本文是一篇电气自动化论文，本文提出了一种非隔离式、高电压增益、低器件应力的DC-DC变换器。并对变换器的工作原理进行了分析，对功率器件的参数进行了计算，对变换器进行了动态建模，对变换器的拓扑结构以及控制程序进行了仿真。
第1章 绪论
1.1 课题背景
近年来，由于世界各国经济迅速发展，国民经济大幅提高，人均收入普遍增加，世界各国人民对生活质量的要求也越来越高。其中，人们对于出行的需求越来越多样化，进而促进了交通运输业的发展[1]。随着交通运输业的发展，对化石燃料的需求也逐年增高，给地球资源带来巨大挑战。更为紧迫的是，汽车数量的急剧增加，不仅会导致资源短缺，还会引起严重的环境问题[2]。因此，减少以传统能源作为动力系统的汽车，以及推广研发使用清洁能源作为汽车核心动力系统的新能源汽车变得十分迫切[3,4]。
随着各个国家对新能源汽车研究日趋成熟，新能源汽车数量呈现明显的上升趋势。由于政策的倾斜和补贴力度的加大，涌现出了以特斯拉为首的新兴新能源汽车企业并且许多传统汽车厂商开始向新能源汽车企业转型[5]。2012年，中国在深圳市创立了国家新能源汽车产业基地，标志着我国新能源汽车的发展又上升到了一个新的台阶[6]。新能源汽车主要采用清洁能源作为其动力源，主要分为三大类，其各自特点如表1-1所示。根据下述表格可以看出，虽然纯电动汽车技术相对简单成熟，但是由于蓄电池储能有限，故续航能力不尽如人意。混合动力汽车较传统燃油汽车会节省一部分燃料，但在长距离高速度行驶的情况下则基本无异于传统燃油汽车。燃料电池汽车具有纯电动汽车的优点，而且近年来燃料电池组一体化技术已经取得了显著的进展，续航里程十分可观[7-12]。综上所述，燃料电池汽车是十分理想的新能源车辆。
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1.2 DC-DC变换器国内外研究现状
DC-DC变换器按结构可以分为隔离型和非隔离型两大类[17]。由于高频变压器的存在导致隔离型DC-DC变换器体积偏大，进而导致功率密度偏低[18]。本文所讨论的是供汽车使用的DC-DC变换器，所以所使用的变换器体积不宜过大。此外，较大的变压器匝数比会增加一次元件的电压应力，使效率大幅降低[19,20]。综上所述本文所研究的DC-DC变换器采用非隔离型拓扑结构。
1.2.1 传统非隔离型DC-DC变换器
由于燃料电池汽车用DC-DC变换器大多为非隔离型，故首先对基本非隔离型拓扑进行一个简要的分析，如图1-3所示。
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第2章 燃料电池汽车DC-DC变换器
2.1 变换器拓扑结构与工作原理分析
根据燃料电池的输出特性，以及结合现有的车载燃料电池用DC-DC变换器的特性分析，本章提出了一种新型结构的DC-DC变换器，该变换器具有非隔离、高增益、低应力等特点。本章通过理论推导，计算出了所提变换器电路中功率元件的电压、电流应力，以及变换器的电压增益公式。最后将所提变换器和其它具有升压结构的DC-DC变换器进行了横向对比，体现了本文所提变换器的优势。
本文所提出的DC-DC变换器拓扑结构如图2-1所示。变换器的输入电压源由燃料电池电压源Uin和反向阻断二极管D1组成。该拓扑由两部分组成，开关管Q的左半部分是改进的开关电感结构，由电感1L、2L和电容1C、2C以及二极管D2组成。开关管Q的右半部分是开关电容结构，开关电容网络由C3-D4、C4-D5、C5-D3组成。
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2.2 变换器工作性能分析
文献[17]中的变换器可以提供较高的电压增益，而不需要极端的占空比。对于该变换器占空比为0.5时电压增益为无穷大，然而电源在给电感充电的过程中引入了环流，导致功率开关管电压应力升高到2O iU +U。文献[22]通过对传统Boost拓扑改进，电压增益达到了原来的2倍。然而使用了4个功率开关管，对应的控制电路也会更加复杂，相应的控制策略也复杂化了。文献[25]所提出的三电平变换器，虽然功率开关管的电压应力降为了输出电压的一半但是工作在升压模式下与传统Boost的电压增益相同，电压增益并没有得到改善。对于文献[30]所提变换器，使用了双耦合电感结构，这样做可以适当减少电感的数量。其电压增益却取决于电感的匝数比N，其中耦合电感匝数比为21/20，但是由于采用了非共地结构故可能会引起EMI问题。
通过以上的比较，本文所提变换器在器件应力、电压增益、变换器体积等方面具有明显的优势。
本文所提变换器中改进的开关电感结构可以和其他已有网络结构进行组合，具有较好的移植性并且可更进一步提高电压增益。图2-5 a)为准Z源结构，图2-5 b)为Z源结构。用改进的开关电感结构取代准Z源网络中的电感L2，得到了混合变换器a，最后求得其电压增益为2/1-3d，如图2-6 a)所示。将准Z源结构的所有电感L1和L2都用改进的开关电感结构来替代，得到了混合变换器b，如图2-6 b)所示，最后求得电压增益为2/1-4d。将Z源结构的电感L1和L2都用改进的开关电感结构来替代得到了混合变换器c，如图2-6 c)所示，最后求得电压增益为2/1-4d。
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第3章 DC-DC变换器控制与建模 .................................. 20
3.1 控制策略简介 .............................................. 20
3.2 电容、电感参数设计 ................................. 21
第4章 变换器实验样机的设计 ......................... 28
4.1 实验样机总体系统结构 ............................ 28
4.2 硬件电路设计 ......................................... 28
第5章 变换器仿真和实验验证 ...................... 45
5.1 DC-DC变换器结构仿真验证 ........................... 45
5.2 控制程序仿真验证 ............................ 47
第5章 变换器仿真和实验验证
5.1 DC-DC变换器结构仿真验证
为了验证本文所提变换器拓扑结构的合理性和可靠性，本文采用Psim仿真软件对所提变换器的拓扑结构进行了仿真。
Psim较其它仿真软件最大的优势体现在仿真速度上，它的环路扫频速度极快并且针对于电路结构仿真基本可以很好的收敛，但Psim针对数字控制模拟的能力较为薄弱。综合Psim的优缺点，本文使用Psim进行变换器拓扑结构的仿真，而对于验证所编写的PI程序算法的合理性则使用Plecs仿真软件，将在下一小节进行详细叙述。图5-1为使用Psim仿真软件搭建的变换器主拓扑结构及控制电路结构，其中控制电路可直接调用Psim中内置的PI模块。调用20V直流电源作为变换器的输入电压源，输出端选用电阻型负载，通过Psim仿真软件内置的电压传感器模块采集变换器的输出电压，输出电压与比较器模块中提前设置好的参考电压进行比较作差，然后差值给到PI模块，PI模块输出调制波与20kH z的三角波发生器共同作为比较器的输入端，经过比较器的作用生成PWM波形。
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结论
由于燃料电池较“疲软”的输出特性使其很难满足电动汽车的实际应用，本文提出了一种非隔离式、高电压增益、低器件应力的DC-DC变换器。并对变换器的工作原理进行了分析，对功率器件的参数进行了计算，对变换器进行了动态建模，对变换器的拓扑结构以及控制程序进行了仿真。并利用仿真软件模拟了实际工况，在实际工作环境下对变换器进行了仿真，最后搭建实验样机对变换器进行了实验室验证。本文的主要工作和结论如下：
1. 根据燃料电池的输出特性“软”的特点，提出一种新型DC-DC变换器。理论计算得出所提变换器的电压增益M=2/(1-2d)，在占空比d不超过0.5时即可达到很大的电压增益。输入输出之间为共地结构，不会产生EMI问题。本拓扑的前端结构还可与其它拓扑结构结合以增大电压增益。
2. 根据样机功率，计算出电感和电容的参数。对传统DC-DC变换器的控制方式进行了横向对比，最终选择PI控制算法。对所提变换器进行动态建模分析，得到传递函数。
3. 对变换器样机进行了系统设计，设计了变换器样机的总体系统框图，然后对功率器件进行了选型其中包括各个二极管以及MOSFET的选型。对辅助电路和控制电路进行了设计，并给出了核心板电路外围电路的设计过程，在驱动电路设计中分析了MOSFET米勒平台的问题。给出了主程序和中断程序的控制流程图以及编写PI控制程序。分析了变换器的各个损耗，推导出变换器的工作效率。
4.应用Psim仿真软件对变换器的拓扑结构进行了仿真，所得变换器工作波形与理论计算基本一致。利用Plecs仿真软件对变换器的PI控制程序进行了验证，证明了程序的可靠性。利用Simulink模拟燃料电池真实工作环境，进行了工况仿真。最后搭建了输出功率为100W的样机，通过对输出电压波形以及各个功率器件的应力波形进行测试和分析可知，可知所提变换器能够达到设计要求，满足燃料电池的工作环境。
参考文献（略）