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数字型Buck/Boost双向DC—DC变换器的设计研究
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  • 用途:硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
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  • 论文编号:el2021080815363922642
  • 日期:2021-08-09
  • 来源:上海论文网
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本文是电力论文,(2)基于电路拓扑以及控制方法的选择,设计硬件系统的总体框架,并根据设计要求计算电路参数,选择合适的电子器件,设计合理的驱动电路、采样调理电路以及电源电路。(3)为了实现对电路的数字控制,首先对双向DC-DC变换器进行建模,设计其补偿环路并离散化,在DSP开发板上对所要使用的模块进行配置,编写程序。(4)制作实物电路版,将程序载入DSP中以实现DSP对电路板的控制。结果证明了应用双向DC-DC变换器代替两个单向变换器,能够稳定的进行工作模式的切换,提高了电路的经济性以及运行的稳定性。同时当电路工作在Boost模式时,可以实现92.6%的工作效率,达到了开关电源的标准设计要求,采用DSP对电路进行数字控制,可方便地实现变换器控制模式的转换,同时在工作场合转变时也更容易设置不同的工作条件,使电路容易运行与维护。本文的主要研究内容为设计双向DC-DC变换器的主电路与控制电路,选择合适的控制策略,采用数字控制方法对电路进行控制。相较于传统模拟控制单向DC-DC变换器,该电路实现了能量的双向传输,在功能上相当于两个单向DC-DC变换器,减少了器件数量,缩小了装置体积和重量,提高了系统效率,同时采用了数字控制,可以方便地实现对变换器的控制模式转换,容易运行与维护。
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第一章绪论

 

具体章节安排如下:第一章主要介绍双向DC-DC变换器的研究背景及意义,简要概括双向DC-DC变换器的研究概况以及发展方向。简单介绍微电网在实际生活中的应用价值,储能系统在微电网中重要作用以及在本次电路设计中将要作为储能装置使用的锂电池组的充放电原理。第二章介绍了双向DC-DC变换器拓扑结构的常用分类方法,并对各种双向DC-DC变换器拓扑结构的工作原理与适用场合进行简要概括,针对变换器的工作场合选用合适的拓扑结构,理解变换器的主流控制策略并根据锂电池充放电的特点选择最优控制策略。第三章即根据选择好的变换器拓扑,对其进行硬件电路的设计。首先根据电路将要实现的功能画出电路设计的总体框图,再设计框图中各部分的电路并选择合适的元器件,计算相关参数。同时进行了环路补偿电路的设计以及相关参数的计算,对主电路拓扑进行建模得到它的传递函数,再对比各种补偿环路的优缺点,选择最合适的补偿环路配置合适的零极点设计出用于Boost模式的电压环,Buck模式的电流环、电压双环,在matlab中画出补偿后的bode图,验证了环路补偿的正确性,最终将设计的环路参数离散化,为第五章软件系统的设计奠定了基础。第四章主要是对双向DC-DC变换器的软件控制程序进行设计,首先选择合适的电路控制策略与DSP采样策略,分别对DSP中ADC模块、PWM模块、SCI模块相关寄存器进行配置,最后根据第四章补偿环路的设计编写合适的主程序。第五章主要是将编写的程序载入DSP中并制作实物电路板,将两者相连,对所设计的电路进行调试与试验分析。验证了电路设计与程序编写的合理性。第六章进行全文的总结,并提出需要进一步开展的工作。

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第二章双向DC-DC变换器拓扑结构选择及控制策略

 

2.1双向DC-DC变换器的拓扑结构及其工作原理
在实际应用中,双向DC-DC变换器具有多种种类,除了上文中所介绍的几种基本拓扑之外,还可以将这几种拓扑经过各种组合,根据组合的拓扑种类、组合的方式以及组合的拓扑数量不同,又可以衍生出多种双向DC-DC变换器,对于上文中介绍的几种基本拓扑,其两端电压极性不变,只有电流的流向可以发生变化,因此其功率的流向可以是双向变换的。而由基本拓扑衍生出来的各种双向DC-DC变换器,均可以在四个象限内稳定运行[27],在第一象限内运行,即输出电压为正,电流由电源侧向负载侧流动;在第二象限内运行,即输出电压为正,电流由负载侧向电源侧流动;在第三象限内运行,即输出电压为负且电流由负载侧向电源侧流动;在第四象限内运行,即输出电压为负,同时电流从电源侧向负载侧流动。对比介绍了常用的几种控制策略,简要分析其工作原理与特点。根据本次设计电路所要实现的功能,选择合适的控制策略。为后序进一步深入研究双向DC-DC变换器的拓扑电路和控制方法奠定基础。谐波失真很小且对噪声不敏感,原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流。本章介绍双向DC-DC变换器的各种分类方法与基本拓扑结构,详细论述了各种拓扑电路的工作原理和适用场合。
电力论文范文
双向DC-DC变换器拓扑结构分类示意图

 

2.2双向DC-DC变换器的控制策略
与电流型控制模式的不同的是,电压控制模式只需采样电路中的输出电压。将采得的电压信号与设定的基准值进行比较并通过环路补偿网络传入PWM比较器中与锯齿波相比较产生具有一定占空比的PWM脉冲,从而来控制变换器电路中的开关管的通断。这种模式一般在只需要控制电压稳定的场合中使用。电路简单,易于设计以及控制。电压型控制模式示意图如图2-17所示。电流控制模式具有两个控制环路,即电流内环与电压外环,顾名思义,这个控制模式可以控制电流以及电压两个参数的稳定性。该模式包含三种控制方法:电流峰值控制法、电流滞环控制法、平均电流控制法。这几种方法的工作原理相类似,即先通过采样器采样电路中的电压与电流信号,将采得的电压信号送入电压误差放大器中与电压基准值相比较再经环路补偿得到误差信号,将其与经补偿后的电流信号同时送入PWM比较器中以得到一路PWM脉冲,通过驱动电路得到两路PWM控制脉冲从而驱动电路的开关管。由于本次设计的环路控制是用于电池的充电,故将分布式发电装置等效为电源,电池等效为负载分别介绍这三种控制方法的特点与原理。采用平均电流控制法的双向Buck/Boost变换器结构如图2-20。这种控制方法用于开关电源中形成的电流环,以调节电流大小,后来也常用于功率因数校正作用。工作原理与前述相似,特点是电感电流的峰值与高频电流的平均值之间误差很小。
电力论文格式
电压控制双向DC-DC变换器

 

第三章双向DC-DC变换器的硬件设计及环路补偿................................................22
3.1总体框架设计...................................................................................................22
3.2主电路硬件设计...............................................................................................23
3.3驱动电路设计...................................................................................................26
3.4采样调理电路的设计.......................................................................................27
3.5电源电路的设计...............................................................................................32
3.6补偿环路设计...................................................................................................33
第四章双向DC-DC变换器软件系统设计.................................................................52
4.1软件系统设计的准备.......................................................................................52
4.2ADC采样程序设计.........................................................................................56
4.3PWM程序设计................................................................................................57
第五章实验验证与结果分析...............................................................63
5.1实验电路...........................................................................................................63
5.2实验波形与分析...............................................................................................64
5.3本章小结...........................................................................................................70

 

第五章实验验证与结果分析

 

5.1实验电路
本章利用实际电路对所设计的双向DC-DC变换器进行实验验证,依据电路中功率的大小使用合适的线径与线距,并根据电磁兼容原理对板子上的元器件进行合适的布局与布线,最终做成实物电路板,并将程序载入DSP中上电调试,测量相关参数,验证设计的合理性。本文以应用于微电网储能系统中的双向DC-DC变换器为研究对象,首先介绍了双向DC-DC变换器的研究背景与研究现状,分析了双向DC-DC变换器的各种拓扑结构以及工作原理,选择双向Buck/Boost拓扑进行变换器设计研究,并根据电路设计要求进行电路参数计算及外围硬件电路的设计。为了使变换器电路的功率流向控制符合储能系统中锂电池的充放电要求,文中应用状态空间平均法对双向DC-DC变换器进行小信号建模和环路补偿,并应用Matlab软件对设计的环路补偿结果进行仿真分析,验证了系统设计的稳定性。其次,应用DSP芯片TMS320F28335对变换器进行数字控制,选择合适的采样频率与采样方式进行了软件程序的编写,分别编写ADC、PWM、SCI模块的程序,同时将控制环路的参数离散化对电路进行数字控制,使其能够满足锂电池充电时的电流和电压特征需求。本文研制了基于TMS320F28335控制的实验电路,对设计方案进行了实验验证,通过对实验数据的分析,验证了理论分析、环路仿真与数字控制策略的合理性,为进一步开发和研究高效的数字型双向直流斩波电路提供了研究基础。

 

5.2实验波形与分析
根据电路的工作原理以及控制方法,检测DSP输出的两路互补脉冲,其信号波形如图5-4。可以看出,DSP两路输出脉冲的电压信号波形互补,电压幅值接近3.3V,开关频率100kHz,能够输出正确的驱动方波,符合电路设计要求。图5-6所示为Buck模式电池预处理涓流充电阶段波形图,其中CH1为DSP输出脉冲波形;CH2为电池端电流波形图,从图中可以读出,采样电阻采得的值为40mV,设计采用的采样电阻为0.2,故可计算得到电池端电流为0.2A,与理论值完全一致。图5-7所示为Buck模式电池恒流充电阶段波形图,其中CH1为上管驱动对地电压波形,CH2为恒流充电时采样电阻采得的电感电流波形,可看出在占空比约为50%时,电路稳定,电感电流在2A平均值附近波动。图5-10所示为Buck模式电池由预充电阶段过渡到恒流充电阶段的波形图。其中CH1为DSP输出的PWM驱动脉冲,CH2为采样电阻采得的电池端充电电流值,从图中可以看出,在电池的预充电阶段结束之后,电池端电流从0.2A跳变到2A,电路能够稳定快速地过渡到恒流充电模式。双向DC-DC变换器的使用,简化了电路结构,节省了硬件成本,提高了使用经济性。在未来电力系统的稳定运行、电动汽车的发展、资源的节约利用、国家的经济可持续性发展等各方面中具有极大的应用潜力。

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第六章结论与展望

 

随着电力电子技术的发展,对电路的模拟控制已经难以满足各种场合的需要,数字控制因具有容易更新,容易维护,运行稳定等优点在各种应用场合中得到广泛的应用。虽然取得了一些成果,但由于本人的时间以及学识有限,课题中还有部分工作需要在今后能够不断的完善,主要体现在以下几个方面:本章介绍了系统测试所用的实验平台,对试验电路板各种工作模式下输入和输出端电压、电流信号,以及电感电流波形,与理论计算值完全一致,验证了系统设计的可行性。电路具有较高的工作效率与较好的动态响应特性,在微电网储能系统中能够具有良好的运行稳定性。(1)在检测电池的电量时使用了比较直观的监控电池两端电压法,简单易行,缺点在于不能够十分精确的反应锂电池的内部电量,后续改进可以从这个角度对控制程序进行修改,测试锂电池的SOC得到电池剩余电量,从而更精确的控制电路的工作模式。(2)在电路的设计中,使用的电感为购买的成品电感,并没有计算相关的参数,选择合适的磁芯与导体,这样做出的实物电路板的损耗较大,若能够在后续的研究中计算相关参数,设计合适的磁性元件,这样就能减少电路运行过程中的损耗,提升电路的效率。
参考文献(略)