1、武汉理工大学毕业设计（论文） 目录 摘要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外发展现状 . 3 1.3 本文主要研究内容 . 5 2 能 量调节器主电路的分析与设计 . 6 2.1 主电路拓扑结构选择 . 6 2.1.1 buck 变换器原理 . 6 2.1.2 boost 变换器 原理 . 7 2.1.3 buck-boost 变换器原理 . 8 2.1.4 几种电路拓扑的比较 . 9 2.2 主电路工作原理 . 9 2.3 buck-boost 变换器建模分析 . 10 2.3.1 buck 变换器开关网络建模 . 11 2.
2、3.2 boost 变换器开关网络建 模 . 13 2.3.2 buck-boost 变换器建模 . 15 2.4 主电路参数设计 . 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 主电路仿真 . 19 2.6 本章小结 . 24 3 平均电流模式研究 . 25 3.1 电流型控制器概述 . 25 3.1.1 电流型控制器的结构 . 25 3.1.2 平均电流控制模式分析 . 26 3.2 电流控制器的设计 . 27 3.2.1 电流内环设计 . 27 3.2.2 功率级等效模型 . 29 3.2.3 电压外环设计 . 31 3.3 平均电流
3、控制模式仿真 . 33 武汉理工大学毕业设计（论文） 3.4 本章小结 . 37 4 能量输出控制研究 . 38 4.1 能量模式的分析 . 38 4.2 基于电流模式的变换器建模分析 . 39 4.3 电流型控制器的设计 . 41 4.4 数字控制器实现 . 44 4.4.1 数字控制器概述 . 44 4.4.2 数字 PID 控制器的实现 . 45 4.4.3 基于 DSP2407 的控制策略概述 . 46 4.5 本章小结 . 46 5 能耗分析与机箱设计 . 47 5.1 调节器能耗分析 . 47 5.2 机箱设计 . 49 5.2.1 散热方式选择 . 49 5.2.2 参数计算 .
4、 50 5.2.3 散热分析仿真 . 52 5.3 本章 小结 . 52 6 全文总结及展望 . 53 参考文献 . 54 致谢 . 56 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘要 燃料电池是 21 世纪全新、高效、节能、环保的发电方式之一，但其输出特性偏软， 直接给负载供电时不能满足输出稳定的要求并会给燃料电池带来严重伤害，因此研究一种高效的能量调节器具有十分重要的意义。能量调节器要求能适应输入电压宽范围变化，在传统 buck 和 boost 变换器的基础上，本文研究一种buck-boost 级联型变换器及其控制方法，主要研究内容如下： 首先阐述了 buck-boost 级联变换器的结构特点及
5、其工作原理，并根据设计要求计算主电路参数并通过 MATLAB 和 saber 仿真进行优化，利用开关网络建模法建 立了 buck 和 boost 型开关网络的小信号模型，进而得到级联变换器的小信号模型。其次，根据平均电流控制法设计了电压环和电流环控制器并在 MATLAB中进行仿真，验证了设计的合理性。然后，论述了调节器工作于能量输出模式的必要性并分析了调节器在能量流动中的作用，建立了基于蓄电池二阶等效模型的能量输出模式下的调节器模型，并设计了 PID 控制器， 根据仿真结果对整个设计进行了评价。 采用前向差分法进行离散化并推导得出数字控制算法，阐述了基于 DSP 的控制策略。最后应提高效率和功
6、率密度的要求进行了机箱散热设计，在 ansys 软件 中用 Icepack 工具进行温度分布仿真，验证了设计结果符合要求。 关键词 ： buck-boost；建模； MATLAB 仿真；能量输出；散热设计 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract Fuel cell is one of the 21st centurys new, high-efficiency, energy-saving and environmental-protection way in power-generating. But its output characteristic is a little
7、soft that output voltage will drop heavily when the load current increases. If the fuel cell supply for the load directly, the output cant meet the stable requirement. Whats more, it will bring the fuel cell system serious damage. Therefore, researching for a highly efficient power conditioner has a
8、 very vital significance. The power conditioner is required to meet the wide input voltage demand. Based on the traditional buck or boost converter, a buck-boost cascade converter and its control method is researched. The main research are as follows: First, the structure characteristics and working
9、 principle of the buck-boost cascade converter are expounded. At the same time, the main circuit parameters are calculated and its open-loop simulation in MATLAB and saber are accomplished to get the optimal design. Using switch network modeling method to establish the small signal model of the buck
10、 and boost switch network, and then get the model of the buck-boost cascade converter. Secondly , the controllers of the voltage and current ring are designed based on the average current mode. Through the simulation results, the rationality of the design is verified. After that, the necessity of th
11、e energy output mode are discussing and the impact of the conditioner in the power flow are presented. The model of the conditioner under the energy output mode based on the battery second order equivalent is builded and the relevant PID controller is designed. The whole design is evaluated accordin
12、g to the simulation results. Then use the forward difference method to make the analog controller discrete and deducing the digital control algorithm, the control strategy based on DSP is described. And finally, the thermal design is done to meet the improving efficiency and high power density requi
13、rements. The temperature distribution is simulated using the Icepack tools in the ansys software and the design results are verified to comply with the requirements Key Words： buck-boost； modeling； MATLAB simulation； energy output； thermal design 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 研究的背景及意义 世界经济的现代化也是得益于化石能源，
14、如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。能源 作为国民经济发展的动力，是人类赖以生存的基础，是社会可持续发展的基础， 是建筑在化石能源基础之上的一种经济， 是衡量综合国力和一个国家发展程度以及人民生活水平的重要指标。 然而，这一经济的资源载体将在 21 世纪上半叶迅速地接近枯竭， 引发了严重 的能源 危机 1 ， 能 源问题已成为我国经济社会发展的重要制约因素，事关经济安全和国家安全，提高能源的利用率和发展替代能源是 21 世纪的主要议题。 人类发展至今，绝大多数能量转换时通过热机过程实现的，热机过程受卡诺循环的限制，不但转化效率低造成严重的浪费，而且产生大量有害物质及噪声对人类生存环
15、境造成很大的威胁。当今社会，环境保护已经成为人类可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国的能源决策和科技向导的关键因素，同时也是促进能源科技发展的巨大推动力， 20 世纪建立起来的庞大能源系统已无法适应社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求 ，能源发展面临着巨大的挑战。环境生态作为经济与社会发展软实力的重要组成部分，对促进人与自然、人与社会和谐相处，建设资源节约型和环境保护型社会具有重要的作用，只有搞好环境保护，才能实现改善经济结构，提高生活质量的目标。唯有提高能源的利用率和发展替代能源是克服能源危机的出路。用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的原因，
16、与之相连的是世界经济可获得持续的发展。在这种世界经济中，高科技术和生态可以承载的区域性经济形式将得以发展。目前，以氢气为燃料制成的燃料电池作为一种高效、灵活且环 境友好的发电方式已倍受各国政府重视。如图 1-1 所示，它不同于常规意义上的电池，它将化学能直接转化为电能，无需经过热机过程，不受卡诺循环限制，能量转化效率高，环境友 好，几乎不排放氮氧化物和硫的氧化物，二氧化碳的排放量也比常规发电技术低得多，适用范围广，积木化强，是 21 世纪全新、高效、节能、环保的发电方式之一 1,2。于 是，燃料电池的研究得到世界各国的重视，被认为是 21 世纪首选的洁净、高效的发电技术。我国煤炭资源丰富 ,又
17、是燃煤大国 ,大力开发燃料电池 ,对提高一次能源利用效率 ,发展洁净煤发电技术 ,具有特别重要的意 义。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 热 能 动 能化 学 能 电 能传 统 技 术燃 料 电 池图 1-1 燃料电池发电与传统技术发电比较 燃料电池以低压直流形式输出，图 1-2 为燃料电池输出特性图，显然，燃料电池的输出电压随功率的增加而下降，在加负载的初始阶段，电压下降很快，并随着输出电流的增加而不断下降，负载越重，电压被拉得越低，也就是说燃料电池输出特性很软。另外，输出功率频繁的波动还会导致燃料电池效率的下降。实际应用中，负载是变动的，同时要求输出电压要相对稳定，由于燃料电池产生不稳定
18、的直流电，必须配备功率变换器 PCU（ power control unit)来调节、控制和管理电源输出，以得到符合要求的直流电或交流电能。因而，随着燃料电池产品与技术的发展，针对燃料电池应用的电力电子变换装置与技术的研究与开发已成为一项重要的课题。 DC/DC 变换器是将一种直流电变换为另一种形式直流电的装置，主要对电压、电流实现变换，它在燃料电池中的应用是很有必要的：（ 1）燃料电池的输出特性偏软，在工作中随着负载的波动，燃料电池的输出电压波动范围也很大，必须要经过能量调节器改善燃料电池的软特性，经过调节器后，不仅可以使燃料电池输出电压稳定，还可以通过变换器升降 压，得到实际所需要的电压或
19、电流等级。（ 2）燃料电池不能有能量回馈，通过调节器可以实现这一要求，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，提高能量转换率，研究宽范围直流输入、低成本、低污染、高效率、高功率密度的 DC/DC 变换器有着十分重要的 意义 3。 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 FCUFCIU I IUR 0图 1-2 燃料电池输出特性 DC/DC 变换器因其转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻、灵活的正负极性和升 /降压方式等优点，在计算 机，通讯，家 用电器，航天 航空，交通，国防军工，工业控制等领域有着广泛的应用前景适用范围广 3。 1.2 国内外发展现
20、状 DC/DC 功率变换技术自 20 世纪 60 年代开始得到发展和应用， 60 年代中期美国已研制成 20kHzDC/DC 变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术得到越来越广泛的应用，任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。 20 世纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化。 90 年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到广泛引用，开关电源进入快速发展时期。 DC/DC 变 换器采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关器件的导通比来调节输出电压。进入 21 世纪，开关电源的技术追求和发展趋势为：高效率、小型化、高频化
21、、高可靠性、低噪声、智能化。 近年来，随着功率器件的开发和数字控制技术的广泛应用使得 DC/DC 变换技术有了重大突破。功率 MOSFET 和 IGBT 使中 小型 DC/DC 工作频率达到1MHz，软开关技术为高频的实现提供了可能，它同时还提高了电源的效率，国产 6kW 通信开关电源采用软开关技术，效率可达 93% 4；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，使开关电源的动态性能和可靠性大 大提高 。与此同时，国内外学者对燃料电池 DC/DC 变换器 进行了大量的研究，主要集中在扩展占空比、降低开关电压应力、软开关技术、降低电流纹波等方面，并提出了许多拓扑，如buck、 boost、 boos
22、t-buck、 cuk 等，按输入输出间有无隔离又分为隔离型和非隔离型。开关电源基本构成如图 1-3 所示 3。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 比 较 放 大 器P W M驱 动 器D C / D C 变 换 器U iU oR 1R 2U r e f图 1-3 开关电源 基本构成 V g ( t )Q 1D 1C Ri g ( t )i ( t )V ( t )-开 关 变 换 器功 率 开关 管驱 动 器dV r e f+-误 差放 大 器V eV c负 载G c ( s )P W MH ( s )+图 1-4 电压控制型 buck 变换 器 常用的 PWM 型 DC/DC 变换器控制方
23、法有电压型控制和电流型控制。如图1-4 所示，以 buck 变换器为例，电压 型控制方 法是利用输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压 refV 进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压 gV 。误差电压 gV 与振荡器生成的锯齿波 sawV 进行比较生成一脉宽与 gV 大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动 电路驱动开关管导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。设计简单，易于实现，其主要缺点是只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢，且对负载电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。 针对电压型控制的缺点，电流型控制方法同时引入电容电压和电感
24、电流两个状态变量作为控制变量，提高了系统的性能 4。由 图 1-5 可以看 出，电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为 PWM 比较器的一个输入信号。由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电 压型控制方法有武汉理工大学毕业设计（论文） 5 更快的负载或输入瞬 态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。 V gP W MQLi LD 1CRR 1R 2C AV A-+V r e f+-V oR s图 1-5 电流控制型 buck 变换器 随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模糊控
25、制、滑模变结构控制 、鲁棒控制 等非线性控制方法也被尝试应用于开关 控制中。 1.3 本文主要研究内容 根据 6kW 燃料电池能量调节器的课题研究，输入为 80 片燃料电池，轻载时燃料电池输出 80V，满载时输出 30V，输出功率为 6kW，要求输出电压稳定 48V，电压纹波 2%，电流纹波 10%，根据 6kW 燃料电池能量调节器的设计要求，本文做了以下方面的研究： （ 1） 概述燃料电池的研究背景及其工作特性，由其输出特性引出了本文对能量调节器研究的意义。简单介绍了能量调节器的国内外研究现状； （ 2） 分析 boost-buck 级联型能量调节器的拓扑结构和工作原理，利用小信号模型建模法
26、建立变换器的数学模型，并设计主电路参数； （ 3） 针对平均电流模式和能量输出控制模式建立相应控制器模型，设计平均电流模式的双环控制系统控制器和能量输出模式控制器，并在 MATLAB 仿真验证； （ 4） 对基于 DSP 数字控 制的系统控制策略进行了说明； （ 5） 为提高变换器的工作效率，对开关器件的功耗进行了分析和说明，并以此为指导进行机箱设计。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 2 能量 调节器主电路的分析与设计 要设计燃料电池能量调节器，首先要选择主电路拓扑结构，了解其工作原理，然后对其进行建模分析，根据实际要求计算电路中的各个参数。开关变换器中由于电感电流不能突变， 需要 在开关管
27、关断期间为其选择合适的续流回路，在一般开关电源电路中， 选择合适 的参考地后，可得到输入、输出、地 三个端子，电感一端 如果 与输入 相连则得到 buck 电路， 与输出 相连则得到 boost 电路，与地相连则得 到 buck-boost 电路，不同的 拓扑结构 有各自的特点和适用范围，设计时应根据具体要求进行比较分析 5。 2.1 主 电路拓扑结构选择 2.1.1 buck 变 换器原理 如图 2-1 所示为 buck 变换器电路结构，由全控型开关器件 Q、续流二极管VD、电感 L、电容 C 以及负载 R 构成。 V iQLV DCRi L i oV o图 2-1 buck 变换器电路 原理图 设 Q 的导通比为 D，当 Q 开通时，二极管 VD 反偏截止，电源通过电感 L向电容 C 充电并向负载供电， Li 线 性增加，负载电阻 R 上流过电流 oi ，输出电压 ov ；当 Q 关断时，由于电感电流 Li 不可突变，经二极管 VD 续流， Li 逐渐减小。 当 buck 变换器处于 CCM（电感电流连续） 模式时，开关管的导通时间为son DTt ， 电 感电 流的 变化 量为 LtVV onoi /)( ， 开 关管 的关 断时 间 为soff TDt )1( ，电感电流的变换量为 LtV offo / 。稳态时，一个周期内电感电流的
