交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器研究

摘要

随着传统能源日益耗竭，世界各国都把资源的维护和能源的储备列为节约能源方面的重要课题;环境污染、石油资源枯竭等问题的日益加重引发了人们对新型环保能源的研发热潮。近几年来，电动汽车行业的迅捷发展将会有效遏制环境污染日益严重的形势。电动汽车作为目前研究的一个热门方向，在其储能系统中，双向DC/DC变换器担负着能量双向传输的使命。因此双向DC/DC变换器作为电动汽车的一种电源转换装置就显得尤为重要。
　　为了提高传统双向DC/DC变换器的电压增益，降低输入输出的电流纹波，减小变换器损耗，优化变换器输出的电能质量，将开关电感单元应用在传统双向DC/DC变换器中。本文提出了一种具有开关电感的交错并联磁集成双向DC/DC变换器。利用开关电感替代传统双向DC/DC变换器中的储能电感，并将所有电感集成一个耦合电感，这种方式不仅充分减小了磁性器件的体积，而且优化了变换器暂稳态性能。分析了变换器的工作模态，推导得到了变换器电压增益表达式，通过对变换器暂稳态电感的研究对其暂稳态性能进行了深入的探讨，并通过推导得出该类变换器耦合电感耦合度的设计准则，同时提出了一种该变换器耦合电感的设计方法。与传统双向DC/DC变换器相比，交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器Boost模式的电压增益为传统变换器的(1+D)倍，不仅减少了输入输出的电流纹波，同时提高了变换器的动态响应速度。针对双向DC/DC变换器的不同工作模式，分析了实际使用情况下的相应需求，并指定不同工作模式下相对应的控制策略，给出了Boost和Buck模式下的小信号动态模型，设计了相对应模式下的控制器，以提高系统的性能。详细介绍了控制电路算法和可以让变换器工作的的相关实物电路的设计与实现。最后经由仿真以及实验对本文原理分析和公式推导做了验证。结果表明交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器具有优良的综合性能。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 DC／DC变换器

1．2．1 传统双向DC／DC变换器的拓扑结构

1．2．2 DC／DC变换器在国内外的研究与发展情况

1．3 交错并联磁集成技术

1．3．1 交错并联技术概述

1．3．2 磁集成技术

1．3．3 磁集成开关电感单元模块

1．4 DC／DC变换器的模型和控制策略

1．5 主要研究内容

1．6 本章小节

2 交错并联磁集成开关电感双向DC／DC变换器

2．1．1 Boost模式工作模态分析

2．1．2 Buck模式工作模态分析

2．2 两相交错并联磁集成开关电感双向DC-DC变换器

2．2．1 交错并联磁集成开关电感双向DC-DC变换器Boost模态分析

2．2．2 交错并联磁集成开关电感双向DC-DC变换器Buck模态分析

2．3 变换器的工作性能分析

2．3．1 变换器的稳态电压增益

2．3．2 变换器的等效电感分析

2．3．3 通道等效稳态电感

2．3．4 通道等效暂态电感

2．4 耦合电感耦合度的设计准则

2．5 耦合电感集成设计

2．5．1 阵列式耦合电感设计背景与特点

2．5．2 阵列式耦合电感的基本磁路模型

2．6 本章小节

3 交错并联磁集成开关电感双向DC／DC变换器的建模

3．1 变换器Boost模式动态建模

3．2 变换器Boost模式控制器的设计

3．3 变换器Buck模式动态建模

3．4 变换器Buck模式控制器的设计

3．5 本章小节

4 DSP数字控制系统的设计

4．1 电压采样电路的设计

4．2 驱动电路的设计

4．3 软件设计

4．4 本章小结

5 交错并联磁集成开关电感双向DC／DC变换器仿真和实验

5．1 变换器工作在Boost模式下的仿真

5．2 变换器工作在Buck模式下的仿真

5．3 变换器工作在Boost模式下的实验

5．4 变换器工作在Buck模式下的实验

5．5 本章小节

结论

参考文献

作者简历

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