双向直流-直流变换器的设计与仿真
姓名：张羽
学号：109081183
指导教师：李磊
院系：动力工程学院
摘要：本文选取了一种以Buck-Boost变换器为基础的双向DC-DC变换器进行了研究，设计了一种隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器。并根据设计指标，对变压器、输出滤波器、功率开关等进行参数设计，并使用saber仿真软件完成了这种带高频电气隔离的拓扑的仿真。 关键字：双向DC-DC变换器 Buck-Boost变换器 saber仿真软件 uc3842
0 引言
所谓双向DC-DC变换器就是实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC-DC。它的
输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。是典型的“一机两用”设备。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本。 近年来,双向DC/DC变换器在电动汽车、航天电源系统、燃料电池系统以及分布式发电系统等方面得到了广泛应用。
DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。
本文选取Buck-Boost双向DC-DC变换器进行了仿真实验。
2 Buck-Boost双向DC-DC变换器
2.1 Buck-Boost变换器
将Buck变换器与Boost变换器二者的拓扑组合在一起，除去Buck中的无源开关，除去Boost中的有源开关，如图所示，称为升降压变换器。它是由电压源、电流转换器、电压负载组成的一种拓扑，中间部分含有一级电感储能电流转换器。它是一种输出电压既可以高于也可以低于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck-Boost变换器和Buck变换器与Boost变换器最大的不同就是输出电压的极性和输入电压的极性相反，输入电流和输出电流都是脉动的，但是由于滤波电容的作用，负载电流应该是连续的。
图2.1 Buck-Boost变换器的拓扑
2.2非隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的原理及参数计算
如图2.2所示，将Buck-Boost变换器中的功率二极管与可控功率器件（如Power MOSFET、IGBT等）并联，再将可控功率器件与功率二极管并联，就构成了非隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器。
图 2.2非隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的拓扑
这种电路的主要优点是，电压增益随占空比的变化可以降压也可以升压，同时电路的结构比较简单。但同时也存在一些不足之处，如不适用于大功率场合下的应用等等。
非隔离Buck-Boost BDC的工作原理与Buck-Boost电路类似，但是实现了能量的双向流动。
现以能量从左向右流动时的情况对电路原理进行简要说明。当开关管T1导通时，二极管D2反偏截止，电感由直流电源充电，而负载电压由电容C2维持。当T1关断时，D2正偏导通，将原先存储在电感中的能量释放出来，一方面向负载供电，另一方面向C2充电。在这两种状态的情况下，输出电压的极性和输入电压的极性都是相反的，也就是说，电路的直流增益小于0。
对于能量从右向左流动时的情况而言，电路原理是一致的，在此就不重复说明。
在非隔离Buck-Boost BDC的情况下，可以对电路中的功率开关、输出滤波器等器件进行参数计算。
在仿真实验中，开关管选择MOSFET，开关频率为20kHz，负载为0.5欧。
设计指标：
输入电压Ui=24V； 输出电压Uo=12V； 输出电流Io=20A；
输入、输出要有高频电气隔离； 输出电压纹波Vpp<200mV；
输出滤波电感电流纹波Ipp<400mA; 变换效率〉80%；
输入电压Ui为24V时的占空比为
输出滤波电容为：
由于非隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的输入电流和输出电流都是脉动的。为满足低输出纹波的要求，需要加入滤波器进行平波。同时，由于这种滤波器可以使用标准介质电容器，使设备成本较低。
