第一章绪论
本章介绍了双向DC/DC变换器（Bi-directional DC/DC Converter，BDC)的基本原理概述、研究背景和应用前景，并指出了目前双向直流变换器在应用中遇到的主要问题。
1.1 双向DC/DC变换器概述
所谓双向DC/DC变换器就是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据具体需要改变电流的方向，实现双象限运行的双向直流/直流变换器。相比于我们所熟悉的单向DC/DC 变换器实现了能量的双向传输。实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向DC/DC变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上一般都需要二极管，因此单个变换器能量的流通方向仍是单向的，且这样的连接方式会使系统体积和重量庞大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通过一台变换器来实现能量的双向流动，BDC就是通过将单向开关和二极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。
1.2 双向直流变换器的研究背景
在20世纪80年代初期，由于人造卫星太阳能电源系统的体积和重量很大，美国学者提出了用双向Buck/Boost直流变换器来代替原有的充、放电器，从而实现汇流条电压的稳定。之后，发表了大量文章对人造卫星应用蓄电池调节器进行了系统的研究，并应用到了实体中。
1994年，香港大学陈清泉教授将双向直流变换器应用到了电动车上，同年，F.Caricchi 等教授研制成功了用20kW水冷式双向直流变换器应用到电动车驱动，由于双向直流变换器的输入输出电压极性相反，不适合于电动车，所以他提出了一种Buck-Boost级联型双向直流变换器，其输入输出的负端共用。1998年，美国弗吉尼亚大学李泽元教授开始研究双向直流变换器在燃料电池上的配套应用。可见，航天电源和电动车辆的技术更新对双向直流变换器的发展应用具有很大的推动力，而开关直流变换器技术为双向DC/DC变换器的发展奠定了基础。
1994年，澳大利亚Felix A.Himmelstoss发表论文，总结出了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。他是在单管直流变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管，从而构成四种不隔离的双向直流变换器：Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepi-Zeta双向直流变换器。
隔离式双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等拓扑结构。
反激式变换器是基于Buck/Boost直流变换器设计的，电路结构对称，相比之下更易于构成双向直流变换器。但普通的反激式变换器容易产生电压尖峰和振荡，2001年陈刚博士提出了有源嵌位双向反激式直流变换器，有效的消除了电压尖峰和振荡，并且实现了开关管的零电流开关，减少了开关器件的电压应力。
推挽式变换器也具有对称的电路结构，且结构简单，但存在变压器的偏磁和漏感，从而限制了变换器的应用。所以有学者提出，在输入输出电压相差较大的场合，可以应用由推挽变换器和半桥变换器组成的混合式变换器。
桥式直流变换器有两类电路：一种是双有源桥式变换器，电路结构对称，通过控制相位
角来控制两直流电源间能量传输的方向和大小；另一种是由电压源型桥式直流变换器和电流源型直流变换器构成，且这两种电路都具有软开关特性。
1.3 双向直流变换器的应用前景
双向DC/DC变换器主要应用在：电动汽车、太阳能电池阵、不停电电源（UPS）、分布式电站等方面。
1.3.1 在电动汽车中的应用
近年来，考虑到环境污染和能源安全等方面，电动汽车的研究得到了飞速的发展。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力车和燃料电池电动汽车三大类。双向DC/DC变换器是应用到电动汽车的一项重要技术。目前，蓄电池电动汽车技术已经有了较成熟的发展，但由于蓄电池可靠性差且储能小，电动和内燃机驱动相结合的混合车辆的研究已经成为了我国一些企业和科研院所的发展重点。
混合电动车由无刷直流发电机、逆变器与驱动用交流电动机和蓄电池与双向直流变换等三部分组成。其工作过程是：启动发动机，蓄电池通过双向直流变换器向无刷直流电机供电，无刷直流电机驱动发动机使其启动，作为电动机运行。发动机正常工作后，传动发电机发出直流电，发电机的电能一方面给电池充电，另一方面给逆变器供电，使交流电动机工作，驱动车辆。电动车加速时，发电机和蓄电池同时向逆变器供电，交流电动机输出功率加大。车辆下坡或制动时，电动机转为再生制动状态，逆变器将电动机能量返回，通过双向直流变换器回到蓄电池。
燃料电池具有能量密度高、能量转换效率高等优点，是将化学能转换为电能的装置，它是未来电动车的首选能源。在燃料电池供电的电动车系统中，由蓄电池提供压缩机电机的驱动能量，从而建立燃料电池电压，给其创造了启动条件。正常运行时，压缩机电机的能量由燃料电池来提供，系统中逆变器带动的驱动电机的能量回馈到蓄电池中，同时，燃料电池给蓄电池充电。其原理图如下图所示：
燃料电池电压
箝位
双向DC/DC
变换器
逆变器
交流
电机
压缩机
控制器
蓄电池
1.3.2 在太阳能电池阵系统中的应用
所有利用太阳能电源的航天器，都需要能量存储系统，该系统和太阳能电池阵组合起来，构成组合供电系统。比较典型的是太阳能-蓄电池供电系统，主要有峰值功率跟踪系统和直接能量传送系统。双向直流变换器起到了集蓄电池充放电为一体的作用，大大减小了体统的体积和重量。
1.3.3在不停电电源（UPS ）中的应用
原理：在不停电电源系统中，有一个充电单元给蓄电池充电，在充电单元异常掉电时，控制器通过检测电压和电流立即做出反应，用蓄电池通过放电单元来提供负载能量，并在一定时间段内保证直流总线电压的恒定，使外界的变化不会影响到对直流负载的连续供电。而这个系统中的充放电单元就可以用双向DC/DC 变换器来代替。
AC/DC 变换器
负 载
双向DC/DC 变换
器
控制器
蓄电池
在USP 中采用双向DC/DC 变换器可以起到以下的作用：1、中间变换、升降压，方便选配蓄电池；2、将电池充放电工作隔离开；3、优化充放电过程，提高充放电过程和蓄电池使用寿命；4、允许蓄电池和直流母线相互隔离，保证安全。
1.3.4在分布式电站方面的应用【5】
分布式发电系统包括多种新型发电单元，许多发电单元输出为直流电源(燃料电池、太阳能等)，同时分布式发电系统内部能量是多路径流动，具备双向功率流动的典型特征，双向DC/DC 变换器可以在分布式发电系统发挥重要作用。
1.4 本章小结
本章主要对双向直流变换器的基本概念、应用背景以及发展前景进行了详细的介绍，并针对不同的应用方向进行了系统的描述，指出了目前双向变换器在发展过程中所遇到的主要的难题。
第二章 双向DC/DC 变换器的拓扑结构
本章简单介绍了单向DC/DC 变换器的基本原理和类型，并根据双向DC/DC 变换器按照有无变压器隔离的分类，对各种典型双向DC/DC 变换器的电路拓扑做了详细的介绍。
2.1 DC/DC 变换器的基本原理与类型
2.1.1 DC/DC 变换器的基本原理
DC/DC 变换器即是把直流电压变换为另一数值的直流电压，是开关电源技术的一个分支。它是由半导体功率器件作为的开关管、二极管、电感、电容、负载和直流电源构成的，通过使带滤波器的负载电路和直流电压时而接通、时而关断，使得负载上得到另一个直流电压。
在所有的DC/DC 变换器中，Buck 和Boost 电路是最基本的。
2.1.2 DC/DC 变换器的类型
DC/DC 变换器可以由输入输出之间是否有变压器而分为隔离型和非隔离型。
非隔离型的主要拓扑有：Buck 降压变换器、Boost 升压变换器、Buck-Boost 升降压变换器、Cuk 变换器、Sepic 变换器和Zeta 变换器。
隔离型的的主要拓扑有：正激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器。 （1）非隔离型变换器
V in
V out
C
Q
D
L
V in
V out
D
C L
Q
V in
V out
C
Q
D
L
V in
V out
C 2
L 1
C 1
D
Q
L 2
下面主要介绍最基本的Buck 降压变换器和Boost 升压变换器的工作原理。
BUCK ：当开关管导通时，电源通过电感L 给电容C 充电；当开关管关断时，电感L 续流，逐渐降低，电容上的电流由正逐渐降为零，并变成负向。进而开关管再次导通，电感上电流增加。
t off
t on
I o
i Lmin
V gs i L
i C
t
t
t
i Lmax
t off
V gs i L
i C
t
t
i Lmax
t on
t
BOOST ：当开关管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，负载由电容供电；当开关管关断时，电感电流减小，电感电势与输入电压叠加，迫使二极管D 导通，一起向负载供电，并同时向电容C 充电。
t off
t on
I in
i Lmin
V gs i L
i C
t
t
t
i Lmax
t off
V gs i L
i C
t
t
i Lmax
t on
t
（2）隔离型变换器
+
-
U i
+-
U o Q
C
D
下面主要介绍反激式变换器的工作原理：
它是由电感变压器T 、功率晶体管Q 、二极管D 和滤波电容C 组成。晶体管受驱动信号驱动，周期的导通与关断。当开关管导通时，在理想情况下，输入电压全部加在电感变压器初级上，变压器初级感应电势同名端为正，次级同名端也为正，二极管反偏截止，所以电感变压器此时作为电感运行，电源向电感储能，由输出电容向负载供电；当开关管关断时，电感能量不能突变，变压器各线圈感应电势反号，同名端为负，迫使二极管导通，电感能量逐步转为电场能量向负载放电和向电容充电。
t off
V gs
t
t t
t
i 1
i D
u D
i Dmax
i Dmin
i 1max
i 1min
t on
2.2 双向DC/DC 变换器的电路拓扑
绪论中已经提到，双向DC/DC 变换器是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据需要改变电流方向，通过在开关管上反并联二极管、在二极管上反并联开关管再加上适当的控制来实现能量的双向传输的变换器。它可以根据有无变压器隔离分为隔离型和非隔离型。
2.2.1 非隔离型双向DC/DC 变换器
非隔离型双向DC/DC 变换器的主要拓扑有：双向Buck-Boost 变换器、双向Buck/Boost 变换器、双向Cuk 变换器和双向Sepic-Zeta 变换器。
V 1V 2C 2
Q 1
L
Q 2
D 1
C 1
+-+
-
D 2
V 1V 2
Q 1
D 1
D 2
L
Q 2
C 1
C 2
+
-
+
-
C 1
L 1
Q 1
D 1
C 3
D 2
Q 2
L 2
C 2+
-V 1
+
-V 2
+-+
-
D 1
Q 1
L
C 3
D 2
Q 2
L 2
C 1
C 2
V 1V 2
下面主要介绍双向Buck-Boost 变换器和双向Buck/Boost 变换器的拓扑结构。
双向Buck-Boost 变换器：是由Buck 变换器变换而来的，在晶体管Q 上反并联二极管D ，在二极管D 上反并联晶体管Q ，该电路便是双向DC/DC 变换器。它可以工作于两种模式：降压模式和升压模式。当能量从V 1流向V 2，Q 1工作，Q 2不工作，V 1为电源端，则该变换器为Buck 变换器；当能量从V 2流向V 1，Q 2工作，Q 1不工作，V 2作为电源端，则该
变换器为Boost变换器。
若两侧都有电源，则能量流动方式取决于两电源电压大小和占空比的大小，两端的电压极性相同，V1 双向Buck/Boost 变换器：与单向Buck/Boost变换器拓扑不同的是，在原开关管处反并联二极管，在原二极管处反并联开关管，Q1和Q2互补方式导通，两者间应设定死去时间，以避免同时导通，其与Buck-Boost不同的是：V1和V2电压是反极性的，且其大小任意。 2.2.2 隔离型双向DC/DC变换器 隔离型双向DC/DC变换器是在非隔离型的基础上发展起来的，相对要复杂得多，对于变压器，稳态时实现磁化和去磁伏秒面积相等是保证其正常工作防止铁芯磁饱和的关键【9】。一般隔离型双向DC/DC变换器常应用在电压传输比大、功率高、需要电气隔离的场合。 隔离型双向DC/DC变换器的主要拓扑有：双向反激式、双向正激式、双向推挽式、双向半桥式和双向全桥式。 其主要区别为【15】： (l)双向反激式：结构简单，成本低，适合于小功率应用。 (2)双向正激式：是在单管正激式的电路上再串接一个三极管而组成的， 对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。 (3)双向推挽式：传输功率比双反激拓扑大，结构也比较简单。但因变压 器漏感引起大的开关电压尖峰，开关管工作条件恶劣，适合中低压应用场合。 (4)双向半桥式：半桥式DC/DC变换电路适用于输入电压比较高的场合， 与推挽式变换器相比较，它的输入变压器没有中心抽头，加工比较简单。但是 对支撑电容的要求高，并且传递同样的功率时，要求功率器件的电流容量大， 适合中功率高压应用。 (5)双向全桥式：全桥变换由于对功率器件的电流/电压应力小，同样容量 的器件传输的功率更大，开关管和变压器的利用率高，是大功率应用的首选拓 扑结构。 下面主要介绍双向反激DC/DC变换器： C1 C2 N1N2 Q1 Q2 + -+ - V1V2 所谓正激和反激，正激变换器即是变压器，反激变换器即是当开关管导通时，能量可以存储于原边的漏感上。 同样，双向反激变换器是在单向反激变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管，开关管工作在PWM方式，互补导通。 2.3 DC/DC变换器的拓扑选择 DC/DC变换器拓扑繁多，在基本拓扑的基础上还可以组合形成新的拓扑，鉴于每种拓扑都有各自的特点，在不同的实验要求下应科学的选择拓扑，以下是在选择拓扑时应主要考虑的因素： （1）拓扑的复杂程度。在实现同样的实验要求的基础上，应选择简单，控制方便的拓扑，可靠性要高。 （2）实现的难易程度。有的拓扑虽然性能良好，但对器件的要求过高，要实际的考虑是否能在市场上采购到等客观因素。 （3）成本。应根据经济水平来选择合适的拓扑，尽量将成本减到最低，通常情况下，双向的比单向的成本高，隔离式的比非隔离式的成本高。 （4）体积和重量。大多数情况下，采用变压器的电路，变压器所占的体积和重量都很大。 综合以上分析可见，双向Buck-Boost电路和双向Buck/Boost电路为非隔离式DC/DC 变换器的最基本的拓扑，相对结构简单，且目前的技术发展都已成熟，但这两者相比之下，后者基于Buck/Boost升降压变换器的缺点是，输入输出电流为断续且纹波很大，在器件选择上需要选择性能好、容量大的滤波电容，成本太大。 所以综合考虑，选择双向Buck-Boost电路为本课题研究的拓扑。 2.4 本章小结 本章首先简要介绍了单向DC/DC变换器的基本原理以及其按照输入、输出有无变压器的分类（隔离式和非隔离式），对最基本的Buck、Boost变换器和典型的隔离式变换器进行了详细的分析，接着着重分析了双向DC/DC变换器的拓扑，同样的按照输入、输出有无变压器可分为隔离式和非隔离式两类，其中非隔离式包括Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepic-Zeta；隔离式包括正激、反激、推挽、半桥、全桥。之后主要对典型的Buck-Boost、Buck/Boost和双向反激式变换器的拓扑进行了系统的分析。最后综合各种拓扑的特点考虑，选择了双向Buck-Boost电路为本课题研究的拓扑。 第三章双向Buck-Boost的主电路分析及参数设计 本章主要对选定的双向Buck-Boost主电路拓扑进行详细的分析，了解具体的工作方式，随后根据任务书上的主要技术指标进行参数设计。 3.1 双向Buck-Boost的主电路分析 3.1.1 主电路的拓扑结构和工作方式 双向Buck-Boost的主电路如图所示，电路图中包括两个开关管、两个二极管、一个电感、两个电容，两个电源。其中两个开关管互补导通，即Q1开通时Q2关断，Q2开通时Q1关断。为了防止两个开关管同时导通，应通过合理设计电感L的大小，制造死区时间，即 使开关管实现零电压开通，并避免二极管的反向恢复问题。 V 1V 2C 2 Q 1 L Q 2 D 1 C 1 +-+ - D 2 双向Buck-Boost 电路在一个开关周期内，有三种工作方式： （1）Buck 工作方式。即电感电流恒大于零，能量从V 1到V 2传输,Q 1导通，Q 2截止，电感电流增加，到t=t on ，D 2续流导通，Q 1截止，Q 2没有电流通过； （2）Boost 工作方式。即电感电流恒小于零，能量从V 2到V 1传输，在t on ~T 期间，Q 2 导通，Q 1截止，电感电流在V 2作用下增加，在t=T 时刻，Q 2截止，Q 1导通，但Q 1没有电流通过，D 1续流导通； （3）交替工作方式。即电感电流有正有负，1）在t 0到t 1期间，Q 1导通但不通过电流，从而实现零电压开通，电流通过D 1，期间i L 为负值；2）在t 1到t on 期间，Q 1导通并通电流，i L 为正值并逐渐增加；3）在t on 到t 2期间，Q 2导通但不通过电流，实现零电压开通，电流通过D 2续流，i L 为正值并逐渐减小；4）在t on 到T 期间，Q 2导通并通电流，i L 为负值并逐渐增加。 t off t on V gs i L i L t t t 000 i L t buck boost 交替 t 1 i Lmax t 2 i Lmin T t on t on T 3.1.2 交替工作方式具体分析 由交替工作方式下的电感电流图可以看出，在一个开关周期内，电感电流为正部分的面积等于电感电流为负部分的面积，max min L L i i =这表明一个开关周期内，实现了能量的双 向流动且始终保持能量守恒。 当 max min L L i i >，则表明能量是从V1向V2传1输；当 max min L L i i <,则表明能量是 从V 2向V 1传输。 前面提到过Buck-Boost 双向直流变换器若两侧都有电源，则能量的流动方向取决于两 电源电压的大小和占空比的大小。下面就来验证这一结论： 当能量从V 1流向V 2时，其跟电流连续时的Buck 电路一样，有 2 11 V D V =式中，D 1为Q 1的占空比。 当能量从V 2流向V 1时，其跟电流连续时的Boost 电路一样，有 2 21 1V D V =-式中，D 2为Q 2的占空比。 因两开关管互补导通，所以有 211D D =-，代入上式，即可得 2 11 V D V = 比较可得，当实现能量双向传输时，能量的流动方向决定于两电源电压的大小和占空比的大小。 当占空比保持不变时，若V 1 3.2 主电路开关管的选择及其参数设计 3.2.1 主电路开关管的选择 功率晶体管是可控的开关器件。当控制信号高电平时，晶体管导通，通过很大电流，但压降很小，相当于是开关导通；当控制信号低电平时，晶体管截止，几乎不通过电流，承受很大的电压，相当于是开关关断。 功率晶体管分为两大类：双极型功率晶体管（电流控制型）和场控晶体管（电压控制型），场控器件分为：MOS 场效应晶体管（MOSFET ）、绝缘栅晶体管（IGBT ）和MOS 控制晶闸管（MCT ）。在电路中采用哪类晶体管没有很大的差别，主要是取决于晶体管本身的参数、特性的限制以及成本等因素。下面就来分析各个器件的特点： （1）功率晶体管：开关频率低、驱动较为困难，市场上逐渐被IGBT 和MOSFET 所替代。 （2）功率场效应晶体管(MOSFET)：开关速度快、驱动方便，导通时阻抗高，因此在电流较大时的压降较高，仅适用于小功率装置。 （3）绝缘栅晶体管（IGBT ）：开关速度快、损耗小，具有耐脉冲电流冲击能力，输入阻抗高，适用于低压、高频的大功率场合。 本实验拟采用MOSFET 作为开关管，下面就是对MOSFET 的详细介绍： MOSFET 导通时只有一种极性的载流子参与导电，因而也称为单极型晶体管，它是通过改变栅极电压的大小来改变导电沟道的厚度，从而来控制漏极电流的。通常在制造时，将衬极和源极短接，并使EDS=0,。当栅极电压EGS 小于开启电压EHT 时，不论电压极性如何，两个PN 结中始终有一个是反向偏置的，漏极电流几乎为零，此时MOSFET 不导通； 当栅极电压EGS 大于开启电压EHT 时，漏源极之间形成沟道，由于沟道的电阻小，故在漏源正电压EDS 作用下，电子从源极流向漏极，这就是MOSFET 的正向导电特性。 3.2.2 主电路的主要参数设计 由于双向Buck-Boost 变换器互补工作，分别为BUCK 和BOOST 工作模态，理想情况下，管子承受的最大压降及峰值电流均无异，分析主电路的拓扑，由于主电路正常工作是在BUCK 模式，因此，器件参数的选择应以BUCK 为模型。 主要技术指标： 输入电压：360~540V 输出电压：240V 输出功率：12KW 开关频率：20Khz 效率：95% （1）由主要技术指标可得： 12000 24050o o o P I A U = == 24050 4.8o o U R I ===Ω 0.5(0.44~0.67)o i U D U = = （2）储能电感L 的设计 由当电路进入稳态以后，可以认为输出电压为常数，当晶体管Q 导通时 i o di U U L dt -= 当负载电流减少到 min 0o i =时，max o i i =?，此时最小负载电流min o i 即为临界连续电 流 G I min max 122G o o i I I I ?== = 由公式 max min o o ON i o ON ON i i i U U L L T T -?-==和公式*o i U D U =，可得 (1)2i G U T I D D L = - 即是 min min (1)(1) 22i o o o U TD D U T D L I I --= = 由min 50o I A =，计算得 311 2402010260250L H μ? ? ?= =? （3）滤波电容C 的设计 由以上分析 ，易推得电感电流的变换量为 (1)i L U T i D D L ?= - L i ?实际上是电容电流的变化量C i ?和负载电流变化量o i ?之和。若设0o i ?=，即全部 电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在 () 2 2ON OFF T T T +=时间间隔内充电，电 容充电的平均电流为 (1)444C i L C i U T i I D D L ???= ==- 电容峰峰值纹波电压： 2 2 1 1(1)(1)428T i i C C U T U T U I dt D D D D C C L LCf ?= ?= ?-?=-? 式中，1 f T =为开关频率。由上式得到 2(1)8i C U D D C Lf U -≥ ? 其中，纹波电压 C U ?取4%，输出电压为240V 时，C U ?为9.6V 所以 6262400.5 625860102010C F μ-?≥ =???? （4）各参数定额 1）功率管电流定额 3max 6 1540201056.25886010i G U T I A L -? ?===?? 2）功率管电压定额 ()max 1.5 1.5540810BR ceo i U U V ≥?=?= 3）二极管电流平均值 (1)25o OF D o I T I I D A T = =-= 4）二极管电流有效值 20 11500.535.36OF T Drma o o I I dt I D A T = =-=?=? 5）二极管承受电压 max 225401080DR i U U V >=?= 6）周期 3 11502010T s f μ= ==? 3.3 本章小结 本章首先对Buck-Boost 主电路进行了分析介绍，分析了主电路的拓扑结构和工作方式，并对交替工作方式进行了详细的介绍，其次对实验用的开关管进行了选择，选定MOSFET 开关管作为主电路的开关管，确定了储能电感L 、滤波电容C 的参数，以及根据给定的实验技术指标计算出了各参数定额。 第四章 双向DC/DC 变换器的控制研究 如何选择恰当的控制方式，因从两个大方面来考虑，是选择电压控制模式还是电流控制模式，是选择模拟控制实现还是数字控制实现。 4.1 双向DC/DC 变换器的控制方式 从设计控制系统的方式来看，DC/DC 变换器的控制技术主要分为电压控制模式和电流控制模式。 (1) 电压控制模式：电压控制模式是开关电源技术中最基本的一种控制方式，属于单闭环反馈控制方式。 其原理是：变换器的输出电压经分压，与给定值V ref 相比较，经过电压调节器将电压误差放大，生成控制信号，作用于脉宽调制电路，将电压模拟信号转变为开关管脉冲信号，作为开关管的驱动信号。脉冲宽度信号随控制信号的改变而改变，从而改变输出电压，构成单闭环反馈控制系统。 DC/DC PWM 电压调节器 V i D 调制脉宽CLK V e V ref V o 补传递函数 （2）电流控制模式：电流控制模式是开关电源技术中最常用的一种控制方式，因为其较电压控制型而言，动态性能和稳态性能很较好，而且电压控制模式对电流没有控制，因此无法对变换器进行功率控制，也不利于变换器的并联使用，其可移植性差。【1】属于电压电流双闭环控制，分内环和外环，内环为电流负反馈环，外环为电压负反馈环。 其原理是：变换器的输出电压经分压，与给定值V ref 相比较，经过电压调节器将电压误差放大，从而生成电压误差放大信号作为内环电流基准，电流检测信号与给定值之间的误差，经过电流调节器放大后，生成控制信号，作用于脉宽调制电路，形成占空比D 可变的脉冲信号作用于开关管上。 DC/DC PWM 电流调节器 V i D 调制脉宽CLK V e V ref V o 电压调节器 i 补传递函数 4.2 双向DC/DC 变换器控制系统的实现 控制系统的实现有模拟实现和数字实现两种。 4.2.1 模拟控制的实现 模拟控制技术：特点是动态响应快、易观测和调试、无量化误差且价格低廉。PID 调节器是模拟控制技术中常用的，例如电压控制型和电流控制型中用到的电压调节器，下面就来详细介绍PID 调节器。 PID 调节器主要分为两类：单极点-单零点补偿网络和双极点-双零点补偿网络 （1）单极点-单零点补偿网络 R 1 C 1 R 2 C 2 REF V OUT 其传递函数22111221211 ()S R C H S R C C C S S R C C + ?=? ?? +?+ ? ???? 该补偿网络的特点是：1）低频段有一个积分环节，且稳态误差为零，因此其直流增益高； 2）在控制系统传递函数的最低级点或是引入一个零点，来将这个极点所引起的相位补偿，也就是说这个零点抵消了补偿网络自身积分环节所引起的相位滞后，使其在这一频段内变成了一个反相器，使相位增加90o。 3）该补偿器的最后一个极点消除ESR电阻引起的零点。 （2）双极点-双零点补偿网络 R1 C1 R2C2 REF V OUT R3C3 其传递函数 () 22133 13 13112 12233 11 2 () 1 2 S S R C R R C R R H S R R C C C S S S C C R R C π π ?? ?? +?+ ? ? ??+? +????=? ???? ?? + ?+?+ ? ? ???? ???? 该补偿网络的特点是：1）直流处有一个极点，且稳态误差为零； 2）有两个零点，其相频对数特性曲线可以提供180o的超前相位，如果将补偿网络的这两个零点放在重极点的位置，因为重极点可以引起180o的相位滞后，所以这两个零点可以将其补偿。综上所述，这种补偿网络可以作为双重极点控制对象的控制器； 3）该补偿网络的第一个极点消除ESR电阻引起的零点，第二个极点用来在高频段，幅频特性下降斜率-40dB，具有良好的干扰抑制作用，同时可以保证开环传递函数有一个较好的增益裕量和相位裕度； 4.2.2 数字控制的实现 随着现如今各类微处理器芯片的快速发展，芯片的工作速度、集成度以及运算能力都有了很大的提高，并且成本也在下降，这就使得开关电源的控制得以通过微处理器芯片来实现，即数字控制的实现。 下面就来介绍数字控制的优缺点： 优点：（1）可以实现一些用模拟控制方式很难实现的复杂电路的控制； （2）可以很大程度的改善由于模拟器件的老化及温度漂移所引起的控制性能变差的问题； （3）控制方法或参数易于修改、周期短； （4）控制算法通过软件来实现，可以避免模拟器件参数离散而引起的控制特性不一致。 缺点：（1）微处理器芯片的工作频率和运算能力会受到控制算法的运算速度的牵制； （2）对于小功率的电源模块而言，微处理器芯片的集成度还不算很高 综上所述，虽然数字控制技术现在还不是很成熟，但随着微处理器芯片技术的进步和控 制算法的改进，数字控制将逐渐代替模拟控制方式。 4.3 本章小结 本章主要介绍了电压控制方式和电流控制方式，通过比较，选择更适合于本实验的电压型控制方式，接着介绍了模拟控制方式和数字控制方式，选择模拟控制来实现本次实验的控制。 第五章 双向DC/DC 变换器系统的设计与实现 5.1 双向DC/DC 变换器系统的总体设计 总体设计框图 双向Buck-Boost 主电路输出经过分压，将电压信号传给PID 控制器进入补偿环节，根据给定的参考电压进行电压补偿，再经过脉宽调制器输出互补的脉冲电压提供两个开关管Q1、Q2的驱动。 5.2 双向DC/DC 变换器系统闭环各个环节的实现 5.2.1 分压环节 图 补齐原理 5.2.2 补偿环节（PID 控制器）完善计算 经过上一章的分析研究，准备采用第一类单极点-单零点补偿网络，下面计算出补偿网络各参数的选择： （1）选定R1，通常选择2~5k Ω （2）根据中频增益21R R 的大小来调节带宽，确定R 2为 21ESR PP LC ESR IN F V DBW R R F F V ???=??? ??? （3）根据LC 的重极点位置来确定C 2 2210 2LC C R F π= ?? （4）确定抑制高频极点所摆放零点C 1的大小，将零点放在12SW F 位置 2 1221SW C C R F C π= ???- 由此可确定系统的传递函数：???? 5.2.3 脉宽调制环节 该系统的脉宽调制环节拟采用SG3525芯片来实现，下面主要介绍芯片SG3525。 （1）芯片各管脚功能： 910111213 141516SG3525 1234 5678 反相输入同相输入同步端振荡器输出 CT RT 放电端软启动端 Vref Vcc B 管E A 、B 管C 地A 管E 闭锁控制补偿 （2）SG3525基本外围接线与能够实现的主要功能 基准电压5.1V 1 2 34 567 8 910111213 1415 16R1 R2 Ct Rt Rd C5 接PI 环节输出 Vcc SG3525 1）频率可调，通过改变C T 和R T 的值来调节PWM 的输出频率，其计算公式为： () 1 0.67 1.3T T D f C R R = + 2）死区时间可调，可以通过调节R D 来改变死区时间； 3）芯片工作频率为100Hz~400kHz,引脚3为同步端，可以实现多个芯片的并联； 4）具有软启动功能，通过改变8脚的电容，但此实验不用软启动功能。 DC/DC变换器的发展与应用 周志敏 （莱芜钢铁集团公司动力部，山东莱芜271104） 摘要：介绍电压调整模块（VRM）技术、软开关技术和高频磁技术在DC/DC变换器中的应用，分析DC/DC变换器发展的关键技术，并探讨其发展的趋势。 关键词：电压调整模块；软开关；高频磁技术 1引言 直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被 广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密 一种模块化高效DC-DC变换器的开发与研制 设计方案 一、设计任务：设计一个将220VDC升高到600VDC的DC-DC变换器。在电阻负载下，要求如下： 1、输入电压=220VDC，输出电压=600VDC。 2、输出额定电流=2.5A，最大输出电流=3A。 3、当输入在小范围内变化时，电压调整率SV≤2%（在=2.5A时）。 4、当在小范围你变化时，负载调整率SI≤5%（在=220VDC时）。 5、要求该变换器的在满载时的效率η≥90%。 6、输出噪声纹波电压峰-峰值≤1V（在=220VDC，=600VDC，=2.5A条件下）。 7、要求该变换器具有过流保护功能，动作电流设定在3A。 8、设计相关均流电路，实现多个模块之间的并联输出。 二、设计方案分析 1、DC-DC升压变换器的整体设计方案 图1 DC-DC变换器整体电路图 如图1升压式DC-DC变换器整体电路所示，该DC/DC电压变换器由主电路、采样电路、控制电路、驱动电路组成；开关电源的主电路单元、样电路单元采、控制电路单元、驱动电路单元组成闭环控制系统，是相对输出电压的自动调整。控制电路单元以SG3525为核心，精确控制驱动电路，改变驱动电路的驱动信号，达到稳压的目的。 2、DC-DC升压变换器主电路的工作原理 DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。 图2（a）DC-DC变换器主电路 图2（b）DC-DC变换器主电路 图2（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由开关变换电路、高频变压电路、整流电路、输出滤波电路四大部分组成；图1（b）是用matlab模拟出的升压式DC-DC变换器的主电路图。其中开关变换电路主要由绝缘栅双极型晶体管IGBT、储能电容C和RC 放电电路组成；高频变压器电路由一个工作频率为20KHz的升压变压器和一个隔直电容组成；整流电路部分采用桥式整流的设计方案，由四个快速恢复二极管构成，实现将逆变产生 绪论 一.开关电源概述 开关电源（Switch Mode Paver Supply,即SMPS）被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个阶段。 早期的开关电源全部有分立元件构成，不仅开关频率低，效率高，而且电路复杂，不宜调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化；80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍DC/DC电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的问世，AC/DC电源变换器的集成化才变为现实。 稳压电源是各种电子的动力源，被人称为电路的心脏，所有用电设备，包括电子仪器仪表，家用电器。等对供电电压都有一定的要求。至于精密的电子仪器，对供电电压的要求更为严格。所谓的DC——DC直流稳压是指电压或电流的变化小到可允许的程度，并不是绝对的不变。 目前，随着单片开关电源集成电源的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出来强大的生命力，它作为一项颇具发展和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍重视。 尤其是最近两年来，国外一些著名的芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广及奠定了良好的基础。单片开关电源具有集成度高、高性价化、最简外围电路，最佳性能等指标，现已成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。 二. 开关电源的技术追求 1.小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感和变压器的尺寸，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此高频化是开关电源的主要发展方向。 2.高可能性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光电偶合器及排风扇等器件的寿命决定着电 一、元器件的选择 1.DC-DC电源变换器的三个元器件 1)开关：无论哪一种DC/DC变换器主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小，目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。 2)电感：电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因 此理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有“很大的惯性”.换句话说，由于“磁通连续性”,电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题，多数情况下，电感工作在线性区，此时电感值为一常数，不随端电压与流过的电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起的两个分布参数(或称寄生参数)的 现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的;其二是分布式杂散电容，随绕线工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随频率提高而渐显出来，到一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容集成为一个，则从电感的等效电路可看出在一角频率后的电容性。 3)电容：电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递 电能的元件。但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具平滑电 压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引线，形成一个等效串联内电阻ESR.这种等效串联内电阻在开关电源中小信号控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电路器滤波效果时非常重要。有时加大电容值并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻与接点和引出线 有关，也与电解液有关。常见铝电解电容的成分为AL2O3,导电率比空气的大七倍，为了能提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大，加入的电解液可在凸凹面上流动。普通的铝电解电容在高频脉动电流大幅度增加下，高频阻抗温度上升较大，成了开关电源长寿命的瓶颈。所谓好电容耐反波电流， 耐温升，ESR值小。电容电解液受温度影响，温度升高，电阻减小，即电容串联电阻减小，则是理想的。温度升高，等效串联电阻加大，导致电容寿命减短，这是 普通铝电解电容的缺点。为改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干 燥形成固体式电解质电容，即“钽电容”. 2.器件选择要点 只如果外接开关管，最好选择开关三极管或功率MOS 管，注意耐压和功耗。如果开关频率很高，电感可选用多线并绕的，以降低趋肤效应的影响。续流二极管一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管，但要注意耐压。如果输出电压很小(零点几伏)，就必须使用MOS管续流。输出滤波电容一般使用高频电容， 可减小输出纹波同时降低电容的温升。在取样电路的上臂电阻并一个0.1~1μf电容，可以改善瞬态响应。电源设计的器件选择需要注意以下几点： 六种基本DC/DC变换器拓扑，依次为buck,boost,buck-boost,cuk,zeta,sepic变换器 半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑。 半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决。半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制。 正激变换器 绕组复位正激变换器 LCD复位正激变换器 RCD复位正激变换器 有源钳位正激变换器 双管正激 吸收双正激 有源钳位双正激 原边钳位双正激 软开关双正激 推挽变换器 无损吸收推挽变换器 推挽变换器:推挽变换器是双端变换器.其实是两个正激变换器通过变压器耦合而来,基本推挽变换器好处是驱动不需隔离,变压器双端磁化,只要两个开关管.但是,变压器绕组利用率低,开关管电压应力为输入两倍,所以一般只适合低压输入的场合.而且有个问题就是会出现偏磁,所以要采用电流型控制等方法来避免. 如果将两个双管正激同样耦合,可以构成四开关管的推挽变换器,也就是所谓的双双管正激.其管子电压应力下降为输入电压.其他等同. 推挽正激是最近出现的一种新拓扑,通过一个电容来解决变换器漏感尖峰,偏磁等问题.在VRM中有应用. 半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑. 半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决. 半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制. 全桥变换器 Maxim > Design Support > Technical Documents > Tutorials > Power-Supply Circuits > APP 2031 Keywords: DC to DC, buck, boost, flyback, inverter, PWM, quick-PWM, voltage mode, current mode skip, synchronous rectifier, switching regulator, linear regulator TUTORIAL 2031 DC-DC Converter Tutorial Nov 29, 2001 Abstract:Switching power supplies offer higher efficiency than traditional linear power supplies. They can step-up, step-down, and invert. Some designs can isolate output voltage from the input. This article outlines the different types of switching regulators used in DC-DC conversion. It also reviews and compares the various control techniques for these converters. Introduction The power switch was the key to practical switching regulators. Prior to the invention of the Vertical Metal Oxide Semiconductor (VMOS) power switch, switching supplies were generally not practical. The inductor's main function is to limit the current slew rate through the power switch. This action limits the otherwise high-peak current that would be limited by the switch resistance alone. The key advantage for using an inductor in switching regulators is that an inductor stores energy. This energy can be expressed in Joules as a function of the current by: E = ? × L × I2 A linear regulator uses a resistive voltage drop to regulate the voltage, losing power (voltage drop times the current) in the form of heat. A switching regulator's inductor does have a voltage drop and an associated current but the current is 90 degrees out of phase with the voltage. Because of this, the energy is stored and can be recovered in the discharge phase of the switching cycle. This results in a much higher efficiency and much less heat. What is a Switching Regulator? A switching regulator is a circuit that uses a power switch, an inductor, and a diode to transfer energy from input to output. The basic components of the switching circuit can be rearranged to form a step-down (buck)converter, a step-up (boost) converter, or an inverter (flyback). These designs are shown in Figures 1,2,3, and 4 respectively, where Figures 3 and 4 are the same except for the transformer and the diode polarity. Feedback and control circuitry can be carefully nested around these circuits to regulate the energy transfer and maintain a constant output within normal operating conditions. DC/DC变换器的发展与应用 1引言 直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率 的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC 变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC 变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC 变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为 0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。 电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT实现高频工作,开关频率一般控制在50kHz～100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。 因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。 2电力电子器件 功率变换技术高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第4代即智能化时代，具有如下显著的特征。 2.1高性能化 高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、高速度和高可靠性等4个方面。如IGBT 的电流可达2kA～3kA、电压达到4kV～6kV，降低损耗是所有复合器件的发展目标。预计在21世纪IGBT、 DC-DC变换器原理 DC/DC Converter Principle 太阳电池输出的是直流电，是不是可直接作为直流电源使用呢，对于对电压没有准确要求的微、小型用电设备是可以的，如计算器、玩具等。太阳电池输出电压取决于光伏器件的连接方式与数量，并与负载大小与光照强度直接有关，不能直接作为正规电源使用。通过DC-DC变换器可以把太阳电池输出的直流电转换成稳定的不同电压的直流电输出。DC-DC变换器就是直流——直流变换器，是太阳能光伏发电系统的重要组成部分，下面就其原理作简单介绍。 DC-DC变换基本原理 直流变换电路主要工作方式是脉宽调制(PWM)工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）来改变电压。 降压斩波电路 直流斩波电路简单，是使用广泛的直流变换电路。图1左上部是一个斩波基本电路，Ud是输入的直流电压，V是开关管，UR是负载R上的电压，开关管V把输入的Ud斩成方波输出到R 上，图1右上部绿线为斩波后的输出波形，方波的周期为T，在V导通时输出电压等于Ud，导通时间为ton，在V关断时输出电压等于0，关断时间为toff，占空比D=ton/T，方波电压的平均值与占空比成正比。图1下部绿线为连续输出波形，其平均电压如红线所示。改变脉冲宽度即可改变输出电压，在时间t1 前脉冲较宽、间隔窄，平均电压（UR1）较高；在时间t1 后脉冲变窄，平均电压（UR2）降低。固定方波周期T不变，改变占空比调节输出电压就是(PWM)法，也称为定频调宽法。由于输出电压比输入电压低，称之为降压斩波电路或Buck变换器。 DC-DC电路总结 首录：名词解释 IGBT：(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 GTR：（Giant Transistor）电力晶体管也称巨型晶体管，是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。 SCR:(Silicon Controlled Rectifier)是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型。它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。 GTO:(gate turn-off thyristor)门极可断晶闸管，是一种具有自断能力的晶闸管。处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO 可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO由通态转入断态。由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。因此，GTO 是一种比较理想的大功率开关器件。 MOSFET:(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其“沟道”极性的不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常被称为N型金氧半场效晶体管（NMOSFET）与P 型金氧半场效晶体管（PMOSFET）。它的三个极分别是源极（S）、漏极（D）和栅极（G）。主要优点：热稳定性好、安全工作区大。缺点：击穿电压低，工作电流小。 LPF:(Lowest Possible Frequency）低通滤波器，顾名思义，就是让低频信号通过，阻止高频信号通过。低通滤波器一般用于去掉输入信号中不必要的高频成分，去除高频干扰。 改进型四开关DC-DC变换器控制方式 传统的四开关BUCK/B00ST变换器功率损耗较大。这里对传统变换器的控制方法进行了改进。通过输入输出电压的不同关系采用不同的工作模式以减少同时工作的开关数量。 (l)当输入远远小于输出时,开关A恒定导通,开关B恒定断开。开关C、D 通过脉宽调制进行控制,此时四开关结构简化为Boost拓扑结构。 (2)当输入输出电压基本相等时,使用上面介绍的四开关工作的拓扑结构。 (3)当输入远远大于输出时,开关D恒定导通,开关C恒定断开。开关A、B 通过脉宽调制进行控制,此时四开关结构简化为Buck拓扑结构。改进的结构实际上是改变四个开关的控制逻辑,通过输入电压的不同选用不同的结构,这样在Boost或者Buck区域同时工作的开关数量减半。虽然在过渡区同样是采用四开关控制,四个开关都是处于工作状态,但是该区域是非常小的。总的来说可以大大减小开关的驱动功耗。 如图2-11所示,当Vin 半桥式DC-DC变换器设计 【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提 高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。 本文通过对Buck变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。半桥式DC-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。 【关键词】Buck 半桥 DC-DC MATLAB 【ABSTRACT】In recent years, with the development of power electronic devices，control theory and the increasing demand of high-quality power supply, power electronics technology has aroused widely attention from scholars. Power electronics technology is used gradually in civilian industrial areas in some developed countries. With the national economic development, the various converters for different requirements are developed and the related technology is studied by scientist and scholar. In this paper, the Buck circuit structure and working principle are analyzed and a half-bridge DC-DC converter is designed. The designed converter uses closed loop control scheme and realized the function that the power form is converted from 400 V DC voltage to 5 V DC voltage. The output voltage is stable and the performance of the designed converter is ensured. Simulation study was carried out and effectiveness of the designed converter is verified by simulation results. 【Key words】Buck half-bridge DC-DC MATLAB 2015年全国大学生电子设计竞赛 双向DC-DC变换器（A题） 学号：1440720117 吕刚 2015年12月30日 摘要 本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。 在本次设计中恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。 关键字电池充放电升压降压XL4016 XL6019 STM32 目录 一、系统方案 (1) 1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 (1) 2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 (1) 3、控制方法的论证与选择 (1) 二、系统理论分析与计算 (2) 三、电路与程序设计 (3) 1、电路的设计 (3) （1）系统总体框图 (3) 2、程序的设计 (5) （1）程序功能描述与设计思路 (5) （2）程序流程图 (6) 3、程序流程图 (7) 四、测试仪器与数据分析 (7) 附录1：电路原理图 (9) 附录2：源程序 (10) 双向DC-DC变换器（A题） 【本科组】 一、系统方案 本设计主要由双向DC-DC变换电路、测控显示电路、辅助电源三部分构成，其中双向DC-DC变换电路降压部分采用XL4016开关降压型DC-DC转换芯片，最高转换效率可达93%，升压部分采用XL6019开关型升压/降压芯片，具有低纹波，输入范围广，转换效率高的特点。恒流部分采用PWM控制原理，形成一个闭环回路，控制电流恒定，恒压部分完全由硬件控制，单片机辅助控制的方式。以上部分确保系统满足题目要求，实现恒流充电，恒压放电，过压保护功能，并且有着较高的转换效率。 1、双向DC-DC变换电路的论证与选择 方案1:由降压斩波变换电路(即Buck变换电路)和升压斩波变换电路（即Boost 电路）组成双向DC-DC变换电路，分别各使用一个全控型器件VT（IGBT或MOSFET）,对输入直流电源进行斩波控制通过调整全控型器件VT的控制信号占空比来调整输出电压。 方案2：采用XL4016开关型降压芯片和XL6019开关型升压/降压芯片构成升压、降压电路具有低纹波，内助功率MOS,具有较高的输入电压范围，内置过电流保护功能与EN引脚逻辑电平关断功能。 综合以上两种方案，考虑到时间的限制，选择了比较容易实现的方案2。 2、测量控制方案和辅助电源的论证与选择 由于瑞萨单片机开发套件数量有限，所以我们选择了一款相对便宜，速度快，性价比较高的STM32103V8T6作为控制器，显示部分由于收到题目对作品重量的要求，选择了质量轻，分辨率较高的0.96寸OLED屏幕显示。由于市场上所售开关电源模块的，纹波大的因素，所以辅助电源选择了一个较小的9V变压器，进行，整流滤波作为辅助电源。 3、控制方法的论证与选择 方案1：采用PWM调节占空比的方法控制降压芯片的控制端，达到控制恒流和控制恒压的目的，采用PWM调节软件较为复杂，而且PWM调节较为缓慢，软件控制难度大。 方案2：恒压部分完全有硬件控制，硬件自身形成一个闭环控制回路，对电压进行调节使其恒定题目要求的精度范围。单片机通过光耦电路的工作与停止，恒流部分由PWM调节占空比，使其恒流。 综合以上两种方案，选择软件较为简单，硬件较为复杂的方案2。 DC-DC 升压稳压变换器设计 一、 设计任务：设计一个将12V 升高到24V 的DC-DC 变换器。在电阻负载下，要求 如下： 1、 输出电压U 0=24V 。 2、 最大输出电流I 0max =1A 。 3、 当输入U I =11~13V 变化时，电压调整率S V ≤2%（在I 0=1A 时）。 4、 当I 0从0变化到1A 时，负载调整率S I ≤5%（在U I =12V 时）。 5、 要求该变换器的在满载时的效率η≥70%。 6、 输出噪声纹波电压峰-峰值U 0PP ≤1V （在U I =12V ，U 0=24V ，I 0=1A 条件下）。 7、 要求该变换器具有过流保护功能，动作电流I 0(th)设定在1.2A 。 二、设计方案分析 1、DC-DC 升压变换器的工作原理 DC-DC 功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC 变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC 变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC 变换器的工作原理。 图1（a ）是升压式DC-DC 变换器的主电路，它主要由功率开关管VT 、储能电感L 、滤波电容C 和续流二极管VD 组成。电路的工作原理是，当控制信号V i 为高电平时，开关管VT 导通，能量从输入电源流入，储存于电感L 中，由于VT 导通时其饱和压降很小，所以二极管D 反偏而截止，此时存储在滤波电容C 中的能量释放给负载。当控制信号V i 为低电平时，开关管VT 截止，由于电感L 中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D 导通，此时存储在电感L 中的能量经二极管D 对滤波电容C 充电，同时提供给负载。电路各点的工作波形如图1（b ）。 VT D C RL L I U + _ U 0 +_ Vi Vi L i t ON T OFF T LP I LV I t t t t L i d i D i D i d i LP I LV I LP I LV I u o U 0 (a) DC-DC 变换器主电路图 (b) DC-DC 变换器各点工作波形 图1 DC-DC 升压式变换器电路及工作波形 2、DC-DC 升压变换器输入、输出电压的关系DCDC变换器的发展及应用
DC-DC变换器的设计方案
DC-DC变换器设计毕业设计
选择最佳DCDC变换器的要点及途径
六种基本DCDC变换器拓扑结构总结
DC-DC变换器学习手册
DCDC变换器的发展与应用.
DC-DC变换器原理
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关于DCDC变换器的工作原理
半桥式DC-DC变换器设计说明
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