一、方案论证

1.1 比较与选择

方案一：串并电阻构成变换器

在制作的过程中，我们可以选择数量不等的精密电阻，进行串并联的连接，并外接到电路的负载一端和电池组一端，从而构成三端变换器，这种做法可以很方便的实现测电流、电压，但是获得的误差比较大。

方案二：利用升降压模块构成变换器

该变换器的输入是由直流稳压电源的输出决定的，并且其输出电压是可调节的，当接入降压模块时，调整其输出幅度，如没有达到题目效果再进行升压调节，从而保证变换器的输出固定在30V左右，误差不小于正负0.1V。但是，这样一来，该电流测量范围就会受到模块的影响，从而不符合监测基本要求。

方案三：采用升降压BUCK-BOOST模块构成变换器

提到该模块，应该很陌生，但是，其存在的意义至关重要。按其变换器的功能分为：降压变换电路（Buck）、升压变换电路（Boost)、升降压变换电路（Buck-Boost）、正激式变换电路、反激式变换电路、库克变换电路（Cuk）和全桥直流变换电路等。、升降压变换电路（Buck-Boost）是一种输出电压小于输进电压的单管不隔离直流变换器。其优点有电路结构清晰，实时性好，寿命较长，便于维护，精度较高。

综合三个方案，经比较发现，方案三更适合用于构成三端变换器的分析与研究测量，故采用方案三。

1.2 方案描述

设计并制作三端口DC-DC变换器，其结构框图如下图所示。变换器有两种工作模式：模式I，模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电（I_B>0）；模式Ⅱ，模拟光伏电池和电池组同时为负载供电（I_B<0）。根据模拟光照（Us的大小）和负载情况，变换器可以工作在模式一或模式二，并可实现工作模式的自动转换，在各种情况下均应保证输出电压Uo稳定在30V。

下图中直流稳压电源、二极管D、电阻Rs构成模拟光伏电池。直流稳压电源输出电压不小于60V，额定电流不小于3A的电源，二极管D、电阻Rs的选用应注意电流、功率等指标。图中的电池组由4节容量2000~3000mAh的18650型锂离子电池串联组成，我们采用自带保护功能的电池。电池组不需要封装在作品内，在我们测试的时候会自行携带至测试场地，就不会再更换电池了。

模式一：三端口DC-DC变换器结构框图

模式二：三端口DC-DC变换器结构框图

二、电路与程序设计

2.1 主回路与器件选择

我们主回路的构造是由直流稳压电源向电池组和负载供电，期间经过了三端口DC-DC变换器，之所以选择了直流稳压电源，是因为其内部构造具有稳定性、扩展性，能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。

针对有源桥式隔离型三端口变换器（triple acTIve bridge，TAB）存在的端口功率耦合和控制模型非线性问题，提出一种基于串联谐振网络的隔离型三端口变换器解耦方法。首先根据拓扑T/A等效变换和谐振工作原理对变换器的功率传输模型进行推导，分析了解耦网络对控制系统非线性特性的抑制作用，为系统控制环路设计和谐振参数的选取提供了依据。其次对单周期内变换器的工作模态和软开关特性进行了分析，给出功率传输电感参与谐振的实际工作过程。此外，对所研究拓扑和未解耦拓扑分别进行仿真，结果表明，该方法能够有效消除变换器功率控制环路的相互耦合，使拓扑等效为2个独立的DC/DC变换器，分别控制运行，提高系统的动态响应速度和稳定性。最后，通过试验样机在不同工况下进行实验验证，结果证明了原理分析的正确性和谐振解耦方法的有效性。

对于器件的选择，器件选型的基本原则是选择通用的、性价比高的物料。通用的物料，有诸多好处：1）价格低，通用的物料要么出货量很大，要么已经出来市场很久了，研发成本、模具成本、自动机成本基本都分摊完了，供应商多卖一份都是赚钱，所以价格容易谈；2）容易采购，因为通用，供应商一般会做常规库存备货，即使产品突然增量供应商也能供的上货，及时这个代理商那边没有，也方便去其他代理商那边协调要货，或者市场抓现货；3）品质稳定，因为量够大，出过的问题基本上以前都出过，都改善了，所以品质稳定

2.2 测量控制电路

我们对整个电路进行了测量，分别使用了7个显示装置（4个电压表、3个电流表），根据C题题目的要求，调整模拟光伏电池的输入端电压，也就是直流稳压电源的输出Us，中间部分是三端口变换电路，分别在其每个端口放置了电压表和电流表，用来监测数据，使其满足各个题目的要求。如下图是放置的监测数值的架构图：

三端口 DC-DC 变换器测试参考接线图

三、理论分析与计算

3.1 主回路主要器件参数选择

我们的设计主要采用了五大部分，具体参数如下描述：

（1）限流电阻Rs：10Ω/200w，负载电阻：50Ω/30w。

（2）数控液晶显示升压模块：输入电压（U-IN）：DC8V~60V，输入电流：0-15A，输出电压（U-OUT）：10V~120V，输出电流：0-15A，转换效率：85%，工作频率：150KHZ，短路保护：20A保险丝（非自恢复），工作温度：-40℃~85℃。

（3）升降压BUCK-BOOST模块：输入电压：1-55V，输出电压：1-52V，峰值效率：>98.5%，18650锂离子电池：容量 2000~3000mAh。

（4）电压监测继电器模块：检测范围：0-50V，输入电压：5V。

（5）LM2596S DC-DC降压电源模块：输入电压范围：直流3.2V 至 46V ，输出电压范围：直流 1.25V至 35V。

3.2 控制方法与参数计算

利用直流电压继电器控制三端口电路的变换I O =1.2A、US由55V 减小至 25V时继电器吸合使电池组和模拟光伏电池对负载供电

电压调整率：

负载调整率：

变换器效率：       

3.3 提高效率的方法

1.选择适当的变换器件。较高的变换器件可以减少变换器的体积和重量，提高输出电压THD，但是随着频率的提高开关管的损耗也会随之增加，开关管的损耗与频率成正比，开关频率越大，损耗也随之升高。因此，综合考虑下逆变器的开关频率为20kHz。

2.选择栅极电容与导通电阻较小的开关管；减小开关管的栅极串联电阻，可改变控制脉冲上升/下降时间、防止震荡，减小开关管的漏极的冲击电压；同时在开关管的栅极和源极之间并联较大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流。

3.合理设计滤波电感。为滤除载波频率及高次谐波，提高输出THD，将滤波器截止频率设置为合适的频率值，电容选择Cf=30uf的CBB电容，由截止频率公式：fT=1/2T*根号下Cf*Lf。考虑到题目对效率的要求，选择EE55型号磁芯，绕线更加紧凑而减少漏感；适当增加电感气隙来免因磁饱和所附加的铜损；采用多股细铜线代替单股粗线来绕制电感，从而降低铜损，减少邻近效应效应。

四、测试方案与测试结果

4.1 测试方案及测试条件

测试方案如有：（1）当输入的Us=50V、Io=1.2A条件下，使变换器工作在模式I，Uo=30V±0.1V，I≥0.1A。（2）当输出的Io=1.2A且Us由45V增加至55V时，可以达到电压调整率Su≤0.5%即可。（3）在Us=50V、Io由1.2A减小至0.6A时，负载的调整率S1≤0.5%。（4）当Us=50V、Io=1.2A条件下，使变换器效率η₁≥90%。（5）Io=1.2A、Us由55V减小至25V，且变换器能够从模式I自动转换到模式Ⅱ，在Us全范围实现最大功率点跟踪，偏差为

（6）Us=35V、Io=1.2A条件下，变换器工作在模式Ⅱ，Uo=30V+0.1V，效率7h≥95%。（7）Us=35V、Io由1.2A减小至0.6A，变换器能够从模式Ⅱ自动转换到模式I，负载调整率S≤0.1%。

测试条件在交流电为220V的电压下，应避免外界干扰对测试准确度的影响；检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试设备引起的测试误差应满足所测参数准确度的要求；施加被测器件（DUT）应在额定条件下达到稳定输出后开始测试，测试用设备、仪器等应按该设备、仪器的使用要求进行预热。

4.2 测试结果及其完整性

测试结果如下表：

4.3 测试结果分析

根据上述测试数据，由此可以得出以下结果的结论：

（1）该电源输出的直流电压能够保持较高的稳定性；

（2）该电源具有良好的电压调整率和负载调整率；

（3）该系统采用有源功率因数校正，可改善电源输入功率因数，三端口变换器效率达百分之零点九五以上；

（4）电源具有过流保护功能。

综上所述，本设计达到设计要求。

五、结论

本文通过研究和比较三端口DC-DC变换器，最终选择了一种非隔离的基于双电感Boost和双向双电感Buck拓扑的变换器，并且拓扑中不含耦合电感。通过分析非隔离三端口DC-DC变换器的工作状态，确定了主功率拓扑的参数；通过小信号分析，建立了各个端口的模型；针对卫星电源的实际工作状况，设计了合理的工作方式和能量管理方案；为保证变换器在各种工作方式下都具有较高的稳定性和动态响应特性，采用双环控制作为控制方式，并且计算验证了所设计的补偿网络参数。通过仿真分析，验证所提出方案的可行性，并且调整相关参数以满足设计要求。通过搭建实际电路，验证了设计方案的可行性与可靠性等优点，对于航天器电源的优化具有重要意义。

本课题所提出的非隔离三端口DC-DC变换器，采用拓扑合并技术，以减小元件数量和整体体积。通过设计合理的工作方式和控制方式，得到一套体积小、功能完善的一体化电源控制器，整个系统工作状态稳定，性能良好。因此，高性价比的变换电路仍将是未来电力电子技术工程师努力和追求的目标。

参考文献：

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2002.2.

[2]岳云.提高开关电源效率的电路技术[J].熊猫电子，2005.5.

[3]李昕玉.高频软开关电源的研究[M].黑龙江：黑龙江科技学院，2009.10.

[4]胡宗波，张波.同步整流器中MOSFET的双向导电特性和整流损耗研究[J].中国电机工程学报，2002, 22(3):20-30.