一种新型三电平双向DC/DC变换器的研究

论文摘要

随着电力电子技术的发展,双向DC/DC变换器在电动汽车、汽车电子、通信电源和航天航空以及储能系统等领域的应用前景广阔,要求双向DC/DC变换器处理的电压、电流等级越越来越高。鉴于目前开关管的发展水平,传统的两电平变换器如果应用在中高压大容量场合,就很难满足其处理要求,于是从拓扑结构入手来增强双向DC/DC变换器的特性,以扩展其应用范围,提高其处理电压、电流水平的能力。将多电平技术引入双向DC/DC变换器可以降低开关管承受的电压水平,从而解决了在中高压场合应用的问题。在学习了国内外多种多电平双向DC/DC变换器的基础上,本文研究了一种基于基本半桥模块的双向DC/DC变换器拓扑结构。以此基本模块为基础,拓展了一系列的拓扑结构,包括级联双向DC/DC变换器拓扑、多相双向DC/DC变换器拓扑、组合型多电平双向DC/DC变换器拓扑以及复合型多电平双向DC/DC变换器拓扑等。文中主要对复合型三电平双向DC/DC变换器拓扑进行了工作原理分析,该变换器不仅可以降低开关管的承受电压水平,同时能够实现电压的连续变化,而且无需变压器就能够实现大变压比变换。为验证变换器理论的正确性,搭建了三电平双向DC/DC变换器拓扑的MATLAB仿真模型,进行了相应的仿真实验。在开环控制方式下,分析了参数变化对变换器特性的影响,观察了不同占空比比例下的变换器输出特性。在闭环控制方式下,从不同输入电压、给定电压扰动、输入电压扰动等方面对变换器特性进行了分析。仿真实验表明,该变换器能够实现电压的连续、大升降压比变化,同时降低了开关管的承受电压水平,为其在大电压的应用提供了有力的保障。最后设计制作了一台试验样机,试验样机包括主电路、驱动电路、控制电路以及检测电路等。通过编写、调试控制程序,在DSP 2812开发板上输出PWM控制信号,驱动主电路工作,得到了驱动信号的部分实验波形。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 双向DC/DC 变换器的研究现状和发展
• 1.2.1 基本拓扑结构
• 1.2.2 控制技术
• 1.2.3 软开关技术
• 1.2.4 多电平技术
• 1.3 双向DC/DC 变换器的应用前景
• 1.3.1 在电动汽车的应用
• 1.3.2 在汽车电子的应用
• 1.3.3 在通信电源和航天航空的应用
• 1.3.4 在直流不停电电源系统的应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 三电平双向 DC/DC 变换器拓扑的研究及其原理分析
• 2.1 引言
• 2.2 基本半桥模块
• 2.3 基于基本半桥模块的变换器拓扑
• 2.3.1 级联双向DC/DC 变换器拓扑
• 2.3.2 多相双向DC/DC 变换器拓扑
• 2.3.3 组合型多电平双向DC/DC 变换器拓扑
• 2.3.4 复合型多电平双向DC/DC 变换器拓扑
• 2.4 组合型多电平双向DC/DC 变换器工作原理
• 2.5 复合型三电平双向DC/DC 变换器工作原理
• 2.6 本章小结
• 3 三电平双向 DC/DC 变换器仿真分析
• 3.1 MATLAB/SIMLINK 仿真工具
• 3.2 开环控制仿真
• 3.2.1 电感对变换器特性影响
• 3.2.2 开关频率对变换器特性影响
• 3.2.3 占空比比例对变换器特性影响
• 3.3 闭环控制仿真
• 3.3.1 闭环控制策略
• 3.3.2 不同给定电压对变换器特性影响
• 3.3.3 给定电压扰动对变换器特性影响
• 3.3.4 输入电压扰动对变换器特性影响
• 3.4 本章小结
• 4 三电平双向 DC/DC 变换器参数确定
• 4.1 功率器件的选择
• 4.2 储能电感的计算
• 4.3 箝位电容的计算
• 4.4 缓冲电路的计算
• 4.5 本章小结
• 5 三电平双向 DC/DC 变换器的实现
• 5.1 引言
• 5.2 系统硬件设计
• 5.2.1 主电路设计
• 5.2.2 控制电路设计
• 5.2.3 驱动电路设计
• 5.2.4 检测电路设计
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 开发环境介绍
• 5.3.2 控制程序
• 5.4 实验结果与结论
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 实验平台