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摘 要

目前，能源的存储量已经相当少了，既要解决能源需求的问题，又要满足环保的要求，人类必须研究新的能源作为替代。

根据现在人类科技的发展和可利用资源的限制，最环保清洁，并且可以长久使用的资源就是太阳能。太阳能非常丰富的能源，并且利用起来很容易，与其他一次能源相比较稳定。光伏发电作为受到全球关注，因为只是一项具有很好的发展前景的科技，对于其中的各种技术方面的研究相当广泛。光伏储能环节是比较重要的，其在光伏发电的系统中是必不可少的，为了将电能输送给蓄电池和或者将蓄电池中保存的电能输送给电网，这就有必要在蓄电池和电网之间安设一个双向直流变换器。好的双向直流变换器的拓扑结构不仅能优化其性能，还能提高电网的电能利用率，降低整体的成本，保证输出的波形的稳定。

本文选取Buck/Boost双向DC-DC变换器，并在其拓扑结构中加入LCD缓冲电路和零电压开通电路。首先介绍直流变换器及双向直流变换器的研究背景，再介绍软开关技术的研究背景、近况和未来发展。 接着详细阐明了充电时双向直流变换器工作在Buck支路形态下的工作情况，并将未加软开关技术和加入软开关技术后的拓扑进行对比分析，用同样的方法再分析了放电时工作在Boost支路状态下的工作情况。为了保持输出电压的稳定，加入了一个闭环反馈支路，简略分析了其工作原理。最后用Saber软件进行仿真，并通过将其仿真波形对比直观的展示其优化程度。

关键词：Buck 软开关 双向直流变换器 光伏储能 Boost

Research on Soft - switching Technology of Buck Type DC - DC Converter

Abstract

As fossil fuel is now uncontrolled use, resulting in environmental pollution is very serious. At present, the energy storage capacity has been quite little, it is necessary to solve the problem of energy demand, but also to meet the requirements of environmental protection, human beings must study the new energy as an alternative.

According to current development of people science with technology with the availability resources, the most environmentally friendly clean, and can be long-term use of resources is solar energy. Solar energy is very rich in energy, and easy to use, and other primary energy compared to stable. Photovoltaic power generation as a global concern, because only a very promising development of science and technology, for which a variety of technical aspects of a wide range of research. Photovoltaic energy storage is essential in photovoltaic power generation, in order to send the power delivered to the battery and the battery stored in the power supply to the grid, the need to install a battery and the grid between the two-way DC converter. A good two-way DC converter topology can not only optimize its performance, but also improve the power grid utilization, reduce the overall cost, to ensure the stability of the output waveform.

In this article, Buck / Boost bidirectional DC-DC converter, and in its topology to add LCD buffer circuit and zero voltage turn-on circuit. Firstly, the research background of DC converter and bidirectional DC converter is introduced, and the background, current situation and future development of soft switching technology are introduced. The working principle and basic topology of the soft switching technology and the DC converter are analyzed in detail, and then the two-way DC-DC converter is analyzed. Firstly, the operation of the bi-directional DC converter in the Buck branch state is analyzed in detail. The topology of the soft switch technology and the softswitch technology are compared and analyzed. The same method is used to analyze the operation Working in the Boost branch state. With the intention of maintain stability of the output voltage, adding a closed-loop feedback branch, a brief analysis of its working principle. Finally, the simulation with Saber software, and its simulation by comparing the visual display of its degree of optimization.

Keywords: Buck Boost soft-switching Bidirectional-converter Photovoltaic energy storage

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景及研究意义 1

1.3 软开关技术的开发与发展 2

1.3.1 软开关技术提出的原因 2

1.3.2 软开关技术的原理和分类 3

1.3.3 软开关技术的现状及其发展 4

1.4 本文研究内容 5

第二章 DC-DC变换器基本原理及发展 6

2.1 DC-DC变换器的基本原理及拓扑结构 6

2.2 Buck型DC-DC变换器的原理 7

2.3 双向DC-DC变换器的基本原理 9

2.3.1 双向DC-DC变换器的原理 9

2.3.2 双向DC-DC变换器的拓扑结构 11

第三章 光伏储能中的双向变换器 13

3.1 光伏储能中的双向变换器的工作原理 13

3.1.1光伏储能系统中变换器Buck支路工作原理 14

3.1.2光伏储能系统中变换器Boost支路工作原理 15

3.2双向DC-DC变换器的改善 16

3.2.1 LCD缓冲电路分析 16

3.2.2 零电压软开关技术应用 17

3.3 光伏储能中的双向DC-DC变换器的参数设计 18

3.3.1 滤波电容 18

3.3.2 储能电感 19

第四章 Buck支路的闭环控制系统介绍 22

第五章 双向DC-DC变换器的仿真实验及波形分析 25

5.1 Buck支路仿真 25

5.1.1 Buck支路仿真模型 25

5.1.2 Buck支路仿真波形分析 26

5.2 Boost支路仿真 27

5.2.1 Boost支路仿真模型 27

5.2.2 Boost支路仿真波形分析 28

5.3 Boost支路加入闭环反馈控制后的仿真 29

5.3.1 Boost支路闭环反馈控制仿真模型 29

5.3.2 Boost支路闭环反馈控制仿真波形分析 29

结论 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 引言

电力电子技术是电力领域中一门新兴的电子技术。电力电子技术发展迅猛，从上个世纪60年代提出电力电子学这一名称到现在，短短60年时间，已经达到电力领域不可或缺的地位。其中电力变换技术作为开关电源的核心和基础，有着非常广阔的应用领域。双向DC-DC变换器的应用也越来越广泛，可运用到航天电源系统（Aerospace power system）、电动汽车（Electric vehicle）、直流不停电电源系统（DC-UPS）、直流功率放大器（DC power amplifier）、蓄电池能量储备系统（Battery energy storage system，BESS）等多种场合^[9]。随着科技的发展，为了减小开通和关断的损耗，将工作效率和频率提高，减小体积，硬开关技术逐渐被淘汰，从而提出了软开关技术。软开关技术可以满足以上一系列要求，并且改善了直流变换器的动态性能。

1.2 课题背景及研究意义

随着电力电子技术在短时间内走向成熟，开关电源也向着高频率、高效能、低损耗、低成本的目标完善，硬开关电源已经无法满足现在科技的要求，硬开关存在开关损耗，因此效率低，并且频率无法提高，这就造成了体积不能减小的问题，这就需要用到软开关技术。将软开关技术运用到电路中，理论上可以将开关损耗降到0，从而改善开关电源的效率，增加频率，减小设备占用空间的大小，动态性能也随之变得更好。

目前，全球的煤炭石油天然气等一次能源在急剧减少，各国在研制新能源，并且煤炭等一次能源对环境造成了大量的污染，人类需要研制出新的清洁能源。光伏发电近些年光伏发电发展迅猛，但是光伏发电不稳定，受外界因素干扰较大，随机性和不稳定性很大，因此储能是很关键的，并且在太阳能电池板和蓄电池中间需要装一个DC-DC双向变换器，这样就可以控制储能设备在充放电时的稳定性，这样既可以使得蓄电池的使用寿命得到延长，又使得系统的安全得到保障，同时提高了可靠性。所以双向直流变换器及其软开关技术的研究有着很大的使用价值和现实意义。

1.3 软开关技术的开发与发展

1.3.1 软开关技术提出的原因

开关管工作波形如下图1-1所示，开关管得电导通后，电压不会立即降为零，电流不会立即上升到负载电流。在电压电流下降和上升的过程中会有一个重叠的区域，这个重叠区域的面积就是开关管的开通损耗（Turn-on loss）。同样，在开关关断的过程中电流也不会立即下降为零，电压也不会立即上升到电源电压。在电压减小和电流增大的过程中同样有一个重叠区域，这个重叠区域的面积就是开关管的关断损耗（Turn-off loss）^[10]。因此当开关管闭合和关断时会产生相应消耗，即开关损耗（Switching loss）。在损耗无法避免的同时还会有较的电压尖峰伴随着出现，从而会出现开关噪声的问题，以及存在电磁干扰很严重，影响了周围的设备的正常运行。我们将具有这种特性的开关器件称为硬开关（Hard Switching）。

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