摘 要

近些年来，我国经济快速增长，能源利用不充分问题日益突出。在响应国家节能政策的大环境下，作为节能和效益显著的高频开关电源技术迅速深入市场，在我国军用、民用等诸多领域得到广泛的应用。本文以降压型同步开关为研究点,主要研究了系统控制级和功率级的模型，设计了一款高压输入低压输出的DC-DC高频开关电源系统，并进行了建模与仿真研究。

本论文起初介绍了课题研究目的及意义和开关电源国内外研究现状，并提出四种电路拓扑结构进行电路分析与对比，它们分别是典型的降压斩波电路、正激电路、全桥电路和推挽电路。然后通过综合比较各拓扑电路的优缺点，确定本设计DC-DC电源系统拓扑主电路为级联式电路：前级Buck电路，后级全桥电路。其中，在电路的控制环节，我们运用PWM脉宽调制技术。在完成主电路工作原理分析与元器件参数计算的基础上，我们使用Matlab/Simulink软件对主电路进行了建模与仿真分析。

通过仿真，我们需要实现：输出电压24V，功率5kW，输出电压波动性≤5%，输出电流波动性≤10%。仿真结果表明，本设计能有效降低输入直流母线电压，且输出直流电符合要求，输出稳定。

关键词：DC-DC；Buck电路；全桥电路；PWM；Matlab/Simulink；

Abstract

In recent years, China's economy has been growing rapidly, and the problem of insufficient energy utilization has become increasingly prominent. In the context of responding to the national energy conservation policy, the high-frequency switching power supply technology, which is featured by energy conservation and remarkable benefits, has rapidly entered the market and been widely used in military and civil fields in China. This paper takes the step-down synchronous switch as the research point, mainly studies the control level and power level models of the system, designs a high-frequency dc-dc switching power supply system with high voltage input and low voltage output, and conducts modeling and simulation research.

At first, this paper introduces the purpose and significance of the research and the research status of switching power supply at home and abroad, and proposes four circuit topologies for circuit analysis and comparison, which are the typical step-down chopper circuit, positive excitation circuit, full-bridge circuit and push-pull circuit. Then by comprehensive comparison of the advantages and disadvantages of each topological circuit, it is determined that the main topological circuit of the dc-dc power supply system designed in this paper is a cascade circuit: the front-stage Buck circuit and the back-stage full-bridge circuit. Among them, we use PWM technology in the control link of the circuit. On the basis of analyzing the working principle of the main circuit and calculating the component parameters, we use Matlab/Simulink software to model and simulate the main circuit.

Through simulation, we need to realize: output voltage 24V, power 5kW, output voltage fluctuation 5%, output current fluctuation 10%.Simulation results show that the design can effectively reduce the input dc bus voltage, and the output dc meets the requirements, stable output.

Keywords: DC-DC; Buck circuit; Full bridge circuit; PWM; Matlab/Simlink;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文章节安排 4

第2章 高压输入型DC-DC电源系统方案研究 5

2.1 非隔离型Buck方案 5

2.2 隔离型方案 6

2.2.1 正激电路 7

2.2.2全桥电路 8

2.2.3 推挽电路 9

2.3方案比较与选择 11

2.4 本章小结 12

第3章 高压输入型DC-DC电源系统参数计算 13

3.1主电路工作原理 13

3.2 电路元器件的参数计算以及选取 13

3.2.1 Buck电路参数计算 14

3.2.2全桥电路的参数计算 15

3.3 PWM的控制方案设计 17

3.3.1 PWM 概述 17

3.3.2 PWM的实现 17

3.4本章小结 18

第4章 高压输入型DC-DC电源系统建模与仿真 19

4.1 基于Buck的非隔离型电路仿真 19

4.2 基于全桥的隔离型电路仿真 20

4.3级联式主电路仿真 22

4.4本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1总结 25

5.2 展望 25

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

能源被称为中国最重要的战略物资之一，其存在深刻地影响着中国国民经济的发展。随着中国经济的持续快速发展，高耗能行业不断诞生，再加上人口大国的基本国情，我国俨然成为能源消耗大国，其主要能源消耗是石油、煤炭等天然化石能源。伴随着当今社会的快速发展，源源不断的能量在不断地产生、传送、转换和消耗，电源在这些过程中占据着举足轻重的关键作用。然而在这个过程中，由于电源相关技术的不成熟，整个过程表现出低效率和高消耗，能源无法得到充分利用。

自21世纪以来，信息产业化不断升级，日常需求日新月异，性能优越的电子设备种类和数目与日俱增，更新换代的速度越来越快，导致行业竞争异常激烈。而隐藏在这些电子设备内部的电源类似于人体内的心脏，是极其重要的。电源芯片的参数指标是否优异，决定了电子设备的功能和可靠性^[1]。通过翻阅相关书籍和文献，我们推断绿色电源势必是未来发展的趋势。

20世纪中叶前，线性调节器式稳压电源由于电路结构简单，发明得比较早，在当时得到了人们的普遍采用。线性调节器式稳压电源具有许多优点，诸如噪声小，纹波小，抗干扰能力强；但是这种电源只能实现降压效果，不能实现升压效果，电源输入端与输出端之间无法电气隔离，很难实现小型化，具有高损耗，最终导致效率低下，不适用于大功率器件，无法符合时代潮流下技术上对电源的硬件性要求。随着电力电子设备越来越趋向于集成化、便携化，电源芯片被要求体积更小、效率更高、功耗更低^[2]。于是，开关电源慢慢浮出水面，并逐步取代线性调节式稳压电源。

顾名思义，开关电源是一种利用晶体开关管的快速通/断的时间来控制输出电压的高频电源。对比于线性稳压电源，开关电源具有以下优点：

1）效率高；理想情况下不存在功率损耗；

2）体积小、重量轻；由于没有变压器，所以体积和重量只有线性电源的20%~30%^[3]；

3）可降压或升压输出；

4）输入输出直接容易实现电气隔离；

5）容易实现多路输出；

6）可输出负电压；

7）输入电压宽带很宽。

截止到目前，人类已经发现的电可分为直流电和交流电，这两种电之间存在着四种相互变换，这决定了开关电源有以下四种运行方式：直流变直流（DC-DC），直流变交流（DC-AC）、交流变直流（AC-DC）、交流变交流（AC-AC）^[4]，每种变换的特点表述为下表1.1^[5]。作为开关电源控制与功率转换的核心，DC-DC高频变换器始终是国内开关电源研究的热点。

总而言之，开关电源是20世纪节能方面的一个奇迹，被誉为绿色电源。它逐步取代了线性电源，引领着稳压电源的发展，如今更是已经成为稳压电源的主流产品。此外，在一些开关电源设计中，高频变压器和控制电路被集成在一个芯片中，使得电源更高效、输出更稳定、可靠性更高等等，是今后电源的发展趋势。因此，本文根据实际应用设计了一款高压输入低压输出的大功率DC-DC级联式（前级Buck电路，后级全桥电路）开关电源，并使用Matlab/Simulink软件进行仿真模拟。

表1.1 开关电源的分类

1.2 国内外研究现状

上个世纪中期，美国国家宇航局（National Aeronautics and Space Administration）迫于提高火箭的灵活性，需要改进大而笨重的装载电源，使其体积更小、效率更高，研发了首个开关电源，开关电源因此问世^[6]。

查阅相关文献了解到，在开关电源发展史中，大致有三次具有重大意义的技术变革：首先，1955年电气工程师G.H.Roger将推挽式晶体管作为单变压器，研发了具有高频控制转换电路的直流变换器；第二次，1957年电气工程师JenSen年研发了了自激式推挽电路；第三次，1964年，美国科学家首次推出了无工频变压器的串联开关电源^[7]。

上世纪八十年代，计算机技术发展最快，计算机电源芯片要求也越来越高，开关电源便首次进军计算机行业，计算机电源以很快的速度被替换成体积更小、效率更高的开关电源。直到九十年代，开关电源强势进入电气设备和电力电子行业，均赢得了广泛的应用。因此，开关电源的设计研发以及制造技术进入了高速发展时期^[8]。

相比于美国、日本等发达国家，我国开关电源技术发展得比较晚，技术相对落后。在20世纪70年代末到80年代初这段时间，开关电源的研发主要是活跃在高校老师的实验室或者科学研究中心，由于当时技术的不成熟，并没有被大量投入使用。在20世纪80年代中期，开关电源的规模初具雏形，相关的电源产品开始向市场推广。

就目前而言，开关电源在我国的军用和民用等领域都得到了充分的应用，但是鉴于自有的优点，传统的相控电源、线性电源还会在一些工业生产领域得到使用。但是，随着开关电源技术的高速发展和国家对节能方面的重视，目前还在使用的一些低效率的电源势必会被功能更加强大的开关电源所取代。尤其是近年来国家经济高速发展，国家重视科研程度更高，在开关电源研发方面不断地投入资金与人力，科研水平也日益提高，开关电源科研成果也推陈翻新，成绩斐然。纵观如今生活的方方面面，开关电源随处可见，譬如手机充电器等，开关电源不仅仅体现为一种存在形式，而是在发展中不断地进化成长^{[9][10][11][12]}。

进入21世纪，我们推测开关电源将会有更大的发展空间，但这是一门很复杂的技术，强烈需要国内电力电子、材料等工业和学术各界交叉合作，可以沿着以下几个方向，一起努力研发与开关电源相关的产品和技术^[13]。

1. 高性能SiC功率半导体器件；
2. 高频磁技术；
3. 新型电容器的开发；
4. 低压大电流电源的开发；
5. 高频开关电源的电磁兼容研究；
6. 开关电源的设计与测试技术；
7. 便携式电子设备燃料电池电源DC-DC变换器。

DC-DC开关电源，也称作DC-DC开关变换器，从字面意思上通俗易懂，它的功能就是将一种给定电压的直流电变成另一种固定或者可变的直流电。在实际中的应用中，DC-DC 开关电源可以利用部分电力电子元器件和逻辑电路来实现电能的转换。在汽车电子仪器仪表、航空航天等领域、电力电子、军工、科研、工业控制、路由器等通信领域，DC-DC 开关电源都被大量应用^[14][15][16]。通过模块组建电源系统，有助于提高电源的可靠性，缩短设计周期，更容易实现系统升级，这使得电源模块被应用地越来越广泛^[17][18]。

由于技术研发起步晚，目前国外品牌占据着国内DC-DC模块电源的主要市场，具体来说是，它们的电源业务覆盖了大部分的大功率模块电源市场以及一半的中小功率模块电源市场。但是，随着国内相关技术的不断追赶和进步，DC-DC开关电源生产规模不断扩大，从国外进口地中小功率模块电源正在快速地被国产DC-DC电源产品代替。

1.3 论文章节安排

本论文题目为一种高压输入低压输出的DC-DC电源系统建模与仿真研究，文中主要工作安排为：主电路拓扑方案对比与选择、元器件参数计算和Matlab软件建模仿真分析。具体章节安排如下：

第一章：将从能源方面引入，详细阐述开关电源的研究背景及意义，对国内外的研究现状进行总结，并系统归纳DC-DC开关电源未来发展的几个趋势。

第二章：针对DC-DC变换器提出Buck电路、正激电路、全桥电路和推挽电路四种主电路拓扑结构，分别讲述各个电路的工作原理，之后通过比较各拓扑电路的优缺点，最后确定本设计电路拓扑结构。

第三章：详细介绍级联式DC-DC变换器（前级Buck电路，后级全桥电路）的工作原理，根据电路输入输出要求，完成电路中元器件的参数计算以及二极管、IGBT的选型。另外，在控制环节，介绍PWM技术以及实现过程。

第四章：参考第三章计算出来的元器件参数，通过不断对比和调试，完成级联式 DC-DC变换器的建模仿真，并对仿真结果进行分析。

第五章：第一部分对全文工作进行系统性的总结；第二部分说明自己在工作中的不足，对没有完成的工作进行展望。

第2章 高压输入型DC-DC电源系统方案研究

PWM型DC-DC变换器的作用，是利用PWM技术将一给定的直流电转变成另一要求输出的直流电。通常情况下，我们可以根据DC-DC变换器是否在输入端与输出端之间运用高频变压器实现电气隔离，将电路分为两种，它们分别是：非隔离型DC-DC 变换器和隔离型DC-DC变换器。非隔离型DC-DC变换器中只存在直流电，不存在交流电，变换器通过开关管的关断对输入直流电进行斩波处理，因此也被称为斩波电路。斩波电路主要包括降压斩波电路、升压斩波电路、Cuk斩波电路等等；隔离型DC-DC变换器由于高频变压器的存在，一般先逆变后整流，可靠性较高。变换器中既存在直流电，也存在交流电，主要包括正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路五种。此外，为了减少损耗和改善电力电子器件的工作环境，隔离型DC-DC变换器中的高频变压器各绕组应紧密耦合，尽量减小漏感。

为了分析方便，特作如下规定：

1. 所用的电力电子器件都是理想器件；
2. 在电路中，输入电压不受开关管Q影响，幅值始终不发生变化；
3. 输出滤波电感L和电容C均为理想储能元件，无损耗；

4）线路阻抗为零。

下面我们将要详细介绍符合本设计要求的非隔离性方案和隔离性方案，并进行方案比较与选择。

2.1 非隔离型Buck方案

Buck降压式DC-DC变换器电路结构如图2-1所示，输出波形如图2-2所示。其显著特点为：输入电压U_i大于或等于输出电压U_o，即U_i≥U_o。

Buck DC-DC变换器的主电路，元器件从左至右依次为功率全控开关器件Q（图中为IGBT）、二极管D、输出滤波电感L和输出滤波电容C。全控开关器件Q与负载R侧电路串联。

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