双向直流变换器的设计仿真研究.doc

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1、摘 要双向DC/DC变换器正逐步被使用在各种能量系统中,包括混合动力车、燃料电池系统、可再生能源系统等。电动汽车近年来发展迅速，但电动车的动力性能仍是制约电动车发展的重要因素。双向DC/DC变换器可以优化电动车的控制及提高电动车的效率和性能。本论文针对双向DC/DC变换器在电动车上的应用，对双向DC/DC变换器进行研究。通过查阅国内外的论文，然后对变换器进行分析研究。论文先从单向DC/DC变换器的拓扑进行分析，通过分析比较四种不隔离双向直流变换器。最后选择双向半桥DC/DC变换器作为分析研究的拓扑结构。论文分析了双向半桥变换器不同的工作的模式。根据变换器的设计要求，通过理论计算出各个器件的参数

2、。使用MATLAB/Simulink进行仿真，将仿真结果与理论计算进行比较会发现仿真证明了理论计算的正确性。论文最后分析了变换器的损耗和效率，就怎样提高效率和计算损耗提出了些方法和途径。关键词：双向 直流/直流 变换器 拓扑 损耗 效率 AbstractBidirectional DC/DC converter is gradually being used in a variety of energy in the system, including hybrid cars, fuel cell systems, renewable energy systems. Electric vehi

3、cle development rapidly in recent years, but still the dynamic performance of electric vehicles is an important factor restricting the development of electric vehicles. Optimal control of electric vehicles can be bi-directional DC/DC converter and improve the efficiency and performance of electric v

4、ehicle.In this paper, the application of bi-directional DC/DC converter in the electric vehicle, conducts the research to the bidirectional DC/DC converter. Through access to domestic and foreign papers, and then to the converter analysis. The paper first carries on the analysis from the topology of

5、 unidirectional DC/DC converter, through the analysis and comparison of four kinds of non isolated bi-directional DC / DC converter. Finally select the half bridge DC/DC converter as topological structure analysis. This paper analyzes the different half bridge converter work mode. According to the d

6、esign requirement of converter, calculated by the theoretical parameters of each device. Using MATLAB/Simulink simulation, the simulation results and theoretical calculations are compared will find the simulation proves the correctness of the theoretical calculation. At the end of the paper analyzes

7、 the loss and efficiency, puts forward some methods and ways of how to improve the efficiency and loss calculation.Key word: bidirectional dc / dc converter topology loss efficiency 目 录摘要IAbstractII绪论11 双向DC/DC变换器的介绍41.1 双向DC/DC变换器的实际运用41.2 常见的关于双向DC/DC变换器的控制41.3 双向DC/DC变换器的电路拓扑51.4 本章小结72 双向DC/DC变换

8、器的模型及其参数设置82.1 双向半桥变换器的拓扑分析82.2 双向半桥电路参数设置102.3 本章小结103 双向DC/DC变换器的仿真113.1 MATLAB/Simulink软件的介绍113.2 建立仿真模型123.3 仿真系统的参数设置133.4 仿真结果及分析143.5 本章小结184 双向DC/DC变换器的损耗与效率194.1 双向DC/DC变换器的主要损耗分析194.2 变换器的主要损耗194.3 本章小结21结论22致谢23参考文献24绪 论（1） 双向DC/DC变换器的概念双向DC/DC变换器是DC/DC变换器的双象限运行。它的输入,输出电压极性不变，输入，输出电流的方向可以

9、改变。变换器的输出状态可以在V-I的第一，二象限内变换，即双向DC/DC变换器实现了能量的双向传输1。从基本的变换器拓扑上看，用双向开关代替单向开关就可以实现能量的双向流动。双向DC/DC变换器可以实现能量的双向流动，在功能上相当于2个单向DC/DC变换器，是比较典型的“一机两用”设备。在需要能量双向流动的应用场合可以很大幅度减轻系统的体积与重量及成本，这是极具研究价值的1。(2) 双向DC/DC变换器的应用场合当在一个系统中的直流电源间需要能量的双向流动，此时这些场合都需要双向DC/DC变换器。例如燃料电池系统、可再生能源系统、不停电电源系统、直流电机驱动系统、航空航天电源系统、电动汽车系统

10、等各种系统中都有其应用的场合。实际上一些这样的系统已经走进了我们的生活中，例如具有双向功能的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电机能量通过变换器返回电源。(3) 双向DC/DC变换器的现状 20世纪80年代初，为了减轻人造卫星的太阳能电源系统的重量与体积，美国学者提出Buck/Boost型双向DC/DC变换器代替蓄电池的充电器和放电器，实现汇流条的电压的稳定2。此后，发表大量文章对人造卫星用蓄电池调节器进行了深入研究，

11、并使之进入实用阶段。1994年F.Caricchi等研制成功电动车驱动用20KW水冷式双向直流变换器。同时香港大学陈清泉教授也开展了电动车用双向直流变换器的研究和试验工作。1998年美国弗吉尼亚大学李泽元教授开始从事与燃料电池配套的双向直流变换器的研究。可见，航天电源和电动车辆的需求是直流双向变换器的发展动力，而开关直流变换器技术的发展为双向直流变换器的发展奠定了技术基础。 双向直流变换器和电力电子变换器一样，基本要求是相同的。对电力电子变换器和开关电源的基本要求是：高的工作可靠性、低的生产和使用费用、好的维修性、小的体积或重量和优良的电气性能3。 可靠性是最主要的要求，它是衡量成功率的尺度，

12、通常以平均故障间隔时间MTBF来表示，也可用平均故障间隔时间倒数故障率，即每一千工作小时的故障次数表示。高的可靠性来自良好的设计、认真的制造、全面的检查、合理的使用、准确的安装和正确的维修。 生产与使用费用是衡量变换器的第二个重要标准，也是提高产品竞争力的主要因素，因尽量在满足产品技术要求的前提下减少生产和使用费用。必须注意到电力电子技术正在蓬勃发展，新器件、成件、材料、电路拓扑、结构工艺不断更新，电力电子产品也必须不断更新，发展新产品同样是提高竞争力的因素。维修好坏是衡量电力电子产品的第三个重要因素。从现有市场来看，电力电子产品有两类：一类是小功率模块，另一类是中大功率装置。小功率是免维护的

13、它主要是提高平均故障时间间隔。对中大功率的变换装置，是对装置的各个部件进行运行前的初始自检和运行自检，随时发现故障和指示故障部位，并采用插件结构，以提高维修性。减小体积和重量是航天设备的基本要求，因为内部设备重量的减小和航天器的性能提高是分不开的。精心的设计是减小体积和重量的基础，必须充分发挥产品各部分的材料、成件和部件的电、磁、热力和机械性能。电力电子变换器的电气性能包括对供电电源的适应性、输出电能质量、电能转化效率和电磁兼容性的方面。电力电子变换器是一种电能变换器，将一种电能转换成另一种或多种质量更高或按要求变化的电能，它应能在供电电源不正常条件下输出高质量电能，在供电电源故障排除后仍能正

14、常工作。提高电能转换效率是电力电子变换器技术永恒的课题。从以上对电力电子变换器的五个基本要求出发，可以归纳出电力电子变换器的发展方向，即提高功率密度、提高效率、减小污染和模块化结构。(4) 研究双向DC/DC变换器的意义双向直流变换器是典型的一机两用设备，有很重要的研究价值。目前针对双向直流变换器的研究主要在两个方面：一方面是电路的拓扑，另一方面是电路的控制。目前研究的常见的几种拓扑结构存在下面一些缺陷：（1） 隔离型双向直流变换器因为含有隔离型Boost存在开关管电压尖峰问题4；（2） 移相式双向直流变换器通过变压器的漏感传递能量，存在环流大的问题；（3） 反激式双向直流变换器通过耦合电感传

15、递能量，传输功率等级受到限制；（4） Cuk和Sepic/Zeta型直流双向变换器由于电路拓扑结构复杂，能量传输复杂，实际应用很少。所以，研究直流双向变换器的拓扑结构，提出各种场合相适应的拓扑结构有很重要的意义。在控制功率流向时，控制模型也很重要。因此，在不同的场合运用不同的控制模型，也是直流双向变换器的研究方向。1 双向DC/DC变换器的介绍1.1 双向DC/DC变换器的实际运用双向DC/DC变换器在电动汽车上的应用是比较典型，在电动汽车中电动机是有源负载，在不同的指令和路段中电动机可以是电动状态，也可以是发电机。即它可以从电源那吸收电能转化为机械能输出，也可以将机械能转化为电能储存起来。由

16、于电动机的调速范围比较宽，电动车运行时的加速、减速、制动等这使得电动车的蓄电池的电压变化比较大，如果让蓄电池直接与电机相连在一起会使得电动机的驱动性能恶化。当使用双向直流变化器时可以将蓄电池的电压维持在一个比较稳定的电压值，从而提高电动机的驱动水平。从另一个角度说，双向直流变换器可以将电动机制动的机械能转化为电能存储起来。这从能源利用上来说是非常好的，它可以节约许多能源，提高了能源利用率。由于双向DC/DC变换器有以上优点，这使得在电动车中的到广泛的应用。当电动车制动或者下坡时，能量将通过逆变器和双向DC/DC变换器给超级电容充电，于此同时蓄电池也会的汇流母线提供的充电电能。如图1-1所示电动

17、车能量系统。图1-1 电动车能量系统1.2 常见的关于双向DC/DC变换器的控制以往的双向DC/DC变换器的控制方法为模拟控制法，它的优点是简单但是它不能保证系统大信号的稳定性。随着双向DC/DC变换器的发展，研究学者们提出了一些数字控制方法。其中数字控制和传统的模拟控制性比有以下一些优点：（1） 能进行复杂的非线性控制，提高了系统的控制性能。（2） 抗干扰能力很强。（3） 灵活性高。在各种数字控制方法中，其中PID控制是比较完善的同时应用也是最广的。因为PID算法中，比例环节减小了稳态误差，微分环节增加了稳定性，积分环节提高了无差度。所以PID控制应用广泛5。1.3 双向DC/DC变换器的电

18、路拓扑1.3.1 单向DC/DC变换器拓扑单向DC/DC变换器可以按照输出与输入是否有电气隔离分为：无隔离的直流变换器和隔离的直流变换器6。分别如下图1-2，1-3所示。图1-2 无隔离的Boost变换器图1-3 隔离的半桥变换器从上图中可以看出图1-3结构复杂元器件多，而图1-2相比较而言结构简单所用元器件少，综合各方面的因素本设计用不隔离结构。1.3.2 双向DC/DC变换器的拓扑在已有的单向DC/DC变换器基础上通过元器件的串并联来实现能量的双向流动，构成双向DC/DC变换器。如下图1-4,1-5,1-6,1-7有四种拓扑的双向直流变换器。图1-4 双向Buck/Boost变换器图1-5

19、 双向半桥变换器 图1-6 双向Cuk变换器 图1-7 双向Sepic变换器图1-4,1-5,1-6,1-7中的IGBT S1，S2不能同时导通。正向工作时S1导通，反向工作时S2导通7。1.4 本章小结本章刚开始就说明了双向DC/DC变换器设计的要求，通过对隔离型变换器和不隔离变换器的比较分析，综合各方面因素决定选择不隔离直流变换器。然后又提出了四种不隔离的直流双向变换器的拓扑，通过分析，比较最终选择了双向半桥变换器。2 双向DC/DC变换器的模型及其参数设置2.1 双向半桥变换器的拓扑分析双向半桥拓扑如下图2-1所示，蓄电池向电动机供电时，此时可将双向DC/DC变换器看成升压变压器。当电动

20、机制动时，双向DC/DC变换器可以看做是降压变压器可以将稳定的电压给蓄电池充电。图2-1 双向半桥变换器在正常工作中，双向半桥变换器中的两个功率器件，在同一时刻只有一个在工作。当变换器工作在升压模式时，S1工作，S2截止；当工作在降压模式时，S2工作，S1截止。为了保证正常工作，驱动信号必须保证在一个开关关断后，另一个才导通。2.1.1 升压变换器模式在升压变换器模式下，开关S1工作在恒定的开关频率，处在PWM工作方式下。工作电路如下图2-2所示。图2-2 a） S1导通 图2-2 b） S1截止当S1导通时，蓄电池电压U全部加到电感L上，电感充电储能。二极管D1截止，负载由C2供电。当S1关

21、断时，电感能量通过二极管D1向输出侧流动，此时电感和蓄电池的能量向C2转移，即给电容C2充电。通过调整S1的占空比就能改变输出电压的大小8。2.1.2 降压变换器模型在降压变换器模式下，开关S2工作在恒定的开关频率，处在PWM工作方式下。工作电路如下图2-3所示。图2-3 a） S2导通 图2-3 b） S2截止当S2导通时，输出电压U0加到电感L和电容C1上，此时二极管D2截止。电动机将机械能转化为电能给电感L和蓄电池充电。通过控制S2的占空比，来调整电压Ui和电流iL的大小。2.2 双向半桥电路参数设置2.2.1 开关器件的开关频率开关器件开关频率的选择依据：（1） 开关器件的频率f提高，

22、可以减小变换器的体积与重量。（2） 开关器件的频率f提高，变换器的损耗增加，散热也增加。（3） 常见IGBT的开关频率是20KHz。（4） 开关器件的频率f提高，可以减低噪声。综合考虑以上因素所以选择IGBT的实际开关频率20KHz。2.2.2 储能电感的设置电感的计算式： 根据要求就算结果如下： 2.2.3 输出，输入电容的计算值电容： 根据要求代入数据计算可得： 考虑到实际应用的问题最终选择10002.2.4 功率开关的选择电压额定值：为了保护功率开关器件，其额定电压应为所承受最高电压的2倍。电流额定值：由于开关元件电流的峰值发生在开关关断和导通时，为了保证开关正常工作额定电流应为流过开关

23、电流的2.5倍。反并联二极管：其额定电压与电流和功率开关一样。2.3 本章小结本章主要是对双向半桥的运行进行了分析，然后根据具体的要求对双向半桥的元器件参数进行了计算，最后确定了元器件的参数。3 双向DC/DC变换器的仿真3.1 MATLAB/Simulink软件的介绍随着计算机技术的发展，计算机的性能不断地提高从而使得计算机仿真技术的以发展。现在计算机仿真已经成为我们分析问题和研究问题的重要工具。它利用计算机软件画出所要分析的电路原理图，然后利用计算机原理图编辑器将原理图转化为行对应的程序再通过计算。最后将所得结果直观的表现出来。研究人员通过计算结果来分析所设计的电路的问题。计算机仿真取代了

24、繁琐的人工计算，将人们从计算劳动中解放出来。计算机性能的提高，这使得计算机仿真分析的速度加快，分析精度得到提高，同时分析的广度也得到了拓展。有些在实验室中无法测得数据，在仿真中可以很容易的获得。计算机仿真的这些优点可以使研究项目的资金减少，周期缩短，产品的质量也得到提高。MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进

25、行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极

26、大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，其建模较一般程序建模直观，操作较为简单，不用死记各种参数及命令的使用方法，只需用鼠标就能完成非常复杂的工作，广泛应用于线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink不但功能强大、应用广泛，而且还是一个开放性系统，用户可以自己可以开发模块来增强Simulink的功能。对于同一个系统模型，利用Simulink可以采用多个采样速率。它不但能够实时的显示计算结

27、果，还能够显示模型所表示实物的实际运动形式。Simulink中有电力系统的模块SimPowerSystems，这个模块在电力系统仿真中体现出了很大的优越性。SimPowerSystems它采用的是变步长的积分算法，可以对刚性，非线性和连续性进行很精确的仿真9。所以SimPowerSystems是对电路及电力电子装置进行仿真的有效工具。SimPowerSystems与MATLAB和Simulink相兼容的，可以采用Simulink中的模块搭建控制系统模型10。3.2 建立仿真模型根据双向半桥电路拓扑可以建立如图3-1的仿真模型。图3-1 双向半桥仿真为了实现电力驱动和电力系统的仿真，SimPow

28、erSystem提供了以下七类模块，其中包含：联接模块、电动机、电源、线性和非线性，电力电子及测量模块等。图12仿真模型中取自电力电子模块的有二极管和IGBT，取自电源模块的是直流电源，而电阻、电容、电感则取自无源元件模块，其中电压测量模块与电流的测量模块取自测量模块11。用于测量电路中的电气元器件与支路的电压和电流的瞬时值得是电压测量模块，电流测量模块。而其中输出的信号是Simulink信号。所以，测量模块可以作为SimPowerSystem与Simulink的接口信号。因此，输出信号可以被其他的Simulink模块使用。通过电压测量模块与电流测量模块可以的到经过变换器输出的电压信号和电感的

29、电流信号。将测得信号输入Controller子系统模块,Controller模块根据输入的信号计算得到开关元件IGBT的占空比信号。Controller的控制模型如下图3-2所示。图3-2 子系统控制模型Controller子系统是一个双闭环控制的系统，子系统的外环是电压反馈控制环，根据采样所得电压值与给定的电压值相减所得差值，输入PI环节中进行电压差值的PI运算，输出可以得到电感的电流给定信号。子系统的内环则是电流反馈控制环，根据采样的到的电感电流值与电感电流的给定值相减所的差值，输入PI环节中进行电流差值的PI运算，输出的到开关元件IGBT的占空比信号。3.3 仿真系统的参数设置仿真系统中

30、的参数设置可以参照上一章通过理论计算得到的元件的参数来进行设置。在模块SimPowerSystem中的半导体器件都是非线性电流源，它们需要通过端点之间的电压来驱动，也不能直接与其他半导体模型或其他电流支路串联。必须的有一个节点来为电流源的支路提供一个瞬时电流差流动的回路。所以，这些器件需要与缓冲的电路并联来完成这一要求。在模块SimPowerSystem中含有单个的半导体元件例如IGBT的电路是不能够离散化的。为了能够对这些电路进行仿真，我们必须选择一个合理的积分算法来进行仿真。通过对几种算法在仿真中的运用和比较，另外从仿真精确度和仿真时间上的考虑，我们最终选择了Ode23tb这是一种变步长的

31、刚性积分算法。在仿真设计中IGBT的开关频率是20KHz,也就是一个开关的周期是50us。为了能够的到元件在仿真中的电流和电压波形，所以仿真中的步长设置为1us。仿真系统中的其他参数可以不用设置保留为系统的默认参数即可。3.4 仿真结果及分析3.4.4 双向DC/DC变换器正向工作的仿真结果及分析（1）电感元件的电流，电压波形双向直流变换器正向工作时，电感元器件所承受的电流，电压波形如下图3-3所示。图3-3 a） 电感电流波形 图3-3 b） 电感电压波形从上图3-3可以看出开关元件导通时，电感承受的电压是正向的电源电压，而电感的电流则是以恒定的速率上升；当开关元件关断时，电感承受的电压是输

32、出的电压与输入的电压差值的反向电压，于此同时电感的电流是不变的速率下降。由于电感的变换特性可知当电感两端的电压以同样的变换速率改变时电感的电流变换速率也是一样的。因此，仿真实验中电感电流的上升速率和下降速率是一样的。（2）IGBT的电流，电压波形在仿真试验中IGBT的电流，电压波形如下图3-4所示。图3-4 a） IGBT电流波形 图3-4 b） IGBT电压波形从上图3-4可以看出开关元件导通时，元器件IGBT的两端压降近视为零，电感的电流流过IGBT，所以IGBT的电流通电感电流一样以恒定的速率上升；当开关元件关断时，IGBT所承受的电压是输出电压，而电感电流通过二极管续流，所以流过IGB

33、T的电流为零。（3）二极管的电流，电压波形在仿真试验中二极管所承受的电流，电压波形如下图3-5所示。图3-5 a） 二极管电流波形 图3-5 b） 二极管电压波形从上图3-5可以看出开关元件导通时，二极管由于承受的是反向的输出电压而关断，所以流过二极管的电流为零；当开关元器件关断的时，由于电感的电流经过二极管续流，所以二极管的电流和电感电流一样以恒定的速率下降，二极管的管压降为零。（4）变换器的输出电流，输出电压的波形在仿真实验中变换的输出电流，输出电压的波形如下图3-6所示。图3-6 a） 输出电流波形 图3-6 b） 输出电压波形从上图3-6中可以看出当开关元器件导通时，负载的电压是由输出

34、电容提供的，又因为输出电容的电压下降，所以输出的电压与输出的电流都下降；当开关元器件关断时，输入电源与电感同时向负载和输出电容供电，所以输出电容的电压升高，输出的电流和输出的电压都上升。由于电容具有的滤波作用，输出的电压与输出的电流波动比较小即纹波小。3.4.2 双向DC/DC变换器反向工作的仿真结果及分析（1）电感元件的电流，电压波形双向直流变换器正向工作时，电感元器件所承受的电流，电压波形如下图3-7所示。图3-7 a） 电感电流波形 图3-7 b） 电感电压波形从上图3-7可以看出开关元件导通时，电感承受的电压是反向的电源电压，而电感的电流则是以恒定的速率下降；当开关元件关断时，电感承受

35、的电压是输出的电压与输入的电压差值的正向电压，于此同时电感的电流是不变的速率上升。由于电感的变换特性可知当电感两端的电压以同样的变换速率改变时电感的电流变换速率也是一样的。因此，仿真实验中电感电流的上升速率和下降速率是一样的。（2）IGBT的电流，电压波形在仿真试验中IGBT的电流，电压波形如下图3-8所示。图3-8 a） IGBT电流波形 图3-8 b） IGBT电压波形从上图3-8可以看出开关元件导通时，元器件IGBT的两端压降近视为零，电感的电流流过IGBT，所以IGBT的电流通电感电流一样以恒定的速率上升；当开关元件关断时，IGBT所承受的电压是输出电压，而电感电流通过二极管续流，所以

36、流过IGBT的电流为零。（3）二极管的电流，电压波形在仿真试验中二极管所承受的电流，电压波形如下图3-9所示。图3-9 a） 二极管电流波形 图3-9 b） 二极管电压波形从上图3-9可以看出开关元件导通时，二极管由于承受的是反向的输出电压而关断，所以流过二极管的电流为零；当开关元器件关断的时，由于电感的电流经过二极管续流，所以二极管的电流和电感电流一样以恒定的速率下降，二极管的管压降为零。（4）变换器的输出电流，输出电压的波形在仿真实验中变换的输出电流，输出电压的波形如下图3-10所示。图3-10 a） 输出电流波形 图3-10 b） 输出电压波形从上图3-10中可以看出当开关元器件导通时，

37、负载的电压是由输出电容提供的，又因为输出电容的电压下降，所以输出的电压与输出的电流都下降；当开关元器件关断时，输入电源与电感同时向负载和输出电容供电，所以输出电容的电压升高，输出的电流和输出的电压都上升。由于电容具有的滤波作用，输出的电压与输出的电流波动比较小即纹波小。我们通过仿真结果的分析，然后将我们计算所得的理论值与仿真结果相比较可以看出，仿真与理论分析是相吻合的。这从侧面说明理论计算是正确的。从中我们可以体会到仿真的重要性，它对理论分析起到的重要辅助作用。它是我们分析问题的重要工具。3.5 本章小结通过前面几章结的理论分析与计算，我们从中理解了双向直流变换器的工作原理。同时也对双向直流变

38、换器的参数进行了科学的设置，但这些都是理论与实际值是否一致还有待考证。这时怎样检验理论的正确性是我们所关心的问题。在以往我们通常是将所研究的东西做成实物来检验理论的正确性，这种方法耗费大量的人力，物力和财力可操作性不强。往往改变一个参数相当的麻烦。当运用了MATLAB/Simulink仿真时这将研究的问题变得很简单，我们只需动一下鼠标设置一下参数就可以实现对结果的验证。本章就运用了MATLAB/Simulink建立了双向直流变换器的仿真模型，对直流双向变换器的正向工作与反向工作过程进行了仿真研究，仿真的实验结果证明了此前的理论分析计算是正确的。4 双向DC/DC变换器的损耗与效率4.1 双向D

39、C/DC变换器的主要损耗分析为了提高双向DC/DC变换器的转化效率，首先要分析损耗发生的位置还要粗略的计算损耗的大小。双向DC/DC变换器的损耗主要有三个方面：电阻损耗，导通损耗和开关损耗。这些损耗通常会在开关器件上同时出现。4.2 变换器的主要损耗4.2.1 开关元器件IGBT的损耗开关元器件IGBT的功率损耗是变换器内部的主要损耗之一。IGBT的损耗可以分为两个部分：开关损耗与导通损耗。开关损耗是指IGBT工作状态转变时的损耗；导通损耗是指IGBT到通过后并且工作在稳定状态时的损耗。在工作过程中IGBT的电压与电流波形如下图4-1所示。图4-1 IGBT的电流与电压波形导通损耗： 由公式可

40、知降低IGBT损耗的有效办法是要减小导通期间电压降，而达到这个目的就必须使器件工作在饱和状态。开关损耗相比较于导通损耗要复杂许多，它要考虑许多因素。开关损耗： 式中为开关频率。4.2.2 续流二极管的损耗续流二极管的损耗也是直流变换器内部主要损耗之一，续流二极管的损耗也分为两个部分：开关损耗和导通损耗。二极管的导通损耗是指二极管正向导通时且电流与电压稳定时候的损耗。降低二极管的导通损耗可以选择正向压降小的二极管来实现。二极管的电压与电流的波形如下图4-2所示。图4-2 二极管的电流，电压波形图二极管的开关损耗相比导通损耗要复杂许多，开关损耗是指二极管由正向导通状态转变到截止状态时的损耗和由反向

41、截止到正向导通时的损耗。根据二极管的电压与电流的波形图近视处理，可以近似计算出关断损耗： 为二极管的反向恢复电流，反向电流恢复温度系数，反向恢复时间。4.2.3 滤波电容的损耗由我们学过的电路理论知识可知电容是一个不耗能的元件，在这里滤波电容的损耗是指由滤波电容的寄生元件所消耗的。电容器有些小电阻和电感与它串联。这使得电容器在直流环境中工作良好，在开关元件下就要差些。在电路中电容会产生或吸收高频电流，这个电流会使器件发热，电容的损耗公式如下： 4.2.4 电感损耗电感的损耗包括三个部分它分别是：电阻损耗，磁滞损耗和涡流损耗。其中磁滞损耗的计算公式如下： 是磁滞损耗系数，磁芯体积为立方厘米，开关

42、频率Hz,B磁通密度偏移值电阻损耗是指绕组电阻产生的损耗。常见的电阻损耗有两种包括：直流电阻损耗和集肤效应损耗。直流电阻损耗是指导线电阻与电流平方的积确定的，集肤效应损耗是指交流电场作用下增加的损耗。4.3 本章小结本章通过对双向DC/DC变换器损耗的分析，了解变换器主要损耗是由哪些部分组成的。学会计算每一部分的损耗，分析变换器的效率主要受哪些因素影响。并提出了一些提高变换器效率的简单办法和手段。结 论本次毕业设计的主要内容是直流双向DC/DC变换器的仿真研究。双向DC/DC变换器可以实现能量的双向流动，在功能上相当于2个单向DC/DC变换器，是比较典型的“一机两用”设备12。在需要能量双向流

43、动的应用场合可以很大幅度减轻系统的体积与重量及成本，这是极具研究价值的。本论文首先分析了双向DC/DC变换器的发展与应用，特别是双向直流变换器在新能源系统中的应用。通过对双向直流变换器在电动车中的应用来分析变换器的参数设置和控制方式13。在论文中分析了单向直流变换器的拓扑结构，并通过分析隔离直流变换器与不隔离直流变换器的分析14。所以，决定在电动车的应用中采用不隔离的直流变换器的拓扑结构。然后，我又对四种不隔离的拓扑结构进行了分析比较决定采用双向半桥拓扑结构进行进行电动车的应用试验。根据设计要求，计算了双向半桥的器件参数。最后，采用了MATLAB/Simulink进行了仿真研究。通过建立仿真模

44、型对直流双向变换器的正向和反向工作进行仿真，对仿真结果和理论分析进行比较分析。仿真结果证明了理论分析的正确性。论文的最后分析了直流变换器的损耗，说明了损耗的组成和损耗的计算方法。讨论了直流变换器的效率，并提出一些提高变换器效率的方法。直流变换器还有许多研究的方面，本论文中只提到了一些方面。在今后的学习中还应该多做其它方面的研究。例如移相控制，软件开关灯方向等。这些都是以后可以研究的15。致 谢我要感谢我的论文指导老师胡为兵。在毕业论文的写作过程中，胡老师一直悉心指导和严格要求，为我的论文写作提供了很多帮助，使得我的论文写作能更加顺利的完成。同时在生活中胡老师也给了我许多宝贵的建议和帮助。我要感

45、谢我的室友，在撰写论文期间，室友对我论文中的研究工作给予了热情帮助，并在讨论中给我的论文提出很多中肯的建议。我要感谢我的父母和亲人，他们的理解和支持使我能够在学校安心学习让我的求学之路变得平坦。我要感谢我的母校华中科技大学武昌分校和电气教研室的老师们，是你们给了我学习的平台，为我的论文提出了许多宝贵的意见。参考文献1 汪超. 单级boost直流变换器型逆变器研究. 南京：南京航空航天大学， 2006.2 牛金红. 数字控制双向全桥DC/DC变换器的研究. 武汉：华中科技大学，2006.3 李平，何益宏，龚仁喜. 双向直流变换器的发展现状. 南宁：广西师范大学，2006，23(2)：100 -103.4 朱宁. 一种新颖的隔离型软开关boost变换器的研究. 杭州：浙江大学， 2008.5 严仰光. 双向直流变换器. 南京：江苏科学技术出版社，2004.6 施斌. 软开关直流变换器及其分析方法的研究. 广州：华南理工大学， 2002.7 郭熠. 电动汽车双向DC/DC变换器的研究. 天津：天津大学，