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1、摘要通信用燃料电池备用电源是一种新型的清洁能源，它不仅可以解决环保问题，同时改善了因为自然灾害导致电网供电中断，进而使通讯中断的难题，因此燃料电池备用电源成为各国研究的热门对象。因为燃料电池输出特性偏软和动态性能较差的特点使得其直接作为动力源并不合适，因此必须配备电力变换器来调节、控制和管理电源输出，以得到符合负载需求的稳定直流电或交流电能。鉴于燃料电池诸多显著的优点，本论文研究了一种宽范围直流输入,稳定直流输出，低成本，高效率的DC/DC变换器。本文首先论述了燃料电池在通信行业的重大作用，阐述了选题的背景及研究意义，指出本文中作者所做的研究工作。其次，介绍了降压型DC/DC变换器的拓扑结构，
2、分析了降压型DC/DC变换器连续工作模式和不连续工作模式的临界条件，针对连续工作模式采用状态空间平均法对降压型DC/DC变换器进行了建模分析，采用自控知识推导出理想的开环传递函数幅频特性曲线。最后根据降压型DC/DC变换器开环幅频特性曲线与理想开环幅频特性曲线的差异设计了电压控制型buck变换器和电流控制型buck变换器。在电压控制型中分别设计了单极点补偿网络和双极点-双零点补偿网络，并运用saber软件对两种补偿网络进行了仿真分析。在电流控制型中重点设计了峰值电流控制模式，分析了当占空比大于50%容易产生次谐波振荡，采用射极跟随器设计了一种结构简单，线性度好的斜坡补偿电路，最终采用UC384
3、3完成峰值电流控制模式的设计，并运用saber软件进行了仿真分析，验证了设计的正确性和可行性。关键词：DC/DC变换器；电压控制模式；电流控制模式；补偿网络；仿真AbstractFuel cells as backup power in the communications is a new type of clean energy, It can not only solve the environmental problem, while improving the Power supply interruption used by natural disasters, avoiding
4、the interruption of communication, Therefore, the fuel cell backup power has became a hot national research. Because the fuel cell output characteristic soft and poor dynamic performance features make it directly as a power source is not appropriate, it must be equipped with power converters to regu
5、late, control and management of power output to make load obtain stability of DC or AC power .In view of the fuel cell many obvious advantages, this paper studies a wide range of DC input, stable DC output, low-cost, high efficiency DC / DC converter.The paper first discusses major role of fuel cell
6、s in the communications industry, describes the background and significance of topics and points out the research work the author has done.Secondly, introduces buck converter topology, analysis critical condition of buck converter continuous mode and discontinuous mode. For the continuous mode of bu
7、ck converter using the state space averaging method modeling analysis, use the knowledge of Automatic Control Theory derive open-loop transfer function of an ideal amplitude-frequency characteristic curve. Finally, according to the difference of buck converter open-loop amplitude-frequency character
8、istic curve and ideal open-loop frequency response curve design the voltage-controlled and current-controlled buck converter. In the voltage-controlled buck converter I design single-pole compensation network and double-pole double-zero compensation network. Respective, and use saber software simula
9、te two compensation networks. In the current controlled, I design peak current control mode, analyze When the duty cycle greater than 50% prone to harmonic oscillation, designing slope compensation circuit with a simple structure, good linearity by emitter follower, eventually, adopt UC3843 complete
10、 the design peak current control mode and use saber simulation analysis software to verify the correctness and feasibility of the design.Keywords: DC / DC converters; voltage control mode; current control mode; compensation network; simulation目录摘要IAbstractII目录III1绪论11.1研究背景11.2研究目的与意义11.3 DC/DC变换器控制
11、方法研究现状21.4论文的主要研究内容42 buck变换器主电路分析与设计62.1 buck变换器拓扑结构62.2 buck变换器主电路的稳态分析62.2.1 连续工作模式与非连续工作模式62.2.2 buck变换器主电路在CCM和DCM下的稳态分析及判据72.3主电路参数的设计82.3.1输出滤波电感的设计92.3.2输出滤波电容的设计92.4 buck变换器的建模102.4.1 CCM模式下buck变换器状态空间平均法102.5 buck变换器闭环系统的分析及开环稳定性分析142.5.1 Buck变换器的闭环稳定性判断准则142.5.2理想开环传递函数的幅频特性172.6本章小结183电压
12、控制型buck变换器系统的设计193.1概述193.2电压型控制buck变换器的双重极点型传函及开环仿真203.3补偿网络的选择223.3.1单极点补偿网络的设计及仿真波形223.3.2双极点-双零点补偿网络设计及仿真波形253.4本章小结294电流控制型buck变换器系统的设计304.1概述304.1.1 平均电流型控制模式结构设计304.1.2 峰值电流控制模式结构设计314.2峰值电流模式buck变换器系统设计324.2.1 斜坡补偿电路的设计324.2.2峰值电流控制模式的一阶近似模型364.2.5仿真波形及比较414.3本章小结445总结与展望45参考文献47附录48致谢531绪论1
13、.1研究背景 在全球经济快速进程与现代经济快速发展过程中，我们对能源的需求量也越来越大，在取得经济迅猛发展的同时，各种潜在危机也日益凸显出来，影响了人们的日常生活，当前人类面临着三大全球性危机1:能源危机、环境污染和生态危机。纵观这三大危机，很大程度上是对传统能源煤炭、石油、天然气的大量使用所致，所以当今世界各国越来越重视对新能源的开发与研究。在过去的几十年中，新型能源如太阳能、风能、核能、燃料电池等的开发取得了显著成就。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，它不需要经过燃烧，反应后的生成物为水，不会对环境造成污染，而氢气的来源可以用电解水得到，所以它是一种取之不尽，用之不竭的能源，
14、同时解决了世界危机的三大难题，因而备受各国青睐。燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术1。近年来接连几次较大的突发性的自然灾害，例如2008年初中国南方发生的冰冻雨雪灾害和五月份汶川大地震等，通讯都是因为供电系统被破坏而导致通讯中断，造成了巨大损失，因而提高了电信运营商对备用电源可靠性的关注度。无论是无线或有线电信系统，在服务质量上一个关键的指标是能否给顾客提供联系可靠的服务，尤其是在长时间停电期间。因此选择备用电源技术对保证终端客户服务具有直接的影响，并且对一个电信企业能否取得市场成功起到举足轻重的作用。与传统电池技术相比燃料电池备用电源的超长供能时间，有效降低总体运行成本，
15、环境友好和0碳排放的优点使之成为各国争相研究的对象2。1.2研究目的与意义 按照采用材质的不同，燃料电池的种类很多，运用较多的是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池有个重要特点就是单片输出电压比较低，单个电池的开路电压在1.15V左右，如果带上负载，输出电压立刻被拉下来，就会下降到0.6V左右，所以实际应用中，需要将多个燃料电池串联起来组成一个燃料电池堆，从而可以提高输出电压到几十伏甚至更高电压。图1-1为燃料电池的输出电流-电压特性曲线，由图可以看出，因为燃料电池输出特性明显偏软，并且当有多个燃料电池串联起来以后，由于不同电池的输出电压大小的不同，当输出电压累加后，其输出范围会比较宽。可见加负载的起始阶段，燃料电池的输出电压Ufc下降较快，随着负载的增加，输出功率增大，电压继续下降，其下降的速度比一般电池要快，所以燃料电池的输出特性比普通电池相对较软，并且过大的下降速度会对燃料电池的效率造成影响2。图1-1燃料电池电流-电压特性曲线为了满足通信负载在不同状况下的持续运行，此时负载所需的功率是变动的，同时输出电压要相对稳定，而由于燃料电池的输出特性偏软的问题，不能满足对负载的直接供电，因此必须在燃料电池与负载之间加入DC/DC变换器，DC/DC变换器的作用将燃料电池输出的宽范围电压调制成稳定的输出电压，来使负载正常工作。燃料电池调节器一定要采用D
