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零电流转换移相全桥直流变换器研究

2020-12-01阅读(534)

零电流转换移相全桥直流变换器研究

论文摘要

随着科技的进步和电力行业的发展,开关电源已广泛用于电力、航天、通信、等,成为十分活跃的热门领域。高性能、高效率成为开关电源追求的目标。但常规变换器的功率开关管工作在硬开关方式,开关频率不高,开关电源的效率较低。这严重地制约了开关电源向着小型化、模块化的方向发展。而PWM软开关技术的提出使变换器高频高效率地运行成为了可能。特别是近年来提出的移相全桥脉宽调制软开关变换器受到广泛的关注。本文简要介绍了开关电源软开关技术的发展历程,并分析传统软开关PWM全桥变换器的工作过程和它们存在的一些缺点,如软开关范围窄、副边占空比丢失严重、副边整流二极管的电压应力过高、转换效率较低等。对采用IGBT作为开关器件的全桥PWM变换器而言,实现零电流开关(ZCS)技术比零电压开关(ZVS)技术更有效。对此本文提出一种改进型零电流转换(ZCT)移相全桥DC/DC变换器拓扑。该变换器通过在原边增加一个由电容和电感构成的有源辅助电路,在开关管状态发生变化时,控制辅助电路的谐振电流,可实现主功率开关管和辅助开关管的零电流开通和关断,消除IGBT拖尾电流引起的开关损耗,同时减小二极管的反向恢复损耗。辅助电路结构不会增加开关管的导通损耗,还能一定程度上克服传统零电压全桥变换器原边环流损耗大和占空比丢失严重的缺点。详细分析该改进型全桥变换器的工作原理以及实现零电流开关的条件,给出了主电路拓扑结构及相关参数选取。然后,应用状态空间平均法,结合移相控制技术和软开关谐振电路的工作特点,建立全桥ZCT PWM DC/DC变换器的小信号模型,并在此基础上对变换器的稳定性和动态性进行分析。在理论分析基础上,本文对变换器进行仿真研究,设计该变换器的主电路、驱动电路,特别针对主电路中的磁性元件、滤波环节等进行详细设计。基于TMS320LF2407 DSP的控制平台,本文进行软件部分设计,实现了变换器的移相PWM控制信号,以及变换器的部分保护功能。同时结合IR公司推出的集成驱动芯片IR2113,通过对驱动电路增加两个无源元件,改进设计带有负电压关断的硬件驱动电路,克服了IR系列不能产生负电压的缺点,有效防止IGBT的米勒效应。为验证此改进型全桥ZCT PWM DC/DC变换器的性能,研制实验电路,并进行了实验调试。仿真和实验结果证明理论分析的正确性及设计方案的可行性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 概述
  • 1.2 软开关技术发展现状
  • 1.2.1 硬开关技术的局限性
  • 1.2.2 软开关技术的提出和发展
  • 1.3 全桥软开关功率变换器
  • 1.3.1 全桥变换器简介
  • 1.3.2 全桥变换器控制策略
  • 1.4 本课题的研究意义和研究内容
  • 2 全桥ZCT PWM DC/DC 变换器改进及分析
  • 2.1 引言
  • 2.2 移相全桥变换器拓扑比较
  • 2.2.1 全桥ZVS PWM DC/DC 变换器
  • 2.2.2 全桥ZVZCS PWM DC/DC 变换器
  • 2.2.3 全桥ZCS PWM DC/DC 变换器
  • 2.2.4 全桥ZCS PWM DC/DC 变换器的改进思想
  • 2.3 改进型变换器拓扑结构及工作原理分析
  • 2.3.1 改进型全桥ZCT 变换器拓扑概述
  • 2.3.2 改进型变换器工作原理分析
  • 2.4 改进型变换器零电流转换实现条件
  • 2.4.1 谐振电容稳定电压值分析计算
  • 2.4.2 实现ZCT 对谐振电感和电容的要求
  • 2.4.3 实现ZCT 对辅助开关管驱动时序的要求
  • 2.5 本章小结
  • 3 改进型全桥ZCT PWM DC/DC 变换器建模与闭环设计
  • 3.1 引言
  • 3.2 系统稳态工作模型分析
  • 3.3 系统小信号平均模型分析
  • 3.4 变换器的传递函数
  • 3.5 系统反馈补偿设计
  • 3.5.1 脉宽调制器传递函数
  • 3.5.2 变换器开环频率特性
  • 3.5.3 双极点双零点补偿网络设计
  • 3.6 本章小结
  • 4 全桥变换器实验电路设计
  • 4.1 变换器技术指标
  • 4.2 主电路设计
  • 4.2.1 变压器设计
  • 4.2.2 升压电感设计
  • 4.2.3 功率IGBT 的选择
  • 4.2.4 副边整流二极管的选取
  • 4.2.5 输出滤波环节设计
  • 4.2.6 抗偏磁电容选取
  • 4.3 辅助电源设计
  • 4.4 驱动电路设计
  • 4.4.1 驱动设计要求
  • 4.4.2 IR2113 驱动电路设计
  • 4.4.3 驱动负电压设计
  • 4.5 数字移相PWM 设计
  • 4.5.1 TMS320LF2407 的主要特点
  • 4.5.2 移相PWM 控制设计
  • 4.5.3 移相PWM 算法实现
  • 4.6 本章小结
  • 5 全桥变换器仿真及实验分析
  • 5.1 仿真软件的选择与介绍
  • 5.2 仿真方案设计
  • 5.3 开环仿真波形及分析
  • 5.4 闭环仿真波形与分析
  • 5.5 实验波形及分析
  • 5.5.1 移相PWM 波形实验
  • 5.5.2 IR2113 驱动实验
  • 5.5.3 主电路实验波形
  • 5.6 本章小结
  • 6 总结与课题展望
  • 6.1 全文工作总结
  • 6.2 研究不足与课题展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录

    • 相关论文文献

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