1、武汉理工大学毕业设计（论文） I 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
2、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
3、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 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract Communication with the fuel cell backup power is a new type of clean energy, it can not only solve the environmental
4、problem, while improving the power grid because of natural disasters have led to disruption, and thus make the problem of breakdown in communications, so the fuel cell backup power to become the most popular national research object. Due to the instability of the fuel cell itself DC, and the current
5、 softening of fuel cell output characteristics and dynamic performance features make the poor directly as a power source is not appropriate and must be equipped with power converters to regulate, control and management of power output to meet the load demand by the stability of DC or AC power. In vi
6、ew of the fuel cell many obvious advantages, this paper studies a wide range of DC input, stable DC output, low-cost, high efficiency DC / DC converter. The paper first discusses fuel cells a major role in the communications industry, describes the background and significance of topics and points ou
7、t the research work that The author have done。 Secondly, introduce the topology of buck type converter, analysis continuous mode and discontinuous mode of the buck type converter， for the continuous Model I use space averaging method conducte a modeling analysis。 the use of knowledge derived from co
8、ntrolled open-loop transfer function of an ideal amplitude-frequency characteristic curve. Finally, according to step-down DC / DC converter open-loop amplitude-frequency characteristic curve and ideal open-loop frequency response curve for different amplitude of the voltage-controlled design and cu
9、rrent-controlled buck converter buck converter. , Respectively, in the voltage-controlled pole compensation network design and pole - double zero compensation network, and the use of two compensation networks saber software were simulated. Key in the current control in the design of the peak current
10、 control mode, analyzed more than 50% duty cycle prone to harmonic oscillation, followed by radio-level design of a simple structure, good linearity, the slope compensation circuit eventually completed by UC3843 peak current control mode of the design and use of saber simulation analysis software to
11、 verify the correctness and feasibility of the design。 Keywords: DC / DC converters; voltage control mode; current control mode; compensation network; simulation 武汉理工大学毕业设计（论文） III 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 bu
12、ck 变换器主电路分析与设计 . 10 2.1 buck 变换器拓扑结构 . 10 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
13、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 武汉理工大学毕业设计（论文） IV 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 .
14、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 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 1 绪论 1.1 研究背 景 在全球经济的快速进程与现代经济的快速发展过程中，对能源的需求量也越来越大，在取得经济的迅猛发展的同时，各种潜在危机也日益凸显出来，影响了人们的日常生活，当前人类面临着三大全球性危机 1
15、:能源危机、环境污染、生态危机。 纵观这三大危机，很大程度上是对传统能源煤炭、石油、天然气的大量使用所致，所以，当今世界各国越来越重视对新能源的开发与研究。在过去的几十年中，新型能源如太阳能、风能、核能、燃料电池等的开发取得了显著成就。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，它不需要经过燃烧，反应后的生成物为水 ，不会对环境造成污染，而氢气的来源可以用电解水得到，所以，它是一种取之不尽，用之不竭的能源，同时解决了世界危机的三大难题，备受各国青睐。燃料电池技术被认为是 21 世纪首选的洁净、高效的发电技术 1。 近年来 接连几次 较大 的突发 性的自然灾害 ，例如 2008 年 初中国南
16、方 发生的冰冻雨雪灾害和五月份 汶川 大地震 等，通讯都是因为供电系统被破坏而导致通讯中断，造成了巨大损失，因而 提升了电信运营商对备用电源可靠性的关注度。无论是无线或有线电信系统，在服务质量上一个关键的指标是能否 给顾客提供联系可靠的服务，尤其是在长时间停电期间 。因此选择备用电源技术对保证终端客户服务具有直接的影响，并且对一个电信企业能否取得市场成功起到举足轻重的作用。与传统电池技术相比 燃料电池备用电源 的超长供能时间，有效降低总体运行成本，环境友好和 0 碳排放的优点使之 成为各国争相 研究 的 对象。 1.2 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
17、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
18、速武汉理工大学毕业设计（论文） 6 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。 U f cI f cUI燃 料 电 池 UR=I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
19、： （ 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。 1.
20、3 DC/DC 变换器控 制方法研究现状 DC/DC 变换器按照检测信号的不同可以分为单环控制和双环控制。恒压源单环控制主要是电压型控制；双环控制则有电流型、 V2 型等几种控制方式。虽然 V2 型控制方法（ V Squared Control 或 V2 Control）具有优秀的动态性能，适用于电压调整模块等对动态特性要求比较高的场合 3，但其对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需要额外的电路来进行过流保护。所以常用的是电压型控制和电流型控制。 （ 1）电压型控制 图 1-2 所示为电压型控制 Buck 变换器。从图 1-2 可以看出 ，电压型控制方法是利武汉理工大学毕
21、业设计（论文） 7 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 Vref 进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压 Ve。误差电压 Ve 与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较生成一脉宽 与 Ve 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。 早期文献中 Duty Cycle Control 都是特指的电压型控制。在电流型控制方法出现之后，才明确提出了 Voltage Mode Control 的说法。电压型控制方法只检测输出电压一个变量，因而只有一个控制环，所以设计 和分析相对比较简单。其主要缺点 是 只能在输出改变时才能检测
22、到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型控制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。 （ 2）电流型控制 电流型控制（ Current Mode Control）又称为 Current Injection 是 1978 年首次提出 3。电流型控制同时引入电容电压和电感电流 2 状态变量作为控制变量，提高了系统的性能。由图 1-3 可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：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。电流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通，开关电流由初始值线
23、性增大，检测电阻 RS上的电压 VS 也线性增大，当 VS 增大到误差电压 Ve 时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。直到下一个时钟脉冲到来开始一个新的周期。 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。但电流型控制方法在占空比大 于 50%时要产生次谐波振荡，从而产生稳定性问题。这通常可在比较器输入端使用一个补偿斜坡来消除 2。 V g （ t ）Q 1D 1 CRi g ( t ) i ( t )V ( t )+-开
24、关 变 换 器功 率 开 关 管驱 动 器dV r e f+-+-误 差放 大 器比 较 器锯 齿 波V eV pV s a w图 1-2 电压型控制电路 以上的电流型控制由于不能精确控制电流以及抗干扰性差等缺点，文献 2提出了平均电流型控制 （ Average Current Mode Control） 。为了与平均电流型控制方法区别，上文所述的控制方法又称为峰值电流型控制 （ Peak Current Mode Control） 。平均电流型控制武汉理工大学毕业设计（论文） 8 方法的控制电路见图 1-4，检测电流经 电流积分器积分后与误差电压 Ve 相减，其差值与锯齿波比较生成控制脉宽驱
25、动开关。平均电流型控制方法不但提高了电流的控制精度，而且抗干扰性强，但是响应速度比峰值电流控制方法慢。 V g （ t ）Q 1D 1 CRi g ( t ) i ( t )V ( t )+-+-+误 差放 大 器比 较 器SRQQsVe refVsR图 1-3 电流型控制电路 +-+sVeV refVsRsawVsi电 流 积 分 器比 较 器pV图 1-4 平均电流型控制电路 （ 3） 其他控制方法 随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模糊控制、滑模变结构控制等非线性控制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。虽然这些控制方法到目前没有 得到广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用前
26、景可观。 模糊控制 （ Fuzzy Logic Control） 是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础的一种计算机控制方法。应用于开关电源的模糊控制的硬件电路即为普通的数字控制电路。 滑模变结构控制 （ Sliding Mode Control） 的基本思想是系统从任何一点出发的状态轨线通过控制作用拉到某一指定的切换面，然后沿着此切换面滑动到平衡点。可以看出，滑模变结构控制是一种开关反馈控制系统，因此适用于开关电源。 1.4 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
27、馈电路主要包括以下两部分：电压控武汉理工大学毕业设计（论文） 9 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
28、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 。 武汉理工大学毕业设计（论文） 10 2 buck 变换器 主电路 分析 与设计 2.1 buck 变换器拓扑结构 V g （ t ）Q 1D 1LCRi g ( t ) i ( t )V ( t )+-图
29、 2-1 buck 变换器的拓扑结构 Buck 变换器主电路拓扑结构如图 2-1 所示 6， Q1 是开关管，其反复导通和截止控制了 Vg（ t） 加到负载 R 上的时间比例，来达到调节输出电压 V（ t） ； L 是储能电感，用以平滑电流 (限制电流变化率 )； D1 是续流二极管，在开关管 Q1 截止时为电感电流提供一个“续流”通路，一方面避免电感感应出高压而损坏晶体管，另一方面提供电 感能量释放到负载的通路。 其工作原理为：开关管 Q1 受一组占空比为 D，周期为 TS 的方波信号控制，当 Q1导通时， D1 反向截止，输入电压通过电感 L 对电容 C 充电，电感电流逐渐增大，电感两端电
30、压为输入电压减去输出电压。当 Q1 截止时，由于电感电流不可突变，电感电流减小，电感两端电压极性颠倒，使得续流二极管 D1 导通。 2.2 buck 变换器主电路的稳态分析 2.2.1 连续工作模式与非连续工作模式 根据电感电流是否连续， Buck 型 DC/DC 转换器有两种工作模式 4。一种是连续导电模式 (CCM， Continuous Conduction Mode)， DC/DC 在重载下通常工作于这种模式；另一种是不连续导电模式 (DCM， Discontinuous Conduction Mode)， DC/DC 变换器在轻载下工作于这种模式。在转换器的开关管 Q1导通期间，电感中的电流上升，在转换器的开关管 Q1 截止期间，电感电流下降，如果电感中的电流降到零而 Q1 还未开始下次导通，则在截止期间的剩余时间内电感中存储的能量将为零，转换器工作于非连续导通模式，否则转换器工作于连续导通模式。由于在这两种模式下开关电源的频率相位变化十分显著，所以希望在所有预 期的工作条件下，开关电源都只处于一种工作模式。 在正常情况下， Buck 型开关转换器很少工作在非连续导通模式，但是一旦负载电
