摘 要

随着能源的枯竭以及环境的污染，新能源的发展及其迅猛，其中关系广大民众出行的汽车行业变化尤为剧烈，燃料汽车更是成为新能然汽车中佼佼者。然而由于燃料汽车的输出特性较软，电压变化范围大，受负载影响大，无法满足应用需求，需要采用DC-DC变换器达到技术要求。本文通过对比不同的DC-DC变换器拓扑提出一种升级的Boost斩波电路拓扑结构——四相移相Boost斩波电路，并从主体电路与控制电路两个方面展开研究工作。

分析变换器不同状况下的工作模式，采用四相移相技术减小了输出电压纹波，根据理论分析结合设计技术要求计算电容、电感及开关管的参数，并根据工程实践，留有一定工程裕量对电容、电感及开关管等元器件进行选型。设计驱动电路以及电压电流信号采样电路，以配合整体功能完善。对 Boost电路建立小信号模型，进行理论分析，得到理想模式下的开环传递函数。设计闭环反馈结构，进而得到加入PI调节器后的闭环传递函数，为PI参数的设计提供理论计算基础。分析系统动静态性能，计算出PI调节器的相应实际参数，提出了模拟PI调节以及数字PI调节两种实现方法。

最后，由理论分析得到的拓扑结构及参数，运用MATLAB仿真工具进行仿真模型搭建，运行得到仿真结果验证理论的正确性以及参数的合理性。

关键词：DC-DC变换器；双闭环反馈；燃料电池；模型仿真

Abstract

With the depletion of energy sources and environmental pollution, the development of new energy sources is rapid, and the changes in the automobile industry, which are related to the masses of people, are particularly fierce. Fuel vehicles have become the leader among new energy vehicles. However, due to the soft output characteristics of the fuel vehicle, the voltage variation range is large, and the load is greatly affected, which cannot meet the application requirements, and the DC-DC converter is required to meet the technical requirements. In this paper, an upgraded Boost chopper circuit topology, four-phase phase-shifted Boost chopper circuit, is proposed by comparing different DC-DC converter topologies. The research work is carried out from two aspects: main circuit and control circuit.

Analyze the working mode of the converter under different conditions, adopt the four-phase phase shifting technology to reduce the output voltage ripple, and combine the related technical requirements for principle analysis, parameter calculation and component selection. The small signal model circuit of Boost circuit is theoretically calculated, and the related transfer function is obtained, which provides the theoretical calculation basis for the design of PI parameters. After determining the feedback type, the closed-loop transfer function added to the PI regulator is obtained, and the corresponding parameters of the PI regulator are calculated.

Finally, the topological structure and parameters obtained by theoretical analysis, using MATLAB simulation tools to build the simulation model, the simulation results verify the correctness of the theory and the rationality of the parameters.

Key words：DC-DC converter; double closed loop feedback; fuel cell;model simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及其意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3本文研究内容 3

第2章50KW车用燃料电池升压DC-DC变换器方案设计 4

2.1 设计指标 4

2.2升压DC-DC变换器主电路的选择 4

2.2.1非隔离型电路 5

2.2.2隔离型电路 6

2.3系统结构 7

2.4 本章小结 8

第3章 DC-DC变换硬件设计 9

3.1四相移相Boost斩波电路工作原理 9

3.2参数计算及元件选型 12

3.2.1功率晶体管选择 12

3.2.2滤波电感的设计 12

3.2.3滤波电容的设计 13

3.3驱动电路设计 13

3.4电压电流采样电路设计 14

3.4.1电压采样电路 14

3.4.2电流采样电路 15

3.5本章小结 16

第4章 DC-DC变换器控制电路设计 17

4.1 PWM波形产生设计 17

4.2 Boost电路小信号模型 17

4.3 PI调节器设计 18

4.3.1模拟PI控制器 20

4.3.2数字PI控制器 20

4.4 本章小结 21

第5章 仿真与实验结果分析 22

5.1 软件仿真模型建立 22

5.2 实验结果分析 23

5.3 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1 工作总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及其意义

近年来，公众环保意识的增强以及能源的短缺要求人们发现可再生的清洁能源，风能、太阳能、地热能等可再生环保能源得到广泛应用。作为新能源体系的一员，燃料电池的发展亦十分迅猛。其中，能源消耗大户——汽车行业也迎来了高要求、新发展，电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车等新能源汽车概念的提出，也为汽车行业带来新的机遇与发展。2012年6月28日，国务院印发了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，提出2020年新能源汽车累计产销量达到500万辆的目标^[1]。燃料电池是将化学能转化为电能的装置，但不同于传统化学能转换形式，燃料电池借助质子交换膜实现能量的转换。质子交换膜隔绝燃料与氧气，使用电解质作为媒介，通过电荷的转移来实现能量的交换。世界上众多国家都积极研发燃料电池的车载应用，中国的燃料电池汽车也取得了极大的发展，在上海世博会、广州亚运会等重大场合得到示范运行^[2]。

不同于其他类型的发电装置，燃料电池的输出电压受负载影响较大，负载波动或是接入非线性负载时，输出电压无法满足实际应用需求。因此，燃料电池的输出电能需要进行变换后使用，电力电子电能变换装置应运而生。DC-DC变换器作为燃料电池汽车动力系统的重要组成，可将电压波动较大的电能控制转换成可控而稳定输出的直流电，对汽车的电系统而言至关重要。因此研究低压宽范围直流输入，高效率、高能量密度直流变换器意义十分重大。对于汽车动力系统而言，受限于空间较小，这就要求直流变换器体积小，重量轻，还要有效率高。因此设计的DC-DC变换器要结构简单，能量转换高效。变换器功能的实现不仅取决于优秀的电路拓扑结构，还依赖于控制策略，以期整体系统动静态响应性能优良。

1.2 国内外研究现状

Boost变换器是应用广泛的DC-DC变换器之一，它主要利用电感储能后与电源一起向负载供电达到升压功能，电容储能后具有电压保持作用，使得输出电压稳定。四相移相Boost斩波电路是以Boost电路为基础衍生而来，它具有四个并联的基本斩波支路，开关管导通相位依次相差，加大了电流脉动，减小开关管的的电流应力，减轻平波电抗器质量。除上述拓扑结构外，还有应用更为广泛的交错并联Boost电路，该电路采用采用两个导通相位相差的 开关管并联组成，输出电流为两之路电流之和，减小电流纹波。为得到更高的升压比，有学者提出带耦合电感的Boost变换器。它的滤波电感相互耦合，可以跟好的实现对输入电流的均流效果，通过耦合电感提高升压比^[3]。另有学者引入开关电容，配合合理控制，利用电容充放电提高了电压增益，同时还降低了开关器件所要承受的电压应力^[4]。在此基础上，采用输入多级串联而输出并联，以期输出电压倍增的方式也为电路拓扑结构提供了新思路。多级Boost电路串联组成级联式升压电路也是一种新方法，其最后总升压比即为各分级电路升压比之积，可以实现更大范围的升压^[5]。

同直流斩波电路相比，加入变压器的隔离型变换器具有中间高频交流环节，并有输入输出间电气隔离的作用。隔离型变换器又称间接直流变流电路，这是由于这种电路采用直流—交流—直流的变换过程决定的，这种电路又分为单端和双端两大类。在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，如正激、反激电路。这种电路的工作原理决定了电路只适用于小功率场合，无法得到大规模应用，显然是不适用本文设计的。在双端电路中，流经变压器的电流为正负对称的交流电路，例如全桥、半桥电路。全桥电路变压器双向励磁，磁芯利用率高，适用于大功率电气隔离场合。但该电路具有直通问题，需要设计精确的控制电路实现开关管的死区时间控制，对控制电路的要求较高，设计较为复杂。并且由于原边漏感的存在，会导致占空比一定程度上的丢失问题^[6]。

按变换器开关过程中开关管电压电流情况，可将开关电源技术分为软开关与硬开关技术。物理实际开关器件并非理想器件，在开关管两端电压未降到零时开通，在流经开关管电流未降到零时截止，这将导致开关器件在开通与关断时都会产生额外损耗，即是开通损耗与关断损耗。这种损耗是由于开关器件开关时引起的，极高的开关频率无疑会增加这种损耗，但高开关频率会降低所需滤波电容电感值，减轻电感质量，减小体积。因此要克服开通损耗与关断损耗以提高传递效率，减小变换器体积，发明了软开关技术。软开关技术的核心在于避免在工作过程中开关损耗和谐波的产生，常用的手段有增加耗能缓冲电路，设计谐振电路，改变驱动信号等方法。这些方法的核心都是降低电压变化率与电流变化率，使得在开关过程中，电压与电流交叠区域尽可能小，降低开关损耗。理想情况是开通时开关管两端电压下降到零之后，开关管导通，有电流流过；关断时流经开关管的电流为零后，开关管关断，此时开关损耗为零，提高变换器整体效率^[7]。

与主体电路同样重要的还有控制策略的选择，按控制信号分为电压控制与电流控制两种。电流控制模式有峰值电流控制与平均电流值控制，由于占空比等变量的改变会影响电流峰值幅值，故而这种方式难以精确控制，大多选用平均电流值控制方式^[8]。现行的经典控制理论——PID控制无法完全满足日新月异的控制需求，实时控制理论被不断提出，整体控制设计也向数字化发展。基于最经典的PID控制，有学者提出自适应PID算法，实时监测输入输出信号，运用算法自动求取合适的PID参数以满足电路需求，提高整体电路的动态性能。另有学者基于大数据算法，提出快速模型预测算法等应用软件程序快速精准控制电路的方法^[9]。各种不同的理论基于实际应用需求而不断推陈出新，使得电路的控制方法逐步趋于成熟，也给我们初学者更多的借鉴与思考。

1.3本文研究内容

本文研究内容针对50KW车用燃料电池升压DC-DC变换器，以实现升压恒高压输出为目的，设计出电路主拓扑结构，并进行相关参数计算。在控制电路方面，展开硬件设计、驱动电路设计以及电压电流采样电路设计。依据平均电流PID控制算法，设计控制软件电路，并建立仿真模型实验，从而确定相关设计参数，得到性能良好的变换器。本文研究内容如下：

1. 确定整体设计方案

整个系统可以分为硬件电路设计和软件电路设计，其中硬件电路包括主体电路与控制电路。对比不同拓扑的升压电路，分析其优缺点，选择合适的主电路拓扑结构。控制电路方面根据设计技术要求选择合适的驱动电路、采样电路。软件设计则是基于经典的PID调节控制理论，采用平均电流控制算法。

1. 50KW燃料电池 DC-DC 变换器的硬件设计

确定整体结构后，对主电路进行理论原理分析，并根据设计技术要求，设计出合适的器件参数。根据工程设计方法留有一定裕量后对元器件进行选型。最后完成控制电路的采样电路、驱动电路设计。

(3)软件控制电路设计

基于开关等效替代法，对斩波电路进行小信号模型分析，得到电路的传递函数。确定闭环反馈的类型，画出整体软件设计结构框图，计算加入PID调节器后的传递函数，根据技术要求设计出合适的PID参数。最后，将得到的PID参数进行硬件或软件处理。

（4）仿真验证

根据前文分析，搭建仿真模型，依据输出波形分析方案可行性，对所设计燃料电池 DC/DC 变换器的工作性能进行评估和分析。

第2章50KW车用燃料电池升压DC-DC变换器方案设计

本章根据设计要求分析不同拓扑结构的升压电路优缺点，选择出合理的拓扑结构。通过对隔离与非隔离型电路的分析，选择了Boost电路的升级拓扑结构——四相移相Boost斩波电路。确定整体电路的框架，完成系统结构的分析，画出系统框图。

2.1 设计指标

本文所设计的50KW的车载DC-DC变换器应当具备以下性能：①能量转换率要高，避免过多能量以热能形式损耗，且器件过热影响使用寿命；②分别对电压和电流进行采样反馈，同时控制电压和电流会使得变换器有较好的动态响应能力，可以实现恒压限流输出；③体积和重量要适中；④尽量增大功率密度；⑤输出纹波较小，工作安全稳定可靠。具体指标如表 2-1 所示：

表 2.1 燃料电池车载 DC-DC 变压器设计指标

2.2升压DC-DC变换器主电路的选择

DC-DC变换器输入端为直流输入，输出端为直流输出，通过相关的电力电子器件将电能进行变换。经过有效的控制手段可将DC-DC变换器的输出进行调制，得到高压、恒压或可变的电压输出。由于中间变换形式的不同，DC-DC变换器可分为直接变流电流（即从输入到输出整个过程均只有直流电存在）以及间接直流变换电路。间接直流变换电路是将输入端的直流输入先变换成交流电，再利用变压器进行电压变换，最后经过整流电路输出直流电。由于这种情况运用了变压器，电信号经过了由电到磁，再由磁到电的电磁变换，因此它具有电气隔离的作用。直接变流电路也即是非隔离电路主要由于其器件简单而运用广泛；而间接直流变换电路则是由于其体积小，能隔离，可用于极大功率变换而颇受欢迎。

2.2.1非隔离型电路

主电路作用是将燃料电池输出电压升压到一个合理电压值，并稳定系统性能。从理论上分析，有较多的斩波电路均可实现此功能，常见的电路有Boost、Cuck、Sepic、Zeta等电路，分别如图2.1所示。

1. Boost电路 (b) Cuk电路

(c)Sepic电路 (d) Zeta电路

图2.1 四种斩波电路拓扑

Boost电路结构最简单，所需元器件最少，开关管闭合导通时，电感储存吸收能量；开关管断开时，电感与电源一起向负载供电，以此达到输出电压高于输入电压的功能。由于开关管的导通时间以及电感量的大小不定，这种电路在工作时有两种模式：电感电流连续与电感电流断续。器件少，理论模型简单，因此控制方式也较为简单，应用广泛。

Cuk电路相较于Boost电路除多一个电感外，其工作模式也较为不同，由电容在输入输出级传递能量。但由于电路中存在两个电感，电路变得较为复杂，体积也相对增大，耦合电感的存在也会加大电磁干扰。

Sepic电路电源端一直有电流通过，负载端在开关管导通时存在无电流情况，这种电流断续模式有利于输入滤波，而Zeta电路恰好相反。这两种电路可以做到开关管关断，输出端电压立即降为零，效率也较高，但电路需要较为复杂的控制环路，设计较为复杂^[10]。

2.2.2隔离型电路

对于隔离型电路而言，输入输出端由变压器实现电磁信号转换而能够电气隔离，其主要电路有正激、反激电路，全桥、半桥电路以及推挽电路，如图2.2所示。

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