雙向交錯并聯(lián)DCDC變流器設(shè)計與仿真講解

1、課題10:雙向交錯并聯(lián)DC/DC變流器設(shè)計與仿真主要性能指標(biāo)要求：輸入線電壓 10V-15V，交流輸出功率400W，輸出電壓 48V，電壓控制穩(wěn)態(tài)精度為3%,輸出電壓紋波峰峰值為100mv。具體內(nèi)容：要求學(xué)生在深入學(xué)習(xí)和分析雙向交錯并聯(lián)DC/DC變換器的組成l.iS| 宀I、I i1a和工作原理基礎(chǔ)上，完成主電路和驅(qū)動保護電路的硬件設(shè)計與元件選型，并在 MATLAB SIMULINK 平臺上，完成控制系統(tǒng)仿真。-I- l?l圖2雙向交錯并聯(lián)DC/DC電路結(jié)構(gòu)圖摘要本設(shè)計是在雙線交錯并聯(lián) DC/DC電路結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進行主電路和驅(qū) 動電路，保護電路的硬件設(shè)計，并通過對電路參數(shù)的計算進行元件選型，

2、并在 simulink上完成控制系統(tǒng)的仿真?！娟P(guān)鍵詞】DC/DC變換器，驅(qū)動電路PWM控制，保護電路第一章原理分析|?|圖2雙向交錯并聯(lián)DC/DC電路結(jié)構(gòu)圖1.1雙向交錯并聯(lián)DC/DC變換器工作模式分析Boost工作模式該模式下電路的等效電路圖如下圖所示:該電路的作用把低壓端儲存的能量通過Boost電路變換成電壓較高、穩(wěn)定的直流電源。此時S3和S4工作，Csuper （ Vin）放電。由于變換器在啟動時功率較大，而超級電容的電壓又較低，故其放電電流較大，進而兩路電感電流之和在變換器工作于Boost模式時一直處于連續(xù)工作狀態(tài)。而且，當(dāng)變換器工作在最大功率下時，每一路的電感電流也工作在連續(xù)狀態(tài)。為

3、了簡化分析，對變換器工作于最大功率時，作出如下假設(shè)：(1) 兩路開關(guān)導(dǎo)通占空比相等，即D3=D4=D，相位差相差180度；(2) 兩路電感相等，即 L仁L2=L;(3) 電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)，各個開關(guān)周期內(nèi)電流相等。根據(jù)開關(guān)管S3 S4占空比D的情況，Boost模式又可以分為 3種狀態(tài)：D0.5。當(dāng)D0.5時，由于開關(guān)管的導(dǎo)通時間較短，存在兩路的續(xù)流二極管同時導(dǎo)通的情況，該狀態(tài)下個階段電路的主要波形如圖2所示。圖2 Boost模式D0.5時電路的主要工作波形在階段一中，兩個開關(guān)管S3和S4都開通，電感L1和L2儲存能量，此階段有:dt *dt業(yè)）J出*在階段二中，開關(guān)管 S3繼續(xù)導(dǎo)通，電感 L1繼

4、續(xù)儲能；開關(guān)管 S4關(guān)斷，D2續(xù)流，電 感L2釋放能量，此階段有：階段三和階段四重復(fù)階段一和階段二的過程，根據(jù)圖4和伏秒平衡原理分別可以求得電感電流的紋波厶iL1、A 112和超級電容的紋波 isc以及電壓增益 Ay:V DT11Buck工作模式該模式下電路的等效電路圖如下圖所示:ii3T-S1r-I1厶2TET：X111L1L/VYViVbus =COUTL2 i ?1|JYVI1 3tS3廣S4C&uL CIN7-:21-匹JLTFXTTEJtexi11在該模式下電路將高壓斷多余的能量通過Buck電路回饋給Csuper。此時S1和S2工作，Csuper充電。與Boost模式一樣，Buck模

5、式下根據(jù)開關(guān)管 S1、S2占空比D的情況不同可以分為三種 狀態(tài)：D0.5。當(dāng)D0.5時，由于開關(guān)管的導(dǎo)通時間較短，存在兩路的續(xù)流二極管同時導(dǎo)通的情況， 該狀態(tài)下一個開關(guān)周期的電路各階段主要工作波形如圖5所示。圖5 Buck模式D0.5時電路主要工作波形ai在階段二中，開關(guān)管 S1繼續(xù)導(dǎo)通，電感 L1繼續(xù)儲能；開關(guān)管 S2關(guān)斷，D4續(xù)流，電 感L2釋放能量，此階段有：階段三和階段四重復(fù)階段一和階段二的過程，根據(jù)圖7和伏秒平衡原理分別可以求得電感電流的紋波厶iL1、A 112和超級電容的紋波 isc以及電壓增益 Ay:V DT2L第二章參數(shù)設(shè)計表1雙向交錯并聯(lián)DC/DC變換器參數(shù)要求輸入線電（V）

6、輸出電壓（V）交流輸出功 率（W）電壓控制穩(wěn) 態(tài)精度輸出電壓紋波波峰值（mv）10-15484003%100雙向交錯并聯(lián) DC/DC變換器的主要元件包括儲能電感L1、L2,輸入側(cè)電容濾波 Ci,輸出側(cè)電容濾波Co和功率開關(guān)管。在上文原理分析的基礎(chǔ)上，下面將給出變換器電路各元件 的具體參數(shù)設(shè)計。2.1電感參數(shù)設(shè)計最大的電感電流紋波（峰峰值） iL為其平均值的20%分別計算Boost模式和Buck模式下電感值，Boost電路電感LBoost和Buck電路的電感LBuck分別為:考慮到采用了交錯并聯(lián)及術(shù)后，兩相交錯并聯(lián)電路所需的電感值所需的電感值與單個Boost或Buck所需電感值Lsingle存在

7、如下的關(guān)系：Ldual（D）J0Di0.5O.5D,（!）圖8Boost模式下的小信號交流等效電路為了簡化計算，忽略電感參數(shù)的差異，假定L仁L2=L,IL1=IL2, d1(t)人=d3(t)人=d(t)人，ll1(t) 人=iL2(t)人=iL(t)人。同時，因為電路的穩(wěn)態(tài)量D仁D3設(shè)D仁D3=D.根據(jù)小信號模型等效電路，可以求出Boost工作模式下占空比到電感電流的傳遞函Gid(s):RgBoost模式下，通過控制雙向DC/DC變換器的輸出電流來補償蓄電池額定放電電流的不足。其控制框圖如圖 9所示：圖9Boost模式下的系統(tǒng)控制框圖輸出電流經(jīng)過低通濾波和功率守恒計算，得到輸入電流的給定值。

8、通過分別控制兩路電感電流，一方面減小了兩路之間的電流誤差，同時也達到了間接控制輸出電流的目的。5.2 Buck模式下控制系統(tǒng)建模與仿真采用受控電流源、受控電壓源和理想變壓器等效，建立變換器在Buck模式下的信號交流等效電路，如圖10所示:圖10 Buck模式下的小信號交流等效電路為了簡化計算，忽略電感參數(shù)的差異，假定L仁L2=L,IL1=IL2, d2(t)人=d4(t)人=d(t)人，Il1(t) 人=iL2(t)人=iL(t)人。同時，因為電路的穩(wěn)態(tài)量D2=D4設(shè)D2=D4=D.根據(jù)小信號模型等效電路，可以求出Buck工作模式下占空比到電感電流的傳遞函數(shù)Gid(s):占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)Gud(s):電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)Gv1(s):G 何 3.=_.hu)卩冊so 曲)a)-o pM(j)二oBuck模式下，采用電壓電流雙向閉環(huán)的控制策略，給超級電容充電。通過電壓11所示:外環(huán)精確控