PAGE半橋多電平DC-DC變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要： 1關(guān)鍵詞： 11緒論 21.1研究背景 21.2DC-DC變換器的簡介 31.3本文的研究內(nèi)容 42半橋多電平DC-DC變換器的工作原理 42.1Buck變換器 42.2半橋多電平DC-DC變換器的基本電路圖及工作原理 72.3半橋多電平DC-DC變換器基本電路圖及工作原理 142.4閉環(huán)的控制方法與實(shí)現(xiàn) 153半橋多電平DC-DC變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)選取 213.1半橋DC-DC變換器基本電路參數(shù) 213.2半橋多電平DC-DC變換器基本電路參數(shù) 234Matlab/Simulink仿真 264.1MATLAB/SIMULINK 264.2半橋DC-DC變換器系統(tǒng)仿真模型的建立 274.3半橋多電平DC-DC變換器系統(tǒng)仿真模型的建立 285結(jié)論 30共56頁第24頁摘要：本課題主要是對(duì)半橋直流變換器和多電平直流變換器的性能進(jìn)行簡單的研究。通過讓半橋直流變換器和半橋多電平直流變換器將2000V直流輸入轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的400V恒流輸出比較分析它們的性能。在對(duì)兩個(gè)直流變換器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)半橋多電平DC-DC變換器是一種功能更強(qiáng)大且穩(wěn)定的直流變換器。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；Buck；半橋；DC-DC；MATLAB1緒論1.1研究背景隨著當(dāng)前世界形勢(shì)的不斷復(fù)雜變化以及我國國民經(jīng)濟(jì)的高速健康發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)人們的日常生活中，電能已經(jīng)成為生產(chǎn)和生活必不可少的一部分，但并不是每一種電都能從一開始就滿足需求，因此需要一個(gè)能量變換過程。根據(jù)應(yīng)用分析DC-DC變換器現(xiàn)在廣泛用于遠(yuǎn)程信息通信中，在計(jì)算機(jī)及辦公自動(dòng)化領(lǐng)域中也會(huì)用到這個(gè)技術(shù)，不僅在這些領(lǐng)域會(huì)用到，工業(yè)儀表、軍事航天等領(lǐng)域也會(huì)有應(yīng)用，所以說DC-DC變換器已經(jīng)涵蓋了經(jīng)濟(jì)、生活、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。在20世紀(jì)90年代，低生產(chǎn)率地區(qū)的DC-DC變換器的增長的速度得到了很大的提高。測(cè)試設(shè)備和PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)使用的一種DC-DC變換器是將6W轉(zhuǎn)換成25W的直流變換器。微處理器高速處理是DC-DC變壓器發(fā)展的必然趨勢(shì)，其效率平均都較低，因此，將250W轉(zhuǎn)換成750W的直流轉(zhuǎn)換器得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，主要用于醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、電信設(shè)備和其他多通道通信技術(shù)，直流變換器具有重要的數(shù)字通信應(yīng)用。DC-DC變換器可以使給定的直流電壓經(jīng)過變換器后變換為較為穩(wěn)定的直流電壓，此項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在很多方向上比如鐵路交通工具的無級(jí)變速和控制，運(yùn)用這樣的變換器可以有效的控制速度穩(wěn)定在一定范圍且使之具有能夠及時(shí)響應(yīng)的特性。從節(jié)約能源的角度來說，用直流轉(zhuǎn)換器做了一個(gè)測(cè)量綜合可以節(jié)約20％到30％的電能。高頻PWM脈沖技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)商品化的DC-DC變換器，f（頻率）大概是50KHz，功率的密度是0.31W/cm3~1.22W/cm3。發(fā)展至今，有的公司其實(shí)已經(jīng)開發(fā)了零電壓斷路器的二次電源模塊，這其實(shí)已經(jīng)大大提高了功率密度。電子工業(yè)的快速發(fā)展極大地促進(jìn)了開關(guān)頻率和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，電子設(shè)備通常被稱為主電源和直流變換器，也就是二次電源。電源是一種從單相或三相交流電網(wǎng)到固定電壓的電源，高頻開關(guān)取代了傳統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)器。其一般提供的頻率都是高頻，并且會(huì)使用相關(guān)的軟件將其頻率控制在50KHz到100kHz之間，效率高，可靠性高。由于電子產(chǎn)品中使用的集成電路種類繁多，在電子產(chǎn)品中都需要有電源系統(tǒng)，其中可以有高頻電源，在使用的過程中主要是從母線電壓到所需的直流電壓，大大降低了功耗，維護(hù)和安裝非常方便，減少了工作量。通?？芍苯影惭b在標(biāo)準(zhǔn)控制面板上，二次電源需求量大。電子設(shè)備容量的增加也將提高其性能。1.2DC-DC變換器的簡介DC-DC變換器主要是對(duì)電能進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換的。隨著科技的發(fā)展，在人們的日常生活中，電力已成為與生產(chǎn)生活息息相關(guān)的一部分，然而并不是所有的電力都能在一開始就滿足需求，于是就要求有電力變換的過程。對(duì)于該變換器的發(fā)展史，主要從二十年前說起，當(dāng)時(shí)Lucent公司研發(fā)出第一個(gè)變換器，當(dāng)時(shí)其輸出功率并不是很高，僅僅只有30W，當(dāng)時(shí)其體積還比較大，效率也并不是很高，所以為了可以有更好的研究，工程師不斷對(duì)其進(jìn)行研究和開發(fā)，在八十年代末，從體積和功率密度兩個(gè)方面進(jìn)行出發(fā)，首先是將其電源工作頻率進(jìn)行研究，但是這樣的研究雖然導(dǎo)致其體積減少，但是效率也降低了，并且出現(xiàn)了發(fā)熱變多的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)的開關(guān)速度還不是很快，因此，導(dǎo)致其開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗也比較大。隨后變換器不斷進(jìn)行改進(jìn)，在演化的過程中，逐漸將各種技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，并且這些新技術(shù)的發(fā)展逐漸對(duì)其變換器產(chǎn)生影響，讓其拓?fù)涑霈F(xiàn)了變化，對(duì)于其未來的發(fā)展方向有高效率、高功率密度、高可靠性、高性能、低成本以及小體積，許多直流變換技術(shù)也是圍繞這些因素相繼被提出。并且經(jīng)過技術(shù)的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今的半橋變換器的輸出功率較之前提高了10倍，并且其轉(zhuǎn)換效率也得到了很大的提高。目前直流變換器在很多領(lǐng)域中都逐漸被使用，尤其是在計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表等行業(yè)中，并且其變換器的種類也在不斷增多，目前使用最多的一類變換器是PWM型DC-DC變換器。1.3本文的研究內(nèi)容本文研究的內(nèi)容主要包括：(1)研究半橋DC-DC變換器和半橋多電平DC-DC變換器的工作原理。(2)研究PWM脈沖寬度調(diào)制方法機(jī)理和半橋DC-DC變換器的控制手段。(3)本次課題主要是需要半橋DC-DC變換器和半橋多電平DC-DC變換器將電壓從2000V降低到400V。(4)采用MATLAB仿真軟件對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真研究。2半橋多電平DC-DC變換器的工作原理2.1Buck變換器本課題研究的是一種基于Buck變換器的半橋多電平直流變換器，分析了Buck變換器的基本特性、結(jié)構(gòu)和功能，半橋多電平DC-DC變換器的研究是由Buck變換器演變成最后的結(jié)果，所以在此基礎(chǔ)上概述Buck基本變換器的本質(zhì)特征，之前已經(jīng)對(duì)該變換器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，并且對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，將其工作結(jié)構(gòu)分為開關(guān)三極管原件，以及二極管，還包括電感、電容、反饋環(huán)路。根據(jù)圖中的單刀雙擲開關(guān)S是通過電源控制兩個(gè)不同的方向輸出，模型為導(dǎo)線繞成圓柱線圈的電感元件L和導(dǎo)體中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)電容元件C組成的Buck變換器的電路圖如圖2-1(a)所示。從圖中的2-1(b)所示，從占空比的角度看三極管D工作中的晶體管，電路圖中的變換器組成主要有二極管，電感L，電容C。在電路設(shè)計(jì)完成之后，電壓出現(xiàn)的變化是把直流的電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的功能。（a）（b）圖2-1Buck基本變換電路當(dāng)開關(guān)S處在位置點(diǎn)時(shí)候，在我們所研究的電路圖中2-2（a）所示的電流流過電感線圈L，流過電路的電流會(huì)線性慢慢往上增加，流過的電流在負(fù)載電阻R上，電路的線端兩端有輸出電壓，直流電具有正、負(fù)極性。由圖可得結(jié)論，當(dāng)時(shí)，電容C處于充電的滿倉狀態(tài)。表示二極管承受的反向電壓U；在之后其中，是S在a時(shí)間，是周期；與前面相對(duì)應(yīng)的分析當(dāng)開關(guān)S處在位置時(shí)，如圖2-2（b）所示，線圈L的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，并且整個(gè)兩端的電壓會(huì)逐漸呈現(xiàn)極性狀態(tài)，為了保持的電流不會(huì)產(chǎn)生變化。R兩端電壓仍是上正下負(fù)。時(shí)，電容處在放電狀態(tài)，有利于維持、不變。二極管在承受正方向的偏壓構(gòu)成通路為電流，這就是續(xù)流二極管的。與其對(duì)應(yīng)相稱的降壓變壓器是由于變換器輸出的電壓小于電源輸出的電壓。輸入電流在工作中閉合開關(guān)時(shí)，，打開開關(guān)時(shí)，，但輸出電流，L、D1、C具有連續(xù)的和平穩(wěn)的作用。輸出電壓等于占空比乘輸入電壓。（a）（b）圖2-2Buck變換器的電路工作過程根據(jù)循環(huán)開始時(shí)感應(yīng)電流的大小，可分為感應(yīng)電流連續(xù)運(yùn)行和感應(yīng)電流斷續(xù)運(yùn)行兩種模式，波形分別如圖2-3所示。圖2-3Buck變換器的工作波形圖2.2半橋DC-DC變換器的基本電路圖及工作原理半橋DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)是由Buck基本變換器來串入形成半橋式結(jié)構(gòu)再與變壓隔離器聯(lián)結(jié)演變而成。由于一次斷路器的壓降大，電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般用于中、小功率，而應(yīng)用能夠廣泛應(yīng)用，通過對(duì)半橋式變壓器直流工作原理的分析，為半橋式變換器提供了較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原邊開關(guān)管會(huì)有一個(gè)電壓應(yīng)力降低，整個(gè)電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)十分簡單，一般在中小功率中會(huì)被使用。因此本次設(shè)計(jì)都是從這樣的原理出發(fā)，將其從工作原理的角度進(jìn)行解析，變壓器狀態(tài)的特性簡化了初始過程。站在穩(wěn)態(tài)特性角度分析，簡化演變整個(gè)設(shè)計(jì)的推導(dǎo)過程，首先假定：（1）這里將設(shè)所有的開關(guān)晶體管、二極管都是十分理想的電子元件，從原理上講就是可以隨時(shí)為導(dǎo)通或者通電截止?fàn)顟B(tài)，如果電路導(dǎo)通后壓降就是零，同樣的道理電路截止的時(shí)候漏電流也是為零。（2）在這類型結(jié)構(gòu)中電感和電容是比較理想的電子元件，當(dāng)在工作的過程中，電感的顯示呈線性變化，但是一直不能達(dá)到飽和，這個(gè)時(shí)候電阻就是通路電阻，并且電容和串聯(lián)電阻含義一樣，相當(dāng)于零。（3）在輸出的電壓中，其紋波電壓和輸出電壓之間的比值幾乎可以為0?；倦娐啡缦旅娴膱D2-4：圖2-4半橋DC-DC變換器基本電路圖電容器、與開關(guān)晶體管、組成橋,橋的對(duì)角線接變壓器T原邊繞組，故稱半橋式變換器。在電路中如果假設(shè)，當(dāng)某一開關(guān)晶體管通電后導(dǎo)通時(shí),發(fā)現(xiàn)繞組上的電壓只有電源電壓的二分之一。在比較穩(wěn)定電位狀態(tài)下,，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電壓加在上，開關(guān)管流過電流。設(shè)計(jì)的電路在開關(guān)管關(guān)斷的條件下，原邊繞組、電容形成一個(gè)電流的回路，在原邊繞組上、下兩端極性為分別為正負(fù)，經(jīng)過在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)（占空比）的時(shí)間后，因?yàn)樵吚@組存在的方向不變，所對(duì)應(yīng)的值會(huì)慢慢變小，這個(gè)時(shí)候B點(diǎn)的電位為負(fù)，導(dǎo)通，二極管通過能量的反激再生能量，這樣對(duì)再充電。在阻尼電阻的作用下B連接的電壓最終以振蕩的形式恢復(fù)到初始值。在關(guān)閉一段時(shí)間后，給一個(gè)使換流臂由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的控制脈沖，導(dǎo)通，原邊繞組同名端變成反方向。電路通過電容、原邊繞組、開關(guān)管形成一個(gè)回路，重復(fù)以前過程。不同的是，方向變反，關(guān)斷時(shí)點(diǎn)B擺動(dòng)到正，導(dǎo)通，反激能量對(duì)充電。副邊驅(qū)動(dòng)電路的工作如下：當(dāng)通電導(dǎo)通時(shí),副邊繞組電壓V使二極管導(dǎo)通,電流通過二極管、電感（）、負(fù)載（）構(gòu)成電流回路，當(dāng)斷開,繞組電壓兩端都變?yōu)榱恪ｋ娐穼?dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通，負(fù)載R上的電流與電壓相關(guān)方向沒有發(fā)生改變，通過上面概述形成的方波電壓，經(jīng)過電感和電容構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。如圖2-5所示。圖2-5原邊開關(guān)管電壓及輸出電壓波形2.3半橋多電平DC-DC變換器基本電路圖及工作原理圖2-6半橋多電平DC-DC變換器基本電路圖半橋三電平LLC變換器基本電路圖如圖2-6所示，LLC諧振器主要起到濾波的作用，不做主要觀察對(duì)象。半橋三電平變換器在移相控制下的工作波形如圖2-7所示。圖中，～分別表示開關(guān)管～的開關(guān)信號(hào)，與以及與互補(bǔ)導(dǎo)通180°，與的移相比為()，表示二者的移相角與180°之比(下同)，有。變換器開關(guān)頻率恒定，且滿足。通過控制移相比來控制輸出電壓。圖SEQ圖\*ARABIC2-7移相控制下三電平半橋變換器的工作波形在開關(guān)周期內(nèi)整個(gè)工作過程可以分為6個(gè)階段，其中每一個(gè)階段都會(huì)對(duì)象電路圖，如圖2-8所示。圖2-8變換器在每階段的運(yùn)行電路階段如圖2-8（a）所示。之前，和開通，和關(guān)斷。時(shí)刻,關(guān)斷，諧振電流此時(shí)小于0，在電流的作用下，通過充電，通過放電。和發(fā)生諧振，在的作用下線性減小。到時(shí)刻，兩端電壓為,兩端的電壓為0。階段2如圖2-8（b）所示。當(dāng)在時(shí)刻，整個(gè)兩端的電壓變?yōu)?,在這個(gè)過程中零電壓開通，諧振電流由負(fù)向變?yōu)檎?，。?lì)磁電感兩端電壓為，勵(lì)磁電流正向線性增大，輸入電壓和折算過來的輸出電壓的差值給諧振腔供電，和構(gòu)成諧振回路。其等效電路如圖2-8(a)所示。圖2-8變換器在每階段的運(yùn)行電路階段如圖2-8(c)所示。時(shí)刻，關(guān)斷，此時(shí)諧振電流大于0，在這一階段內(nèi)，充電，放電。和發(fā)生諧振,在的作用下繼續(xù)線性增大。到時(shí)刻，兩端電壓為,兩端電壓為0,導(dǎo)通,為的零電壓開通提供條件。階段4如圖2-8(d)所示。時(shí)刻,開通,充電至,導(dǎo)通，諧振電流此時(shí)大于勵(lì)磁電流，且方向?yàn)檎颍ㄟ^和給諧振腔供電。和發(fā)生諧振,繼續(xù)線性增大，減小，直到。此階段等效電路如圖2-8（b）所示。圖2-8變換器在每階段的運(yùn)行電路階段5如圖2-8（e）所示。時(shí)刻，諧振電流等于勵(lì)磁電流，即，變壓器二次側(cè)二極管全部截止,和變壓器一次側(cè)隔離開來,開始參與諧振,此時(shí)的諧振頻率變?yōu)?。由于很大，所以諧振周期會(huì)很長,電流在這段時(shí)間內(nèi)變化不大，二次側(cè)電容給負(fù)載供電。此時(shí)的等效電路如圖2-8(c)所示。階段6如圖2-8（f）所示。時(shí)刻,關(guān)斷,在這一階段內(nèi),充電,放電。諧振電流通過給充電,放電,兩端電壓迅速增大,而兩端電壓迅速減小。當(dāng)減小到0時(shí),導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)零電壓開通。2.4閉環(huán)的控制方法與實(shí)現(xiàn)使用PWM的調(diào)制方法對(duì)主電路進(jìn)行控制，根據(jù)載荷變化來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出。PID控制方法是出現(xiàn)最早的方法，當(dāng)時(shí)其所涉及的設(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)非常簡單，非常適合工程應(yīng)用背景，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，這樣的方案并不適用于所有的控制器，尤其是精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。但是一旦實(shí)行該控制方法，其效果十分明顯，比例積分微分控制器是工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中使用最廣泛的控制策略。在實(shí)際應(yīng)用中，比較常見的控制器是串聯(lián)控制器，主要的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。在真正使用的過程中主要是通過驅(qū)動(dòng)裝置來控制受控對(duì)象，并且其主要被看做是飽和非線性連接，比例微分積分系統(tǒng)其主要結(jié)構(gòu)就是這樣，但是在控制的過程中，有些信號(hào)難免會(huì)存在一定的干擾性。因此，為了可以減少干擾信號(hào)的存在，在控制過程中主要是的將這些造成干擾的信號(hào)歸為高頻噪聲信號(hào)，并且將其進(jìn)行定義成是測(cè)量噪聲。圖2-9PID控制器的基本結(jié)構(gòu)連續(xù)比例積分微分控制器的一般形式為：其中，是系統(tǒng)誤差信號(hào)的加權(quán),是系統(tǒng)積分，系統(tǒng)的相對(duì)應(yīng)導(dǎo)數(shù)。為了可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，并且減少誤差的產(chǎn)生，更好的對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在這個(gè)過程中，需要對(duì)控制器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并且在整個(gè)控制過程中讓其沿著誤差減少的方向進(jìn)行變化。PID控制結(jié)構(gòu)簡單，這三個(gè)加權(quán)系數(shù),和具有明顯的物理意義：比例控制器直接影響電流誤差信號(hào)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，控制器應(yīng)立即采取行動(dòng)以減少偏差。一般情況下，控制量值越大，偏差越小，在這個(gè)設(shè)計(jì)的電路中是對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有影響，會(huì)使負(fù)載的敏感度隨著偏差變小而變小，與其相反的是測(cè)量噪聲的敏感度會(huì)隨著偏差減小而變的更高?？紤]到根軌跡分析，增加了閉環(huán)系統(tǒng)的無極限不穩(wěn)定性，在這個(gè)過程中積分控制器會(huì)對(duì)誤差信號(hào)產(chǎn)生一定的影響，一旦在控制器中將其積分控制進(jìn)行引入，就可以消除其產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。但積分值的增加會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的振蕩，很小的值會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)慢慢變到一個(gè)穩(wěn)定值；微分控制器的主要作用于誤差導(dǎo)數(shù)，這樣可以對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)，知道其變化趨勢(shì)，當(dāng)其出現(xiàn)的變化比較大的時(shí)候，可以根據(jù)分析對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。的增加的值可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間。如果過大，則會(huì)由于系統(tǒng)噪聲或被控對(duì)象的大時(shí)延而出現(xiàn)問題。對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)而言，其參數(shù)處于核心地位，在整個(gè)系統(tǒng)中其PID控制參數(shù)包括三部分，主要是比例系數(shù)、積分和微分時(shí)間。該參數(shù)并不是隨便去尋找，而是需要根據(jù)之前研究的一些相關(guān)資料，對(duì)其參數(shù)調(diào)整的方法進(jìn)行總結(jié)和整理，目前主要是將其分為兩個(gè)部分：一個(gè)是通過一些理論公式將其進(jìn)行計(jì)算，這樣數(shù)據(jù)主要是在之前的數(shù)學(xué)模型上所建立，所以參數(shù)會(huì)更加理想化，產(chǎn)生的影響是理論化的參數(shù)相對(duì)于實(shí)際其實(shí)有時(shí)候并不能使用，要根據(jù)需要再進(jìn)行整理，再次整理的過程需要借助實(shí)際的工程；第二類就是工程設(shè)置，這種方法說白了就是經(jīng)驗(yàn)法，就是通過實(shí)驗(yàn)來確定參數(shù)，一般就是將控制算法在控制系統(tǒng)測(cè)試中進(jìn)行，相對(duì)來說這種方法簡單易掌握，而且也體現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際，這也是將理論知識(shí)放在實(shí)際工程中的應(yīng)用。經(jīng)過對(duì)資料整理和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其參數(shù)的調(diào)整方法主要分為三種，分別是臨界比例法、響應(yīng)曲線法和衰減法。對(duì)于這三種方法，每一種方法都會(huì)有其自身的特點(diǎn)，并且三種方法之間還存在一定的共同點(diǎn)，為了可以讓數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，本次設(shè)計(jì)在對(duì)方法進(jìn)行確定的過程中，經(jīng)過再三考慮和對(duì)比，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整主要分為以下幾個(gè)步驟：（1）在剛開始的時(shí)候，采樣周期一定要盡可能小，確保在這樣的采樣周期中其系統(tǒng)可以正常工作；（2）之后周期穩(wěn)定之后，需要添加比例控制，當(dāng)出現(xiàn)突然的震蕩變化之后，可以對(duì)其比例系數(shù)和臨界震蕩周期進(jìn)行記錄；（3）在這樣的控制下，可以通過一定的公式對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在調(diào)試階段只是對(duì)其進(jìn)行粗略的計(jì)算，之后通過調(diào)節(jié)對(duì)其設(shè)定的參數(shù)加以修改，當(dāng)然有時(shí)候參數(shù)設(shè)定會(huì)比較好，但是也有時(shí)候會(huì)設(shè)定的不太理想，那么就要實(shí)際的思考和重新再設(shè)定。為了將系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定地控制在一定值，因此在設(shè)計(jì)的過程中采用閉環(huán)控制，這樣可以更好實(shí)現(xiàn)。在輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)候，這樣可以通過開關(guān)管的占空比對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。對(duì)于整個(gè)閉環(huán)裝置，主要是有以下一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，如圖2-10所示。在整個(gè)控制的過程中，在給定環(huán)節(jié)中設(shè)置輸出電壓為一定值，檢測(cè)環(huán)節(jié)會(huì)將實(shí)際的輸出電壓顯示，在比較的環(huán)節(jié)中，需要將給定和實(shí)際之間的電壓進(jìn)行比較，得到偏差；校正環(huán)節(jié)根據(jù)偏差的極性和大小調(diào)整開關(guān)管的通斷時(shí)間；放大鏈路將校正鏈路的輸出調(diào)整到適當(dāng)?shù)谋嚷省D2-10控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-11是對(duì)其控制回路的總結(jié)，在這個(gè)過程中主要其主要由三部分組成，分別是PID控制器，限制元件和比例環(huán)節(jié)，其中輸入的電壓是一定值，將其設(shè)為正，輸出電壓是反饋，主要是對(duì)其進(jìn)行反饋。將兩個(gè)電壓之間進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，整個(gè)電壓進(jìn)行相加，然后按比例減小，成為PWM調(diào)制中的比較電壓。其中，PID控制器起到放大偏差和消除誤差的作用。為了避免積分連桿無限地積分和放大偏差，這可能會(huì)燒傷部件，必須引入限位連桿。從給定電壓中減去調(diào)整后的偏差信號(hào)作為比較電壓。比例環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置：當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓等于給定值時(shí)，偏差信號(hào)為零，限位環(huán)節(jié)后仍為零，再加上所需的輸出值。圖2-11PID控制回路3半橋多電平DC-DC變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)選取3.1半橋DC-DC變換器基本電路參數(shù)由于2000V直流變400V恒定直流，在軍事系統(tǒng)和一些特定的工業(yè)系統(tǒng)有著實(shí)際應(yīng)用，故我們將輸入?yún)?shù)定為2000V，輸出參數(shù)定為400V。由2.4節(jié)可知比例環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置：當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓等于400V時(shí)，偏差信號(hào)為零，限位環(huán)節(jié)后仍為零，再加上所需的輸出值400V,在比較器之后，占空比應(yīng)正好為0.7。V0=式中：--原邊繞組電壓(V)--原邊繞組匝數(shù)(匝)--副邊繞組匝數(shù)(匝)--其中一管導(dǎo)通的占空比--工作周期(s)D1+D2=0.7Np圖3-1半橋DC-DC變換器的基本電路圖這種小功率變流器的設(shè)計(jì)，選擇其他的參數(shù)，以獲得有利于控制的性能，但又不會(huì)造成電路的過度損耗，選定電阻串接在原邊環(huán)中，并取。3.2半橋多電平DC-DC變換器基本電路參數(shù)在進(jìn)行LLC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)前，必須確定LLC諧振變換器的基本設(shè)計(jì)要求，包括輸入電壓、輸出電壓等參數(shù)，如共振頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)變流器中各諧振元件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，達(dá)到了增加利潤的要求。使用額定輸入電壓時(shí)，在額定功率下，設(shè)置LLC開關(guān)頻率fs等于共振頻率fr。本論文的共振頻率是fr=12.3kHz。表3-1中列出了具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。性能指標(biāo)額定值單位輸入電壓（DC）2000V輸出電壓400V輸出功率8000W諧振頻率12.3kHz表3-1LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)規(guī)格在額定輸入、輸出電壓的情況下，計(jì)算變壓器的變比n： n=Vin2若精確到1位小數(shù)，可采用變比n為1.8。當(dāng)最大輸入電壓時(shí)，LLC諧振器需要的增益M：

M=2×n× 那么，在設(shè)計(jì)LLC諧振參數(shù)的過程中，只需要最終LLC諧振器的增益能夠符合要求，即可認(rèn)為參數(shù)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。下面計(jì)算LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的增益大小。圖SEQ圖\*ARABIC3-3LLC諧振變換器的FHA（基波分量近似分析法）等效二端口網(wǎng)絡(luò)如圖3-3所示，等效電路的輸入阻抗為： （式3.5） LLC諧振變換器的FHA等效電路的增益表達(dá)式為： （式3.6） 化簡上式并歸一化得到的直流增益表達(dá)式為: （式3.7）其中：勵(lì)磁電感和諧振電感的歸一化為： （式3.8）頻率歸一化為： （式3.9）品質(zhì)因數(shù)為： （式3.10）根據(jù)式（3.7）可以繪制LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的增益曲線。初步選擇Q值為0.5，分別選擇4個(gè)不同的m值繪制增益曲線。圖3-4LLC諧振變換器的增益曲線（m值變動(dòng)）可以觀察到當(dāng)m值較小時(shí)，增益曲線較為陡峭，這意味著開關(guān)頻率較小的變動(dòng)就會(huì)使得輸出增益劇烈變動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故此處選擇m值為8.5。當(dāng)m值為8.5時(shí)，增益曲線能夠滿足前文計(jì)算的增益范圍要求，且曲線較為平坦，有利于輸出電壓的穩(wěn)定。在固定m值為8.5時(shí)，通過改變Q值來觀察Q值對(duì)系統(tǒng)的影響。從小Q值到大Q值相當(dāng)于變流器的負(fù)載，如果選擇一個(gè)更小的Q值，從而使變換器開關(guān)頻率在較小的變化范圍內(nèi)獲得較大的增益變化范圍；但是當(dāng)收益小于1時(shí)，為了得到最小的收益，要求提高開關(guān)頻率。以Q值折中，取0.5。圖3-4LLC諧振變換器的增益曲線（Q值變動(dòng)）Q與m選定后可以計(jì)算LLC的三個(gè)參數(shù)，首先計(jì)算副邊電阻等效至原邊時(shí)的等效電阻：

Req 將電感比值定義與品質(zhì)因數(shù)定義進(jìn)行聯(lián)立求解： m=LmQ=LrCfr=12π4MATLAB/Simulink仿真4.1MATLAB/SIMULINK1967年，美國的Mathwork公司推出了MatrixLaboratory(MATLAB)，即MatrixLaboratory。它是MATLAB的早期原型。MATLAB自問世以來，因其高度集成和易于應(yīng)用而受到高校的青睞。因?yàn)榉奖愕氖褂?，能夠快速地?shí)現(xiàn)科研人員的想法，極大地節(jié)約了研究人員時(shí)間，受到廣大科研工作者的擁護(hù)。MATLAB是解釋型的執(zhí)行語言，在計(jì)算、模擬和繪圖方面功能強(qiáng)大。因?yàn)镸ATLAB易于使用、易于擴(kuò)展，尤其是在世界范圍內(nèi)，數(shù)以千計(jì)不同領(lǐng)域的研究者在科學(xué)研究過程中不斷擴(kuò)展其功能，使之成為一個(gè)龐大的知識(shí)庫。研究者們通常可以通過MATLAB了解到某個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)，這就是為什么MATLAB風(fēng)靡全球的原因。此外，高級(jí)語言，如MATLAB，也有不錯(cuò)的接口，易于與其他語言混合編程，因此，MATLAB的應(yīng)用潛力進(jìn)一步擴(kuò)大。1990年Works公司推出SIMULINK產(chǎn)品，建立了MATLAB環(huán)境下的系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境。大部分是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬。完整的SIMULINK模塊庫包含了不同的模塊組。simulinkmodule提供了構(gòu)建系統(tǒng)模型所需的大部分模塊。在進(jìn)入MATLAB環(huán)境之后，模塊庫可以用SIMULINK命令打開。使用者可根據(jù)系統(tǒng)要求選擇所需模塊，加入對(duì)應(yīng)的模塊。找出該模塊，使用鼠標(biāo)把它拖到你自己的系統(tǒng)模型上，SIMULINK描述如何使用鼠標(biāo)繪制線連接系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)模型中不同的要求進(jìn)行設(shè)定或更改模塊參數(shù)，啟用mock菜單(simulation)，設(shè)置模擬參數(shù)，起動(dòng)模具模擬時(shí)，使用者可透過輸出示波器(示波器)觀測(cè)各觀測(cè)點(diǎn)之波形，您還可以使用plot命令在目標(biāo)后面繪制。4.2半橋DC-DC變換器系統(tǒng)仿真模型的建立模擬系統(tǒng)要求：半橋式DC-DC變換器的設(shè)計(jì)，要求它能將2000V直流電壓降低到400V，系統(tǒng)輸出功率降低到16000W，開關(guān)頻率10KHz。穩(wěn)定誤差在1%以內(nèi)，具有良好的跟蹤性。圖4-1半橋DC-DC系統(tǒng)的仿真模型圖4-1是半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)變壓器的計(jì)算，線圈匝數(shù)是2.2:1，可以使半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器將2000V的DC輸入轉(zhuǎn)換為所需的400V，并且動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)滿足要求，輸出反饋電壓與給定的400V電壓比較后，經(jīng)過PID環(huán)節(jié)可以得到較好的調(diào)節(jié)能力，經(jīng)過SIMULINK進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)好電路參數(shù)，可以將輸入的2000V轉(zhuǎn)換成恒流400V，仿真結(jié)果如圖4-2所示，從波形圖中可以看出，大約經(jīng)過0.16s電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最初的時(shí)刻會(huì)有電壓的波動(dòng)，也在1%的范圍之內(nèi)。圖4-2半橋DC-DC變換器輸出電壓4.3半橋多電平DC-DC變換器系統(tǒng)仿真模型的建立仿真系統(tǒng)的要求：設(shè)計(jì)一個(gè)半橋多電平DC-DC變換器，要求其可以將2000V直流電壓降壓至400V，負(fù)載端電阻為20，系統(tǒng)的輸出功率為8000W,開關(guān)頻率為12.3KHz。圖4-3半橋多電平DC-DC系統(tǒng)的仿真模型圖4-3是半橋多DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的模型。半橋多電平DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?000V的DC輸入轉(zhuǎn)換為所需的400V，并且動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)滿足要求，經(jīng)過SIMULINK進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)好參數(shù)，可以將輸入的2000V轉(zhuǎn)換成恒流400V，仿真結(jié)果如圖4-4（a）所示，從波形圖中可以看出，大約經(jīng)過0.02s電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最初的時(shí)刻會(huì)有電壓波動(dòng)，也在1%的范圍之內(nèi)。圖4-4（a）半橋多電平DC-DC變換器輸出電壓圖SEQ圖\*ARABIC4-4（b）開關(guān)管波形圖如圖4-4（b）所示，在半橋三電平電路中，四個(gè)開關(guān)管占空比大約為0.5。采用的是移相控制，與理論分析一致。如圖4-4（c）上部為LLC諧振之前的電壓波形圖，波形為三電平，三個(gè)電壓等級(jí)分別為0V、1000V、2000V，下部為變壓器原邊電壓波形圖，波形為矩形方波，電壓等級(jí)為正負(fù)720V。當(dāng)Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，LLC諧振器輸出電平為2000V，原邊電壓為正720V；當(dāng)Q2和Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，LLC諧振器輸出電平為1000V，原邊電壓為正720V；當(dāng)Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，LLC諧振器輸出電平為0V，原邊電壓為負(fù)720V；當(dāng)Q1和Q圖4-4（c）LLC諧振前電壓波形圖和原邊電壓波形圖5結(jié)論隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電能轉(zhuǎn)換在人們的生活中起著越來越重要的作用。本課題對(duì)半橋DC-DC型變換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，該變換器可將2000V恒壓轉(zhuǎn)換成400V穩(wěn)定電壓，其結(jié)構(gòu)簡單，初級(jí)側(cè)開關(guān)電壓應(yīng)力比半橋多電平DC-DC變換器略大，仿真結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。然而，由于某些參數(shù)過于理想化，無法考慮諸如磁通量漏感和電容內(nèi)阻等許多因素的影響，且穩(wěn)態(tài)效果不如半橋多電平DC-DC變換器，所以在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下應(yīng)該先考慮用半橋多電平DC-DC變換器。參考文獻(xiàn)[1]楊海英,謝少軍.軟開關(guān)半橋直流變壓器研究[J].電力電子技術(shù),2006(02):48-50.[2]謝小高,張軍明,蔡擁軍,錢照明.半橋變流器的軟開關(guān)控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006(03):48-52.[3]劉智超,方資端.占空比移相半橋DC/DC變換器的研究[J].電力電子術(shù),2006(03):94-95.[4]張占松，蔡宣三開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007[5]徐德高，金剛.脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電源.科學(xué)出版社,