基于超级电容的双向DC-DC变换技术研究

论文摘要

目前，在城市轨道交通、太阳能风能等独立发电系统、电梯控制及电动车等应用领域，双向DC-DC变换器是其中能量管理系统中的重要组成部分。超级电容作为新兴的储能元件，具有很高的功率密度和充放电次数，本论文针对基于超级电容的双向变换技术进行了如下研究。在大功率应用场合，由于受到磁性材料的限制，隔离式双向变换技术难以采用。针对这一情况，本文选取了非隔离双向Buck/Boost变换器作为研究对象。首先，分析了非隔离双向变换器的典型拓扑Buck/Boost变换器运行过程中的突出问题，如断续工作模式中的振荡问题、开关损耗问题，对消除振荡和软开关实现方法进行了研究。在以上分析的基础上，对无源参数的设计方法进行了研究以保证在较宽的输入输出电压范围内消除寄生振荡和实现软开关。本文还从理论上建立了非隔离Buck/Boost双向变换器的小信号模型，并分析了其稳定性和动态特性。在此基础上，为了获得稳定和快速响应，结合超级电容的分段充、放电策略，本文给出有效的补偿措施，设计了基于DSP的数字控制器。对于该控制系统，本文通过仿真进行验证，仿真结果表明采用该补偿措施之后，实现电感电流，即超级电容的充、放电电流的分段恒流控制。在理论研究和仿真的基础上，本论文设计一套实验样机，该样机采用典型的非隔离Buck/Boost双向DC-DC变换器拓扑和超级电容。实验结果表明，本文提出的软开关策略是合理的，实现了开关管的软开通，同时超级电容能够进行恒流充电与放电，系统的动态特性较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 双向 DC-DC 变换器的研究现状
• 1.2.1 双向 DC-DC 变换器的简介
• 1.2.2 非隔离型双向 DC-DC 变换器
• 1.2.3 隔离型双向 DC-DC 变换器
• 1.3 超级电容简介
• 1.3.1 超级电容的基本原理
• 1.3.2 超级电容的模型
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 双向 DC-DC 变换器的拓扑及软开关技术研究
• 2.1 典型双向 DC-DC 变换器拓扑的优点与不足
• 2.1.1 非隔离双向 DC-DC 变换器拓扑优缺点
• 2.1.2 隔离型双向 DC-DC 变换器拓扑优缺点
• 2.2 断续工作模式下的非隔离 Buck/Boost 双向变换器
• 2.3 非隔离 Buck/Boost 双向 DC-DC 变换器工作模态分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 双向 DC-DC 变换器系统设计
• 3.1 双向变换器的主电路设计
• 3.1.1 超级电容器的设计与选取
• 3.1.2 以软开关为条件的电感参数设计
• 3.1.3 功率开关模块的选取
• 3.2 控制电路的设计
• 3.2.1 驱动及其控制电路设计
• 3.2.2 采样环节的设计
• 3.2.3 保护电路的设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 双向变换器系统建模与控制策略研究
• 4.1 双向 DC-DC 变换器的小信号模型
• 4.1.1 双向 DC-DC 变换器 Buck 模式下小信号模型的建立
• 4.1.2 双向 DC-DC 变换器 Boost 模式下小信号模型的建立
• 4.2 双向 DC-DC 变换器的模拟控制器设计
• 4.2.1 双向变换器工作在 Buck 模式下的模拟控制器设计
• 4.2.2 双向变换器工作在 Boost 模式下的模拟控制器设计
• 4.2.3 变换器工作方式切换策略的研究
• 4.3 双向 DC-DC 变换器的软件仿真
• 4.4 数字控制器设计
• 4.4.1 离散 PI 调节器的设计
• 4.4.2 系统软件流程设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 双向 DC-DC 变换器样机搭建与实验结果分析
• 5.1 双向 DC-DC 变换器的原理实验样机搭建
• 5.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢