电动汽车用多重化软开关双向DC/DC变换器的研究

论文摘要

随着能源的耗竭,石油危机的来临,电动汽车的研发工作在全世界如火如荼地展开。由于汽车在实际行驶过程中频繁的加速、减速,起动、制动,以及储能电池的电压变化要求提供电机稳定的直流源,在电动汽车负载或电池电压变化时,基本不受影响。出于提高能效的考虑,在电机突然制动时,会产生较高的反电动势,要求储能电池能自动回馈能量,提高电池利用率。双向DC/DC变换器在储能电池与电机之间发挥着重要作用,其发展尤为迫切。本文通过查阅国内外大量双向DC/DC变换器拓扑的基础上,以结构简单、性能良好的基本半桥双向DC/DC变换器为模块,针对车用大功率特点,确定三重交错式双向DC/DC变换器为基本拓扑。作者归纳、整理了控制简单、易受工业界认同的控制型软开关技术的概念和五个基本特点,对三重交错式双向DC/DC变换器进行控制型软开关设计。即基本不添加额外的半导体器件,通过控制开关导通关断信号来实现软开关的方式。结合半桥式双向DC/DC变换器顺半桥结构特点,设计变换器电感电流工作在正负交替的模式,使电感电流与上下开关并接电容在开关死区时间内进行能量交换,达到软开关效果。这样变换器所用的电感将大大减小,采用多重化结构弥补该模式下电压、电流纹波大的缺陷。在控制方式上采用电压电流双闭环形式,将共用电压环的输出作为每个基本单元的给定电流,解决了并联结构的均流问题。为验证该变换器设计的正确性和可行性,在Matlab/Simulink平台上搭建一个三重交错式双向DC/DC变换器及控制系统。并对变换器升压Boost、降压Buck模式不同情形进行仿真研究。最后,进行了变换器硬件电路设计,搭建了以SG3525为核心控制芯片,额定功率为40W的三重交错式双向DC/DC变换器。通过分析、观察开关波形和输出波形,验证了该方案的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景与研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 双向DC/DC 变换器的拓扑及软开关控制
• 1.2.1 双向DC/DC 变换器的拓扑
• 1.2.2 软开关控制技术
• 1.3 双向DC/DC 变换器的控制方法
• 1.3.1 电压控制模式
• 1.3.2 电流控制模式
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 多重化双向DC/DC 变换器的研究以及原理分析
• 2.1 双向DC/DC 变换器设计要求
• 2.2 半桥结构双向DC/DC 变换器拓扑方法
• 2.3 多重化双向DC/DC 变换器的拓扑结构
• 2.3.1 基本半桥式双向DC/DC 变换器
• 2.3.2 基于半桥结构的多重化双向DC/DC 变换器
• 2.4 本章小结
• 3 基于控制型软开关技术的多重化双向DC/DC 变换器
• 3.1 控制型软开关技术分类及特征
• 3.2 基本半桥式双向DC/DC 变换器的控制型软开关技术拓扑分析
• 3.2.1 Boost 模式下半桥式双向DC/DC 变换器的控制型软开关技术
• 3.2.2 Buck 模式下半桥式双向DC/DC 变换器的控制型软开关技术
• 3.3 软开关实现条件
• 3.3.1 Boost 模式软开关条件
• 3.3.2 Buck 模式软开关条件
• 3.4 变换器的控制策略
• 3.5 本章小结
• 4 双向DC/DC 变换器仿真分析
• 4.1 双向DC/DC 变换器的参数设计方法
• 4.1.1 储能电感的设计
• 4.1.2 滤波电容的设计
• 4.1.3 开关及二极管选择
• 4.1.4 开关并联小电容的设计
• 4.2 变换器仿真模型的建立
• 4.2.1 主电路仿真模型
• 4.2.2 控制电路仿真模型
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 Boost 模式仿真结果
• 4.3.2 Buck 模式仿真结果
• 4.4 本章小结
• 5 实验电路设计及实验结果分析
• 5.1 驱动电路设计
• 5.1.1 PWM 信号发生电路
• 5.1.2 同步信号延迟电路
• 5.1.3 同步信号控制问题
• 5.1.4 光耦隔离电路
• 5.2 主电路设计
• 5.2.1 功率开关管及二极管的选择
• 5.2.2 电感的设计
• 5.2.3 滤波电容的设计
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续展望
• 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. 实验平台实物图