数字控制双向全桥DC-DC变换器的研究本科论文

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1、分 类 号 学号 2003611310062学校代码 10487 密级 硕士学位论文数字控制双向全桥数字控制双向全桥 DC/DC 变换器的研究变换器的研究学位申请人:牛金红学科专业 :电力电子与电力传动指导教师 :康 勇 教授答辩日期 :2006 年 4 月 29 日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of EngineeringA Study of Bi-directional Full-Bridge DC/DC Converter Based on Di

2、gital ControlCandidate : Niu Jin HongMajor:Power Electronics and Electric DriveSupervisor:Prof. Kang YongHuazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei P.R. China 430074April, 2006独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和

3、集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 ,在_年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密。 (请在以上方框内打“” )学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日I摘 要双向 DC/DC 变换器(Bi-

4、directional DC/DC Converter, BDC)是可双象限运行的直流-直流变换器。该变换器能够根据实际需要调节能量的流动方向,在功能上相当于两个单向直流-直流变换器。随着科技和生产的发展,对双向 DC/DC 变换器的需求逐渐增多,主要有直流不停电电源系统、航天电源系统、电动汽车等应用场合。在需要能量双向流动的场合,双向 DC/DC 变换器的应用可大幅度减轻系统的体积重量和成本,有重要的研究价值。本文主要研究适用于中大功率场合的数字控制隔离型双向全桥 DC/DC 变换器。本文首先在介绍双向 DC/DC 变换器的概念、构成方法的基础上引出双向全桥DC/DC 变换器,该变换器变压器

5、高压侧为电压型全桥结构,接直流母线;低压侧为电流型全桥结构,接蓄电池。接着介绍双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理,该变换器有两种工作模式:充电模式时,高压侧开关管有驱动信号,低压侧开关管驱动信号封锁,工作原理与单向全桥 DC/DC 变换器类似;放电模式时低压侧开关管有驱动信号,高压侧开关管驱动信号封锁,工作原理与 Boost 型全桥 DC/DC 变换器类似。同时分析了变换器工作过程中存在的占空比损失、开关管电压尖锋、启动控制等问题及相应的解决方案。然后用状态空间平均法建立变换器的小信号模型,研究双向全桥 DC/DC 变换器的控制模型,分析变换器的闭环系统稳定性,并给出单闭环 PID 控制器

6、的设计方法。最后给出一台 200W 双向全桥 DC/DC 变换器系统设计、软件流程、数字 PID 控制器的实现方法、及实验结果与分析。关键词:关键词:双向全桥 DC/DC 变换器 充电模式 放电模式 控制模型 数字 PID 控制IIAbstractBi-directional DC/DC Converter (BDC) is the two-quadrant operating DC/DC converter. The power can flow in either direction between two DC sources. BDC performs as two DC/DC con

7、verters. With the development of the science and production, BDC is increasingly used in applications such as DC uninterruptible power supply, aerospace power supply, and auxiliary power supply of electric vehicles, etc. The employing of BDC can reduce the size, the weight, and the cost of power sys

8、tem. This thesis is concentrated on the research of the digital controlled Bi-directional, isolated, full-bridge DC/DC Converter. This converter is usally used in high power applications.In chapter one, the conception, creation of the bi-directional DC/DC converter are presented, and the bi-directio

9、nal, isolated, full-bridge DC/DC converter is proposed. The converter is operated with dual full-bridges placed on each side of the isolated transformer. The high voltage (HV) side is connected to the dc generator supply, and the low voltage (LV) side is connected to the battery. In chapter two, the

10、 operating principle of the bi-directional full-bridge DC/DC converter is introduced. When power flows from the HV-side to the LV-side, the converter works in buck/charge mode to charge the LV-side battery, and the switching signal on HV-side is turned on, on LV-side is locked; otherwise, it works i

11、n boost/discharge mode to power the HV-side load, and the switching signal on LV-side is turned on, on HV-side is locked. Charge mode works as isolated full-bridge DC/DC converter, and the discharge mode works as isolated full-bridge boost converter. Chapter two also proposed some problems and the s

12、olved methods, such as the loss of duty ratio, voltage spike, startup controlling, etc. In chapter three, an extended state-space averaged model is developed to build the small signal model of the converter in both directions of power flow. A PID controller is designed to make the system has a satis

13、factory transient response against the disturbance.Finally, a 200W prototype has been built. The design of hardware and software, realization of digital PID controller, etc are introduced in detail. The experimental results of the converter are proposed to confirm the theory analysis.Keywords: Bi-directional Full-bridge DC/DC Converter Charge ModeDischarge Mode Controller Model Digital PID ControllerIII目 录摘要摘要 .IAbstract.II1 绪论1.1 双向 DC/DC 变换器概述.(1)1.2 双向 DC/DC 变换器的应用.(5)1.3 双向 DC/DC 变换器的现状和发展.(7)1.4 本文的研究意义和主要工作.(9)2 双向全桥 DC/DC 变换器2.1 引言.(11)2.2 双向全桥 DC/DC 变换器的工作原理.(11)2.3 开关管电压尖峰问题.

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