基于DSP数字控制双向全桥DC/DC变换器的研制

论文摘要

双向DC/DC变换器（Bi-directional DC/DC Converter, BDC）是典型的“一机两用”设备,可实现能量的双向传输,所以在需要能量双向流动的场合,双向DC/DC变换器的应用可大幅度减轻系统的体积、重量和成本,有着重要的研究价值。本文主要研究适用于中到大功率场合的数字控制隔离型双向全桥DC/DC变换器。本文首先介绍双向DC/DC变换器的概念、应用场合以及研究现状,并在此基础上分析了研究较多的电压-电流型双向全桥DC/DC变换器的优缺点,进而引出了电压-电压型双向全桥DC/DC变换器。该变换器的高压侧和低压侧都为电压型全桥结构,降压模式时,高压侧开关管有驱动信号,低压侧开关管驱动信号封锁,仅用功率开关管的体二极管整流；升压模式时,其工作原理与降压模式相反。因此,升/降压工作模式原理与单向全桥DC/DC变换器类似。同时还分析了主电路中高频变压器偏磁问题并给出了解决方案。其次本文在对电压-电压型双向全桥DC/DC变换器工作原理分析的基础上,设计了主电路、驱动电路、采样电路以及保护电路等,并详细介绍了电路中主要元器件参数的选取方法,变压器等磁性元件的设计流程,并利用OrCAD10.5/PSpice软件对整个主电路方案进行了仿真验证。本文还详细介绍了基于DSP TMS320F2812数字控制电路的设计过程,并且提出了一种基于DSP全比较模式的数字移相直接生成方法,该方法通过编程方式就可以实现移相波形的产生及死区的灵活设置,并设计了合理的数字控制器。最后制成了一台额定功率1KW的样机,进行了实验验证。实验结果表明了上述方案、分析、设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 向DC/DC变换器的应用
• 1.2.1 不停电电源系统（UPS）
• 1.2.2 电动汽车电源管理系统
• 1.2.3 太阳能电池电源系统
• 1.3 向DC/DC变换器的研究现状
• 1.3.1 双向DC/DC变换器拓扑的研究
• 1.3.2 向DC/DC变换器控制技术的研究
• 1.4 基于DSP的数字控制技术在电力电子中的应用
• 1.5 本课题的选题意义和主要工作
• 2 双向全桥DC/DC变换器
• 2.1 双向全桥DC/DC变换器的工作原理
• 2.1.1 主电路拓扑结构
• 2.1.2 变换器的工作原理
• 2.2 PWMDC/DC全桥变换器的控制策略
• 2.2.1 双极性控制方式
• 2.2.2 有限双极性控制方式
• 2.2.3 移相控制方式
• 2.3 移相控制ZVS全桥DC/DC变换器的工作原理
• 2.4 主电路中高频变压器偏磁问题的研究
• 2.4.1 串联隔直电容解决全桥DC/DC变换器变压器偏磁问题
• 2.4.2 隔直电容的参数计算
• 2.5 本章小结
• 3 双向DC/DC变换器主电路设计
• 3.1 高频变压器的设计
• 3.1.1 磁芯材料的选取
• 3.1.2 磁芯的选择
• 3.1.3 高频变压器原副边变比及匝数
• 3.2 谐振电感值
• 3.3 主功率管的选择
• 3.4 主电路仿真分析
• 3.4.1 降压模式时
• 3.4.2 升压放电时
• 3.5 功率驱动电路设计
• 3.5.1 功率MOSFET驱动电路特点
• 3.5.2 功率MOSFET驱动电路的要求
• 3.5.3 硬件电路的设计
• 3.6 检测电路设计
• 3.7 保护电路设计
• 3.8 本章小结
• 4 数字控制及基于DSP的控制电路的设计
• 4.1 开关电源系统中的数字控制技术综述
• 4.1.1 数字分辨率问题
• 4.1.2 数字控制环路延迟问题
• 4.2 数字控制器及外围硬件电路设计
• 4.2.1 DSP芯片的发展
• 4.3 基于DSP TMS320F2812的数字控制系统结构
• 4.4 反馈信号调理电路设计
• 4.5 双向DC/DC数字化控制的软件实现
• 4.5.1 移相脉冲的形成
• 4.5.2 增量式数字PI控制算法的实现
• 4.6 数字控制程序结构
• 4.7 本章小结
• 5 实验结果分析
• 5.1 降压工作模式
• 5.2 升压工作模式
• 5.3 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献