双向DCDC变换器的控制方法研究与设计

分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）双向DC/DC变换器的控制方法研究与设计硕士研究生：孙亚指导教师：姚绪梁教授企业导师：蔡晓华研究员工程领域：控制工程学位论文主审人：罗耀华教授哈尔滨工程大学2014年6月分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）双向DC/DC变换器的控制方法研究与设计硕士研究生：孙亚指导教师：姚绪梁教授学位级别：工程硕士工程领域：控制工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2014年4月论文答辩日期：2014年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex：U.D.C：ADissertationfortheDegreeofM.Eng（MasterofEngineering）DesignandResearchonTheControlMethodofBidirectionalDC/DCConverterCandidate：SunYaSupervisor：Prof.YaoXuliangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringEngineeringField：ControlEngineeringDateofSubmission：Apr,2014DateofOralExamination：Jun,2014University：HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日双向DC/DC变换器的控制方法研究与设计摘要随着人类文明的发展和科学技术水平的进步，现代社会对电能的需求比以往任何时候都更加迫切。在一些应用场合，要求DC/DC变换器具有双向电能流动的能力。双向变换器在电力驱动、分布式能源、智能充放电、可再生能源、交通、航空航天、工业控制等领域得到了广泛的应用[1]。在输入输出电压极性不变的情况下，双向DC/DC变换器可以使电流的方向发生改变。目的在于要使电能从输入端输送到输出端，也能使电能从输出端输送到输入端。在电路结构上，只要有能量的反向流通回路，就可以实现电能的双向流动。本文在进行大量阅读比较，理论研究的基础上，通过对比分析研究典型的双向DC/DC变换器的拓扑结构，选用双向全桥直流变换器作为研究对象，分析了该变换器原理及实现软开关的条件，根据课题性能指标的要求，设计了电路的主要参数，包括开关管选取、变压器、电容、电感等参数设计。经过对比研究全桥变换器典型控制策略，选用滑模变结构控制作为该变换器的控制方法，对滑模面的设计、滑模参数的选取等问题进行了研究。基于Saber仿真软件，建立了双向DC/DC变换器的滑模变结构控制仿真模型，验证了当参数波动时滑模控制对外界参数变化的不敏感性，分别验证当输入电压波动和负载波动时系统的抗干扰性。分别采用移相控制策略和重复导通控制策略建立了主电路充放电模式等效电路模型。最后，为了验证理论分析的正确性，控制方案及参数设计的正确合理性，以IGBT为开关器件，FPGA作为控制芯片，搭建了一个功率等级为1000W实验平台，并在此基础上进行实验分析研究。关键词：双向DC/DC变换器；滑模控制；Saber仿真；软开关哈尔滨工程大学硕士学位论文双向DC/DC变换器的控制方法研究与设计ABSTRACTWiththedevelopmentofhumancivilization,thedemandforelectricityinmodernsocietyisbecomingmoreurgentthanever.Insomeapplications,theDC/DCconvertershouldhavetheabilitytotransferenergyinbidirectionaldirections.ThebidirectionalDC/DCconverterhasbeenwidelyusedinmanyfields,suchaselectricdrive,distributedenergy,intelligentcharginganddischargingsystemandsoon.Intheconditionofpolarityunchangedoftheinputandoutputvoltage,thisconvertercanchangethetransferdirectionsofthecurrent.Theenergycantransfertobothsidesoftheconverter.Inthecircuitstructure,aslongasthereisareverseflowofenergyinthecircuit,thentheenergycantransferinbothsides.Afteralotofreading,theoreticalresearchandanalysis,thebidirectionalfull-bridgeDC/DCconverterwasselectedbycomparingthetopologyoftypicalbidirectionalDC/DCconverters.Adetailedanalysiswasgivenontheprincipleandsoft-switchingconditions,accordingtotherequirementsofthetaskperformance,parametersofthemaincircuitelementsweredesigned,suchasIGBTs,capacitors,inductorsandsoon.TheSlidingModeControlhasbeenselectedbycomparingwithothercontrolstrategies.Thedesignontheslidingsurface,slidingonissuessuchastheselectionoftheslidingparameterswasstudied.ThesimulationmodelofbidirectionalDC/DCconverterwasbuiltbasedonsimulationsoftwareSaber.Inordertoverifytheoutputinsensitivitywhentherearefluctuationsintheexternalparameters,suchastheinputvoltageandoutputloadfluctuations.Thephase-shiftcontrolstrategyandrepetitivecontrolstrategyhasbeenusedonsimulationstudies.Finally,basedonIGBTs,FPGAchipasacontroller,aratedpowerof1000Wexperimentalplatformwasbuilt.Inordertoverifythedesignoftheconverter,therelatedexperimentalanalysiswascarriedon.Keywords:BidirectionalDC/DCconverter;SMC;Saber;Soft-switching哈尔滨工程大学硕士学位论文双向DC/DC变换器的控制方法研究与设计目录第1章绪论··························································································11.1课题研究的背景和意义···································································11.2双向DC/DC变换器的应用······························································11.2.1双向DC/DC变换器的基本原理··················································11.2.2双向DC/DC变换器的应用领域··················································31.3双向DC/DC变换器的国内外发展现状···············································41.3.1双向直流变换器的提出与发展····················································41.3.2软开关技术在双向变换器中的应用··············································51.4课题研究的主要内容······································································6第2章双向DC/DC变换器的主要拓扑和基本原理分析····································82.1非隔离型双向DC/DC变换器···························································82.1.1Buck电路及其变换···································································82.2隔离型双向全桥DC/DC变换器······················································122.2.1双向全桥DC/DC变换器的主要拓扑结构····································132.2.2双向全桥DC/DC变换器充电模式工作原理·································142.2.3双向全桥DC/DC变换器放电模式工作原理·································202.3本章小结···················································································24第3章双向全桥DC/DC变换器主电路设计·················································253.1移相全桥直流变换器软开关实现条件···············································253.1.1超前臂实现ZVS的条件·························