1、摘 要双向 DC-DC 变换器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）是一种可以在双象限运行的直流变换器，能够实现能量的双向传输。随着开关电源技术的不断发展，双向DC-DC 变换器已经大量应用到电动汽车、太阳能电池阵、不停电电源和分布式电站等领域。由于在需要使用双向DC-DC变换器的领域在很大程度上减轻系统的体积、重量及成本，所以具有重要研究价值。本文首先阐述了双向 DC-DC 变换器概念及应用，尔后从单向基本的DC-DC 变换器拓扑结构引申到双向DC-DC变换器拓扑结构，并且选择非隔离型双向 Buck-Boost 变换器作为本文的研究对象。文中详细分析了双向B
2、uck-Boost 变换器工作原理，根据系统设计要求，对主电路进行分析和计算相关的参数。基于 Buck 小信号模型，对双向 Buck-Boost 变换器控制系统进行设计。最终，利用 Matlab/Simulink 仿真软件搭建双向 Buck-Boost 变换器模型，设计出主电路和控制电路的系统原理图。通过仿真调试，得出实验结果，很好的验证了相关理论分析正确性和控制策略的可行性。关键词：双向 DC-DC 变换器； 双向 Buck-Boost 变换器； Matlab/Simulink仿真ABSTRACTBDC(Bi-directional DC-DC Converter) is a two-qua
3、drant operating DC-DC converter, through which the power can flow in either direction. As the technology of Switched Power Supply is developing, BDC is widely applied to electric vehicle, solar cell group, uninterrupt ible power supply and distributed power station. Since the application of BDC in c
4、ertain occasions lightens the volume of the system and reduces the cost, It is important to research value.This paper firstly introduces the concept and application of BDC, presents its topology in detail and choose no-isolated Bi-directional Buck-Boost Converter as the object of research. Then cons
5、true operation principle of the no-isolated Bi-directional Buck-Boost Converter. According to requirements of project, design main circuits and determinate its related parameters. Based on Buck small signal model, this paper carries out the system for controlling BDC .Finally, build the model of BDC
6、 on Saber, design the principle diagrams of main and control circuits. A mass of simulations are taken, as the results show that this method is correct in theory and feasible for controlling.Keywords：Bi-directional DC-DC converters; Bi-directional buck-boost converters; Matlab/Simulink simulation 目
7、录1 绪论11.1 双向 DC-DC 变换器概念11.1.1 双向 DC-DC 变换器的原理介绍11.1.2 双向 DC-DC 变换器的构成方法21.2 双向 DC-DC 变换器的应用31.2.1 在电动汽车中的应用31.2.2 在不停电电源系统中的应用51.2.3 在太阳能电池阵中的应用61.2.4 在分布式电站方面的应用61.3 双向 DC-DC 变换器的发展历程61.4 本文研究的主要内容71.5 本章小结72 双向直流变换器的拓扑比较及选择82.1 单向DC-DC 变换器的拓扑结构与分类82.1.1 DC-DC 变换器的拓扑结构82.1.2 DC-DC变换器的拓扑结构分类82.2 双向
8、DC-DC 变换器的拓扑类型112.2.1 不隔离型双向DC-DC变换器112.2.2 隔离型双向 DC-DC 变换器122.3 DC-DC 变换器的拓扑选择122.4 本章小结133 双向Buck-Boost变换器143.1 双向Buck-Boost变换器的原理分析143.1.1 主电路拓扑结构143.1.2 主电路工作方式143.1.3 交替工作具体分析153.2 双向 Buck-Boost变换器的参数确定173.2.1 主电路的储能电感L的计算173.2.2 主电路的滤波电容C的计算183.2.3 其余各参数的计算193.2.4 主电路开关管的选择203.3 本章小结204 双向 DC-
9、DC 变换器的控制研究214.1 双向 DC-DC 变换器的控制模式214.1.1 电压控制模式214.1.2 电流控制模式224.2 双向 DC-DC 变换器的闭环控制系统254.2.1 能量流向判断254.2.2 能量流向控制274.3 双向 DC-DC 变换器控制系统的实现294.3.1 模拟控制的实现294.3.2 数字控制的实现304.4本章小结315 双向DC-DC变换器的仿真325.1双向DC-DC变换器系统的总体325.2双向DC-DC变换器的仿真实现335.2.1 BUCK模式仿真实现335.2.2 BOOST模式仿真实现385.3本章小结416 总结与展望426.1 全文总
10、结426.2 对双向DC-DC变换器的展望42参考文献：43翻译部分44英文原文44中文译文55致 谢651 绪论1.1 双向 DC-DC 变换器概念 所谓双向 DC-DC 变换器（Bi-directional DC-DC Converter，BDC）就是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据实际所需的改变电流的方向，实现双象限运行的双向直直变换器。坦率地说，它属于高效率的电源转换装置，是一个直流电压转换成另一个或几个电压值，具有高效、节能、经济、实用等特点。 实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向 DC-DC 变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上一般都需要二极管，
11、因此单个变换器能量的流通方向仍是单向的，且这样的连接方式会使系统体积和重量庞大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通过一台变换器来实现能量的双向流动，BDC 就是通过将单向开关和二极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。1.1.1 双向 DC-DC 变换器的原理介绍 单向DC-DC变换器的能量传输是单向的，即只能从一端输入，从另一端输出，如图1.1所示，在电力传输路径的变换器当中，通常有一个二极管，二极管的单向导电特性决定了能量传递是单向的，即图 1.1 中，能量只能从 经变换器传递到 ，而不能反向流动。 前面讲到两个单向变换器反并联可以组合成一个双向变换器，如图 1.2
12、(a)所示，单向DC-DC 变换器1可以将能量从传输到，反并联的单向 DC-DC 变换器2是将能量从端传输到端。但是这样组合成的电路就会变得复杂化、冗余化。在实际中力求器件少、电路简单，并实现双向传输的目的，可以将所需器件通过科学的组合成双向 DC-DC 变换器装置就可以实现能量的双向传输，即双向 DC-DC 变换器，如图1.2（b）所示。 位于电源和之间的是一个双向 DC-DC 变换器装置，它可以承载能量的传递。图1.2（b）中的和分别是和的平均输入电流。根据实际需要，利用控制器可以控制双向 DC-DC 变换器能量的流向：使能量从传输到，称为正向工作模式，此时为负，为正；使能量从传输到，称为
13、反向工作模式，此时为正，为负。 1.1.2 双向 DC-DC 变换器的构成方法 介绍变换器的构成就得从电路拓扑结构来入手，根据对电路拓扑结构的分析，单向 DC-DC 变换器可简化为如图 1.3（a）所示的单向基本变换单元的基本原理结构，该基本变换单元由一个开关和一个二极管构成；同样的方法，对常规的双向 DC-DC 变换器也可简化为如图 1.3（b）所示的双向基本变换单元的基本原理结构，此图中可以看出它由两个各自反并联二极管和开关构成。 单向 Buck DC-DC 变换器如图1.4（a）和单向 Boost DC-DC 变换器如图1.4（b）所示，这两种变换器是一个典型的由一个有源开关和一个二极管
14、构成的变换器，由于二极管的存在，只能单向传输能量，所以Buck和Boost变换器都是最基本的单向变换器。而典型的双向变换器就是它两有机组合的双向Buck-Boost DC-DC 变换器，它有两种工作方式：一种是保持低电平，采用 PWM 方式工作，变换器实际上就是一个 Buck 电路，能量从传输到；另一种是保持低电平， 采用 PWM 方式工作，变换器实际上就是一个 Boost 电路，能量反向从传输到端。 在与两个单向变换器反并联组成的一个双向变换器来达到能量双向传输的这种变换器比较，双向 DC-DC变换器是用一个变换器来承载能量的双向传输，使用的总体开关器件数目少，结构简单，并且可以更快的进行能
15、量传输方向的切换控制。总之，双向 DC-DC 变换器具有高效率、体积小、动态性能好和成本低等显著的优点。1.2 双向 DC-DC 变换器的应用 因为双向直流变换器不仅可以将高压侧电压通过DC-DC变换器变换在低压侧得到需要的电压，而且也能够将低压侧电压通过DC-DC变换器变换在高压侧得到需要的电压，实现能量的双向转换。所以近年来，双向DC-DC变换器备受关注，应用越来越广泛。比如说双向DC-DC变换器在电动汽车、分布式发电、储能系统、电能质量调节、可再生能源发电以及超导储能系统等领域都具有广阔的应用前景。1.2.1 在电动汽车中的应用 在最近几年里，面对环境污染和能源安全方面的危机感，电动汽车的研发得到了很大的发展空间。现在所研发的电动汽车主要包括：纯电能电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池电动汽车三大类。而双向DC-DC变换器是用在电动汽车的一项关键技术，因此电动汽车的发展同时也带动了双向DC-DC变换器的发展。就目前来看，蓄电池电动汽车技术己经有了
