36 4.2 基于 FPGA 的数字
18、 控制系统设计 37 4.2.1 数字控制系统概述 37 4.2.2 数字控制系统的基本组成 37 4.2.3 数字控制系统的设计方法 37 4.2.4 FPGA 基本结构 38 4.2.5 FPGA 设计流程 39 4.3 FPGA 控制器的设 计 40 4.3.1 Quartus II 开发工 具简介 40 4.3.2 硬件描述语言 HDL 41 4.3.3 控制器的设计及仿真 42 4.4 本章小结 45 第 5 章 双向 DC/DC 变换器的仿真研究 46 5.1 滑模控制技术研究 46 5.1.1 滑模控制基本理论 46 5.1.2 滑模控制数学描述 47 5.2 双向 Buck-B
19、oost 变 换器的仿真研究 48 5.3 双向全桥 DC/DC 变换器充电模式仿真研究 52 5.4 双向全桥 DC/DC 变换器放电模式仿真研究 56 5.5 本章小结 59 第 6 章 双向全桥 DC/DC 变换器的实验及波形分析 60 6.1 测试平台 60 6.2 实验波形及分析 61 6.3 本章小结 65 结 论 66 参考文献 68 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 71 致 谢 72 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的背景和意义 随着科学技术的快速发展进步， 电子产品在人们日常的工作、 生活中起着越来越重 要的作用。 越来越多的电子设备，
20、如微处理器， 对电源的性能、 功能等方面提出了更高 的要求。 上个世纪50年代， 以小型化、 重量轻为 开关电源开发 目标。 电子产品的正常稳定工 作离不开可靠的电源， 传统的线性电源存在着体积大、 效率低等缺点， 所以自从20世纪 70年代以来， 开关电源逐渐取代传统的线性调节器式电源， 高频开关电源得到了很大的 发展。 从20世纪70年代开始， 开关电源的高频技术取得了很大的发展。 数字控制技术的发 展， 半导体开关器 件技术的进步， 高频磁性元件， 集成磁性元件， 平面磁芯及平面变压 器的技术的发展， 使得开关电源实现高频化， 小 型化， 轻薄化成为现实。 开关电源高频 化的发展， 同时
21、也带来开关损耗 增加的这一制约因素， 所以功率器件的软开关技术成为 该领域的一个研究方向 2 。 双向DC/DC 变换器由于具有 能够实现能量双方向调节这一优点，在电力驱动领域、 分布式能源、 可再生能 源、 交通、 航空航天、 工业控制等领域得到了广泛的应用 ， 近些 年来成为开关电源领域的一个重要研究方向。 由于功率半导体器件 SCR 、 IGBT 等的单向性 ， 没有能量的反向流通回路， 一般开 关变换器的能量流动都是单方向的。 但是， 由于人们 在生产生活中需要 对能量进行合理 的分配管理， 因而双向变换器 在不同领域 的 需求越来越多。 用两台单向变换器反向并联 的方法可以达到能量双
22、向流动的目的， 但这样会造成同一时刻只有一台设备在工作， 造 成很大的不必要的资源浪费。 因此， 为了减少浪费， 合理利用资源， 双向变换器的研究 成为一个热点。 1.2 双向 DC/DC 变换器的应用 1.2.1 双向 DC/DC 变换器的 基本原 理 在某些应用场合，希望 DC/DC 变换器具有 双向电能流动的能力。即在输入/ 输出电 压 极 性不 变 的条 件下 ，可 以 使电 流 的方 向改 变 3 。其 目 的是 要使 电流从 输 入 端 输送 到 输 出端， 也能使电能从输出端输送到输入端。 从电路结构上来看， 只要有能量反向流通回 路，就可以实现双方向的电能传输。 双向变换器的工
23、作 原理 ：在要求保持直流电压 极性不变的基础上，根 据系统的实际 哈尔滨 工程 大学 硕士 学位 论文 2 需求，改变变换器能量传递的方向，从而实现变换器的双向运行。 利用两台单向 DC/DC 变换器，图 1.1 所示，并 将之反向连接，如图 1.2 所示，调节 能量的双向流动可以通过改变变换器的工作状态实现。 但这样会造成同一时刻只有一台 设备在工作， 造成系统资源的不必要浪费。 因此 ， 可以为单向变换器 能量的反向流动添 加回路，得到双向变换器，实现能量的反向传递 4 ，如图 1.3 所示。 单向DC/DC 变 换器 1 V 1 I 2 V 2 I 能量 正向 流动 12 (I 0,I
24、 0) 图 1.1 单向 DC/DC 变换器框图 单 向DC/DC 变 换器 1 V 2 V 能量正 向流 动 单 向DC/DC 变 换器 能量反 向流 动 1 I 2 I图 1.2 双- 单向 DC/DC 变换器结构 双 向DC/DC 变换器 1 V 1 I 2 V 2 I 能量正向流 动 12 (I 0,I 0) 12 (I 0,I 0) 能量反向流 动图1.3 双向DC/DC 变换器结构 第 1 章 绪论 3 1.2.2 双向 DC/DC 变换器的 应用领 域 在电力驱动领域、 分布式能源、 可再生能源、 交通、 航空航天、 工业控制等领域得 到了广泛的应用。 1、电动汽车领域的应用 双
25、向 DC/DC 变换器能够实现能量的双向传递。在近些年来出现的热点领域，如电 动力汽车的发展，为双向 DC/DC 变换器的理论及应用研究提供了巨大的 应用前景。对 于不同的双向 DC/DC 变换器，在其拓扑结构、控制策略等方面的研究，都将为电动汽 车的发展提供强有力的支持保障。在正常运行时，电池组通过双向 DC/DC 变换器向电 机供电，如图 1.4 所示 ，在汽车制动或者减速运行时，通过双向 DC/DC 变换器将能力 反馈回电池，以此达到节约能源、减小损耗的目的。 燃 料电池 蓄电池 DC/DC 双向DC/DC 变换器 电机 逆变器 超级电 容 控制单元 母线图 1.4 混合动力电动汽车电机
26、控制系统 特斯拉 汽车公司 （Tesla Motors ） ， 一家生产和销售电动汽车以及零件的公司的典型 代表，只制造纯电动车，成立于 2003 年，总部设在美国加州的硅谷地带。特斯拉汽车 公司是世界上第一个采用锂离子电池的电动车公司。 特斯拉 Tesla 汽车集独 特的造型、 高效的加速、 良好的操控性能与先进的技术为一 身，从而使其成为公路上最快且最为节省燃料的车子，成为人们追求的一种趋势。 2 、航天电源系统领域的应用 航天器中用于产生、 贮存和分配电能的各种装置， 组成航天电源系统。 多数航天器 工作时间较长， 要求电源的容量较大， 电源重量约占整个航天器 重量的 15% 25%。航
27、 天器电源系统的选择决定于用电系统的工作寿命、 负载特性和负载要求 （平均负载和峰 值负载） 、太阳辐照情况、工作环境、重量、体积和结构等。 双向 DC/DC 变换器由于能够实现能量的双向调节，减小系统的体积重量等优点， 如图 1.5 所示，在航天电源系统有着广泛的应用。 哈尔滨 工程 大学 硕士 学位 论文 4 太 阳能 阵列 蓄电池 组 双向DC/DC 变 换器 控制 单元 直 流母线 负载图 1.5 航空航天电源系统 3 、不间断电源系统（UPS ）的应用 逆 变 器 负 载 模式控制 欠压比 较器 整 流 器 双向DC/DC 变 换器 DC/DC 变换 器 负 载 蓄 电池组 市电图
28、1.6 不间断电源系统 UPS 可 以在 市 电 出现异 常 时 ， 有效 地 净 化市电 ； 还 可 以在 市 电 突然中 断 时 持 续 一 定时间给 负载设备供电，能有充裕的时间 进行 处理。 随 着 信 息 化社 会 的 来临，UPS 广泛 地 应 用 在从 信 息 采 集、 传 送 、处理 、 储 存 到 应 用的各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。双向 DC/DC 变 换器广泛用于各种 UPS 电源系统中，如图 1.6 所示。 4 、通信电源系统的应用 电源是现代电气设备工作的心脏， 尤其是在通信电源系统， 关乎到整个经济社会的 发展。安全、可靠 、 稳定的电
29、源对于通信电源系统而言是至关重要的 5 。 高功率双向 DC/DC 变 换器在电池充放电、不间断电源系统、可替代能源系统、混 合动力汽车、航空航天电源系统等领域有着广泛的应用，对双向 DC/DC 变换器的拓扑 结构及其控制方法的研究有着巨大的理论和现实意义。 1.3 双向 DC/DC 变换器的国内外发展现状 1.3.1 双向 DC/DC 变换器的 提出与 发 展 双向 DC/DC 变换器已经成为许多功率变换领域的选择，如混合动力汽车、燃料电 池能源汽车、新能源系统等等。双向 DC/DC 变换器降低了系统的成本、提高了开关电 源系统的效率。 20 世纪 80 年代，为了 满足人造卫星能源系统需求
30、，美国学者提出了双向直流变换 第 1 章 绪论 5 器的概念， 此后人们对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究， 并使之进入了实用阶 段，并用 Buck-Boost 双向 DC/DC 变换器代替蓄电池充电器和放电器。 上世纪 90 年代， F.Caricchi 等研制成功电动车驱动用 20kW 水冷式双向直流变换器。 同 时 香港 大学 陈 清泉 教授(C.C.Chan) 也开 展 了电 动 车用 双向 直 流变 换器 的 研究 和试 验 工 作 6 。 为了适应混合动 力电动力汽车和航空航天电源系统的发展需求， 双向 DC/DC 变换 器得到了很大的发展，半导体器件的发展和开关电源控制技术的
31、进步为双向 DC/DC 变 换器的进步提供了 巨大 的支持。 20 世纪 90 年代中期， 30A/48V PWM DC/DC 变换器采用移相全桥 ZVS-PWM 技术 后， 重 7Kg ， 比用 PWM 技术的同类产品重量下降 40% 。20 世纪末， 软开关技术已经在 世界范围内得到广泛应用。由美国 VICOR 公 司研制的软开关变换器，48V/600W 输出， 效率 90% 7 ， 功率密度达 120W/ in 3 ； 美国 ETM 公司开发的 LCC 谐振式开关电源， 为行 波管配套，输出 11kV/1.5kW, 开关频率 100kHz ，效率 92% 。 2000 年浙大的 Davi
32、d.M.Xu 采用在输出整流电路联谐振网络的方法，做出了 5kW 、 100kHz 的 ZCT-PWM 全桥 DC/DC 变换器， 效率达 96% 。2005 年 许海平提出了新型大 功率双向 DC/DC 变换器 拓扑，主要应用于通讯领域。2006 年谢小高、张军明等研制了 一台 48V 输入，1V/30A 输出， 开关频率为 230kHz 的 DC/DC 变换器 样机， 其满载效率 可达 80% 以上。 德国弗劳恩霍夫技术研究院 （IISB ） 在大功率 双向 DC/DC 变换器领域进行了研究， 已经完成 24kW 和 70kW 双向 DC/DC 变换器 的设计和实验。 近年来，国内外 DC
33、/DC 开关电源的研究取得了很大的进步。几百千甚至上兆赫兹 的开关电源已经在国外出现， 国内开关电源的工作频率也已经达到几十千赫兹。 国内浙 江大学，清华大学等在开关电源领域的研究取得了很多 可喜的成果。 伴随着半导体器件的发展与进步， 封装技术的改善， 开关电源的功率密度的得到了 很大的提高。现在继续研究高频软开关技术及其应用仍然具有很重要的现实意义。 1.3.2 软开关技术在 双向变换 器中的 应 用 随着开关电源频率的提高， 开关损耗也 随之增加， 成为限制开关电源效 率提升的主 要因素之一 8 。 为了提高开关电源的效率， 使得开关频率进一步提升， 软开关技术得到很大的发展。 软开关电
34、源是相对于硬开关电源而言的 ， 通常 的开关电源， 一般都是硬开关电源， 即开 关元器 件在开通、 关断过程中承受一定的电压或者电流。 当开关器件在承受电压或电流 的情况下开通或关断时， 在开关过程中会产生较大的开关损耗， 且该损耗会随着开关频 率的增加而增加， 还会带来附加的电磁损耗和电磁干扰， 造成发热现象加剧， 严重时可 能烧毁器件。 哈尔滨 工程 大学 硕士 学位 论文 6 开关管的软开关如图 1.7 所示，电源的工作状态一定的时候，硬开关条件限制了开 关频率的进一步提高，因而硬开关电源频率不能太高，还要采取防止电磁干扰的措施。 软开关直流变换器在开通或关断的过程中， 由于加在开关器件
35、上的电压或者电流为 零， 即零电压或零电流开关。 这种方式显著的减少了开关损耗在开关过 程中激起的振荡， 可以大幅度的提高开关频率，为开关电源的小型化、轻型化创造条件 。 t t t be V P 开通 关断 ce V c i () loss P on ce V c i t t t be V P 开通 关断 ce V c i () loss P off ce V c i(a) 零电流关断 (b) 零电压 开通 图 1.7 开关管在软开关状态下的波形 上个世纪 80 年代初， 软 开关的概念由美国 Virginia 电力电子中心的李泽元 （F.C.Lee ） 教授等提出， 随后出现了全谐振、 准
36、谐振及多谐振变换器等软开关电源拓扑和应用。80 年代后期又出现了零电压开关 （ZVS ） 、 零电流开关 （ZCS ）PWM 变换技术 9 。 该技术 将 ZVS （或 ZCS ） 准谐振技术与 PWM 变换器 结合起来， 在部分 时间按 ZVS （或 ZCS ） 准谐振变换器的方式工作， 在另外一部分时间按 PWM 变换器方式工 作， 实现了恒频工 作和软开关。 但是， 由于恒频工作方式是利用在准谐振变换器的谐振网络中增加辅助电 子器件的通断来实现， 谐振电感串联在主电路内， 软开关条件受电源电压与负载电流的 影响，在轻载情况下可能失去软开关的条件。 20 世纪 90 年代美国 Virginia 电力电子中心提 出了零转换（Zero Transition ）技术， 其本质仍属于软开关 PWM 变换器 10 。 主要分 为两类， 即分别为
