高增益隔离型双向DC-DC变换器及控制策略研究

摘要

双向DC-DC变换器广泛地应用于新能源发电系统，航空电源，电动汽车电池管理系统等领域。它在功能上相当于两个单向的变换器，有效地减少变换器所占用的体积和重量，具有重要的研究意义和实用价值。
　　双向DC-DC变换器分为非隔离型和隔离型。非隔离型双向DC-DC变换器结构简单，易于实现，但无法实现电气隔离。相比与非隔离型变换器，隔离型双向变换器可以有效地减少输入输出之间的干扰，使供电系统工作更加稳定。论文提出了一种新型的隔离型双向DC-DC变换器，通过调节占空比和变压器匝比，能够获得较高的电压变比。
　　本文的主要工作包括：
　　①提出了一种新型的隔离型双向 DC-DC变换器，变换器通过两个电容和高频变压器进行能量的传输，实现了部分开关管的零电压导通，减小了开关管的损耗。通过电容回收了变压器漏感能量，提高了变换器转换效率。通过调节占空比和变压器匝比，可以实现较高的电压变比。分析了变换器在降压模式和升压模式下的工作原理、开关工作时序和关键电流的波形，得到了各个阶段的稳态方程，推导了变换器的电压变比，器件的电压应力和边界条件。
　　②在两种工作模式下，根据四个开关管的状态，将电路分为两个状态，分别推导出两个状态的稳态方程。通过将两个稳态方程在一个开关周期内的平均，得到其状态空间平均方程。利用小信号建模法，得到变换器的输入-输出传递函数和占空比-输出传递函数。
　　③推导了变换器两种模式下的闭环系统的开环传递函数。根据频域法，分析了变换器的开环传递函数的稳定性。针对变换器的频率特性，设计了无源超前校正网络，增大了变换器的相角裕量，提高了变换器的稳定性。
　　综上所述，论文提出了一种新型高增益隔离型双向DC-DC变换器，分析了电路工作原理。利用状态空间平均法得到系统的传递函数，基于系统开环传递函数设计了无源超前补偿网络，改善了系统的稳定性。设计了20W的样机，详细介绍了关键器件的设计过程。实验结果验证了变换器设计的正确性。在降压和升压模式下，样机效率分别达到92%和90%。通过仿真，验证了变换器加入补偿器后具有较好的抗干扰能力。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 双向DC-DC变换器的研究现状

1.3 双向直流变换器建模方法的研究现状

1.4 直流变换器控制算法的研究现状

1.5 DC/DC变换器中应用的先进技术

1.6 本文主要研究工作内容

1.7 本章小结

2 新型隔离型双向DC-DC变换器

2.1 新型隔离型双向DC-DC变换器拓扑

2.2 工作原理及波形分析

2.3 变换器稳态分析

2.4 变换器的仿真验证分析

2.5 本章小结

3 变换器小信号模型分析

3.1 两种开关状态的状态空间描述

3.2 状态空间平均方程

3.3 系统小信号模型和传递函数的求取

3.4 本章小结

4 变换器反馈控制设计

4.1变换器稳定性分析

4.2补偿网络设计

4.3本章小结

5 硬件设计与实验

5.1 样机设计指标与开关频率选择

5.2 主电路关键器件设计

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：