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5KW降压型DCDC变换器的软件设计

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软件简介

 摘要
通信用燃料电池备用电源是一种新型的清洁能源,它不仅可以解决环保问题,同时改善了因为自然灾害导致电网供电中断,进而使通讯中断的难题,因此燃料电池备用电源成为各国研究的热门对象。因为燃料电池输出特性偏软和动态性能较差的特点使得其直接作为动力源并不合适,因此必须配备电力变换器来调节、控制和管理电源输出,以得到符合负载需求的稳定直流电或交流电能。鉴于燃料电池诸多显著的优点,本论文研究了一种宽范围直流输入,稳定直流输出,低成本,高效率的DC/DC变换器。
本文首先论述了燃料电池在通信行业的重大作用,阐述了选题的背景及研究意义,指出本文中作者所做的研究工作。其次,介绍了降压型DC/DC变换器的拓扑结构,分析了降压型DC/DC变换器连续工作模式和不连续工作模式的临界条件,针对连续工作模式采用状态空间平均法对降压型DC/DC变换器进行了建模分析,采用自控知识推导出理想的开环传递函数幅频特性曲线。最后根据降压型DC/DC变换器开环幅频特性曲线与理想开环幅频特性曲线的差异设计了电压控制型buck变换器和电流控制型buck变换器。在电压控制型中分别设计了单极点补偿网络和双极点-双零点补偿网络,并运用saber软件对两种补偿网络进行了仿真分析。在电流控制型中重点设计了峰值电流控制模式,分析了当占空比大于50%容易产生次谐波振荡,采用射极跟随器设计了一种结构简单,线性度好的斜坡补偿电路,最终采用UC3843完成峰值电流控制模式的设计,并运用saber软件进行了仿真分析,验证了设计的正确性和可行性。
关键词:DC/DC变换器;电压控制模式;电流控制模式;补偿网络;仿真
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
1绪论 5
1.1研究背景 5
1.2研究目的与意义 5
1.3 DC/DC变换器控制方法研究现状 6
1.4论文的主要研究内容 8
2 buck变换器主电路分析与设计 9
2.1 buck变换器拓扑结构 9
2.2 buck变换器主电路的稳态分析 10
2.2.1 连续工作模式与非连续工作模式 10
2.2.2 buck变换器主电路在CCM和DCM下的稳态分析及判据 11
2.3 buck变换器的建模 12
2.3.1 CCM模式下buck变换器状态空间平均法 13
2.4主电路参数的设计 17
2.4.1输出滤波电感的设计 17
2.4.2输出滤波电容的设计 18
2.5 buck变换器闭环系统的分析及开环稳定性分析 18
2.5.1 Buck变换器的闭环稳定性判断准则 18
2.5.2理想开环传递函数的幅频特性 20
2.6本章小结 21
3电压控制型buck变换器系统的设计 22
3.1概述 22
3.2电压型控制buck变换器的双重极点型传函及开环仿真 23
3.3补偿网络的选择 25
3.3.1单极点补偿网络的设计及仿真波形 25
3.3.2双极点-双零点补偿网络设计及仿真波形 28
3.4本章小结 32
4电流控制型buck变换器系统的设计 33
4.1概述 33
4.1.1 平均电流型控制模式结构设计 33
4.1.2 峰值电流控制模式结构设计 34
4.2峰值电流模式buck变换器系统设计 35
4.2.1 斜坡补偿电路的设计 35
4.2.2峰值电流控制模式的一阶近似模型 39
4.2.5仿真波形及比较 44
4.3本章小结 46
5总结与展望 47
参考文献 49
附录 50
致谢 52
研究目的与意义
按照采用材质的不同,燃料电池的种类很多,运用较多的是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池有个重要特点就是单片输出电压比较低,单个电池的开路电压在1.15V左右,如果带上负载,输出电压立刻被拉下来,就会下降到0.6V左右,所以实际应用中,需要将多个燃料电池串联起来组成一个燃料电池堆,从而可以提高输出电压到几十伏甚至更高电压。
图1-1为燃料电池的输出电流-电压特性曲线,由图可以看出,因为燃料电池输出特性明显偏软,并且当有多个燃料电池串联起来以后,由于不同电池的输出电压大小的不同,当输出电压累加后,其输出范围会比较宽。可见,加负载的起始阶段,燃料电池的输出电压Ufc下降较快,随着负载的增加,输出功率增大,电压继续下降,其下降的速度比一般电池要快,所以燃料电池的输出特性比普通电池相对较软,并且过大的下降速度会对燃料电池的效率造成影响。

图1-1 燃料电池电流-电压特性曲线
为了满足通信负载在不同状况下的持续运行,此时负载所需的功率是变动的,同时输出电压要相对稳定,而由于燃料电池的输出特性偏软的问题,不能满足对负载的直接供电,因此必须在燃料电池与负载之间加入DC/DC变换器,DC/DC变换器的作用将燃料电池输出的宽范围电压调制成稳定的输出电压,来使负载正常工作。
燃料电池调节器一定要采用DC/DC变换器,主要有以下原因[2]:
(1)燃料电池的输出特性偏软,当它处在工作状态时,随着负载的波动,燃料电池的输出电压波动范围也很大,必须要经过DC/DC变换器改善燃料电池的软特性,经过DC/DC变换器后,不仅可以使燃料电池输出电压稳定,还可以通过变换器,得到实验所需要的电压或电流等级。
(2)单独的燃料电池不能实现能量控制,通过DC/DC变换器可以达到这一要求,可以很好的控制燃料电池、负载与蓄电池之间的能量流动。
为了充分利用燃料电池的燃料,燃料电池变换器必须有一个较宽的效率特性,为了获得高效率的燃料电池转换器,因此研究低压直流输入、低成本、高效率的DC/DC变换器有着十分重要的意义。
论文的主要研究内容
本文的主要工作是探讨了一款大功率降压型DC/DC变换器的建模方法和控制策略,并为其设计所需要的反馈环电路,所涉及的反馈电路主要包括以下两部分:电压控制型和电流控制型,其中电流控制型包括平均电流控制型和峰值电流控制型。在分析其工作原理的基础上对电路的整体性能和子电路的性能参数进行了分析和仿真。
论文的主要研究内容:
(1)buck变换器分析
分析降压型DC/DC变换器的拓扑结构和工作原理,熟悉开关变换器的各种建模方法,利用状态空间平均法建立buck变换器的数学模型。分析其连续与断续工作模式工作特点,确定主电路参数。
(2)Buck变换器电压控制反馈补偿网络设计
用saber软件仿真出控制对象的开环频率特性曲线,对比理想开环传递函数的幅频特性曲线设计电压控制模式,设计其参数并通过saber软件仿真实现,对仿真后的波形进行分析,并根据波形说明反馈环参数的可行性。
(3)buck变换器峰值电流控制反馈补偿网络设计
首先设计电流内环,再讲内环与控制对象等效为新的功率级,对新的功率级进行开环仿真,对照理想开环传递函数设计电压外环,最后用是saber软件仿真实现,并根据波形说明反馈环参数的可行性。
(4)两种控制方法的比较。

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