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1、双向 DCDC 变换器的研究致 谢首先感谢我尊敬的导师杨玉岗教授。杨老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风和循循善诱的教导，将我逐步引入了学术的殿堂。在研究生期间，如果没有杨老师的指导、鼓励和资金上的大力支持，此论文是很难顺利完成的。同时，杨老师渊博的学术知识以及实事求是的科研精神将是我终身追求的目标，这也是让我终生受益的巨大财富。在此，谨向杨老师致以深深的谢意！感谢李洪珠老师、韩占领老师和已经毕业的师兄和师姐在学习和生活中给我的帮助和支持。同时也感谢这年来与我互勉互励的诸位感谢我的父母开关变换器可以根据需求实现电流的双向流动，同时得到需要的直流的电的设备。直流不间断电源系统，航空航天电源系统
2、，电动汽车以及太阳能电池变换器等场合对双向变换器有着相当广泛的应用。本文提出了一种采用两相交错并联磁集成耦合电感的双向 变换器，该变换器将两相 Buck+Boost 非隔离型双向变换器的所有通道的电感集成为一个耦合电感。文中详细分析了交错并联磁集成双向变换器工作在Buck 和 Boost 工作模态下的稳态电流纹波和暂态响应速度，并提出了两相交错并联磁集成双向变换器运行在 Buck 模式下和运行在 Boost 模式下的设计准则，即在设计变换器时，应根据稳态相电流纹波和暂态总输出电流响应速度的技术要求，利用本文所给出的公式和选择反向耦合系数。变换器具有响应速度快，电流纹波小等特点被广泛应用于中小功
3、率的场合，但随着生产实践的要求，大功率的设备逐步被用在日常生产和生活中，非隔离型双向 DC/DC 变换器不能满足人们生产生活的需要，隔离型双向变换器应运而生，本文后面部分对隔离型双向全桥变换器进行了分析。隔离型双向全桥变换器有了高频变压器的加入，即实现了电气隔离又可以实现电压变换。通过仿真和实验证明理论分析的正确性。关键词：双向变换器;磁集成;设计准则;稳态电流纹波;暂态响应速度AbstractBidirectional converter is based on the demands of the regulation of energy bidirectional converter.
4、In the DC uninterruptible power supply systems, aerospace power systems, electric cars and solar converter and other occasions have a wide range of applications. This paper presents a by two channel interleaving parallel integrated magnetic coupled inductor bidirectional converter, the converter two
5、 channel Buck+Boost bi-directional converter all the passages of the inductor for a coupled inductor. This paper analyzes in detail the interleaved magnetic integrated bidirectional converter in Buck and Boost modes under steady state ripple current and transient response speed, and puts forward two
6、 channel interleaving parallel magnetic integrated bidirectional converter operating in Buck mode and running in Boost mode design criteria, namely in the design of the converter, should be based on the duty ratio of the size and the steady state phase ripple current and transient total output curre
7、nt in response to the speed of the technical requirements, using the given design formulas and design area integrated magnetic coupled inductor reverse coupling coefficient. The isolation two-way converter has fast response, current ripple small and so on characteristics widely applied in medium and
8、 small power occasions, but with the production practice request, high power equipment gradually used in daily production and life, not isolation two-way converter can not meet the need of production and life of people, isolation two-way converter arises at the historic moment, in this paper, the is
9、olation two-way full bridge converter as a research object to carry on the analysis. Isolation two-way full bridge converter have high frequency transformer to join, namely realize the electrical isolation and can realize voltage transformation. Through simulation and experiments prove the correctne
10、ss of the theory analysis.Key Words：Bidirectional ; integrated magnetic; design criterion; steady state ripple current; transient response目 录摘 要 IAbstract II1 绪论 11.1 双向 DC/DC 变换器的研究背景和意义 11.2 双向 DC/DC 变换器的国内外研究现状 31.3 本文研究的意义和内容 52 非隔离型交错并联磁集成双向 DC/DC 变换器的 Buck 工作模态分析 72.1 等效稳态电感和等效暂态电感 92.1.1 等效稳态
11、电感 92.1.2 等效暂态电感 102.2 稳态电流纹波和暂态电流响应速度的分析 122.2.1 稳态电流纹波的分析 122.2.2 暂态电流响应速度的分析 132.3 Buck 工作模态的 DCM 工作模式分析 152.3.1 DCM 模式 1 的分析 162.3.2 DCM 模式 2 的分析 172.4 引起轻载效率低的原因 182.5 轻载效率的提高 222.6 Buck 模式的仿真验证 232.6.1 CCM 模式下 Buck 工作模态的仿真验证 232.6.2 DCM 模式下 Buck 工作模态的仿真验证 242.7 Buck 工作模态的实验验证 252.7.1 稳态相电流纹波的实
12、验比较 262.7.2 暂态相电流和总电流响应速度的仿真比较 273 非隔离型交错并联磁集成双向 DC/DC 变换器的 Boost 工作模态分析 293.1 等效稳态电感和等效暂态电感 303.1.1 等效稳态电感 303.1.2 等效暂态电感 303.2 稳态电流纹波的分析 323.3 输出纹波电压分析 333.3.1 DCM 时的输出纹波电压 333.3.2 CCM 时的输出纹波电压 343.4 交错并联磁集成双向 DC/DC 变换器 Boost 模式的参数分析 363.5 非隔离型交错并联磁集成双向 DC/DC 变换器的设计准则 373.6 Boost 工作模态的仿真验证 383.7 B
13、oost 工作模态的实验验证 394 交错并联磁集成双向 DC/DC 的磁集成耦合电感研究 414.1 两相正向耦合磁集成磁路电路模型 414.2 两相反向耦合集成磁件的 G-C 模型 444.3 两相集成“I 王 I”形耦合电感的结构 454.3.1 “I 王 I”形耦合电感器的磁路模型 464.3.2 “I 王 I”形耦合电感器磁路模型的改进 504.3.3 “I 王 I”形铁芯的磁柱气隙磁阻 Rgc 504.3.4 绕组外面的空气磁阻 Rair 504.3.5 电感计算 524.3.6“I 王 I”形耦合电感器的设计 524.4 铁芯尺寸计算 534.5 仿真与实验 534.6 本章小结
14、 555 隔离型双向全桥 DC/DC 变换器 565.1 模态分析 565.2 增量式数字 PI 算法的实现 585.3 数字控制程序结构 605.4.实验结果 615.5 本章小结 62结 论 63参 考 文 献 64作 者 简 历 67学位论文原创性声明 68学位论文数据集 691 绪论1.1 双向 DC/DC 变换器的研究背景和意义变换器是一种将直流电转换为所需要的另一种直流电的设备，即把大电压小电流的输入通过变换器变换成小电压大电流或将小电压大电流的输入通过变换器变换成大电压小电流。因为一般的单向变换器中的主功率传输通路上都使用的是单向导通器件，故变换器的能量传递方向只能是一个方向的，
15、不可以反向传递。而在其他的领域，如航天电源系统、电动汽车及直流不停电电源系统等，在这些领域都需要能量能够双向流动的变换器13。如果依旧采用单向拓扑结构，那么就要求将两个单向变换器进行反并联，可是如此接法的电路结构对于需要能量双向流动的场合来说，结构复杂、成本高、可靠性差、性价比低等缺点将随之显现出来。而在实际应用中，通常是把两个变换器的反并联模式用一个能量能够双向流动的变换器来代替，即双向变换器。这样结构的双向变换器不仅可以减小变换器体积和重量，而且还能提高变换器的功率密度，节约成本，在原有基本单向变换器的基础上衍生出各种双向变换器。双向变换器可以被定义为当变换器的输出状态划分到的坐标中时，其
16、输出只在第一、二象限中变换，即变换器的输入和输出的电压参考方向是不改变的，而输入和输出的电流方向可控（电流可以双向流动） ，这种变换器我们称之为双向变换器。在图 1.1 中给出的是双向变换器的示意图。图 1.1 双向 DC/DC 变换器的示意图Fig.1.1 Bi-directional DC/DC converter schematic双向变换器承担了 2 个单相拓扑结构的反并联完成的任务，即实现了能量的双向流动。在要求能量能够双向流动的应用环境能够很大程度的减小系统所占用的空间、质量和生产成本，具有深远的研究意义。图 1.2 为一基本单通道双向 Boost+Buck DC/DC 变换器，这种变换器有两种工作模态：1）Boost 模态，当 S2 持续处于关断状态，S1 作为主开关管，变换器就变成了一个 Boost 电路，能量可以从 V1 端传递到 V2 端，完成升压工作；2）Buck 模态，当 S1 持续处于关断状态，S2 作为
