一种高频大功率交错并联直流电子负载系统的研究

论文摘要

近年来,大功率直流电源已经广泛地应用于社会的各个行业之中。为了确保大功率直流电源长期安全、稳定的工作,必须对这些电源进行相关测试来评估其各项输出特性。在传统测试中,一般使用体积庞大的电阻、电阻箱等静态负载来代替实际应用场合中的各种负载。但是这些静态负载很难对被测电源的输出电流进行连续调节,且自身特性也会由于长时问的性能测试而改变。针对传统静态测试负载的不足,本文设计了一种高频大功率直流电子负载。依据所提出的交错并联电路拓扑结构,应用PI控制器,实现被测直流电源输出电流的连续调节及精确控制。本文的主要内容如下：(1)在对比分析了几种常用DC/DC变换器拓扑结构及其工作特点的基础上,本文提出一种新的交错并联拓扑结构来实现直流电子负载。这种新的拓扑结构易于实现直流电子负载的大功率和高频化。通过定量分析的方式说明了本文所提出的拓扑结构及交错触发逻辑能够有效地减小电路中无源器件的体积。(2)分析了本文提出的直流电子负载系统具体的工作状态,采用基本建模法建立了系统的小信号模型及其小信号等效电路,从而得到了系统稳态下的数学表达式。利用古典控制理论的方法,得到了本系统中输入电流与占空比、输出电压与占空比的伯德图曲线,证明了本文提出的直流电子负载系统的稳定性。(3)在理想条件下,对三相交错并联拓扑结构的输入电流纹波进行了详细分析,确定了本系统输入电流纹波幅值具体受到哪些因素制约。在上述分析的基础上,确定了本系统运行的占空比区间。运用MATLAB中的SIMULINK搭建了本系统的仿真模型,对直流电子负载系统常见的工作方式进行了仿真。通过对仿真结果的分析,验证了系统拓扑结构及控制方法的合理性与可行性。(4)为了验证本文提出的电路拓扑结构及控制方法的有效性,搭建了以DSP为控制核心的实验平台,对系统的硬件及软件进行了设计,并编写了系统控制策略及各关键组成部分的软件程序。从实验数据和实验波形来看,所设计的高频大功率直流电子负载系统及控制方法达到了预期效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究目的
• 1.2 电子负载的研究现状
• 1.2.1 直流电子负载研究现状
• 1.2.2 交流电子负载研究现状
• 1.3 电流控制技术在电力电子设备中的应用
• 1.4 直流变换器的控制技术
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 直流电子负载拓扑结构的研究
• 2.1 DC变换器的基本原理
• 2.2 Boost变换器工作模式
• 2.2.1 电感电流连续模式分析和基本关系
• 2.2.2 电感电流断续模式分析
• 2.3 升压DC/DC变换器拓扑结构对比
• 2.3.1 多设备直流升压变换器（MDBC）
• 2.3.2 交错直流升压变换器（IBC）
• 2.3.3 ZVS交错直流变换器
• 2.4 交错并联直流电子负载的拓扑结构与工作原理
• 2.4.1 交错并联直流电子负载拓扑结构
• 2.4.2 交错移相触发方式
• 2.4.3 交错并联结构减小系统体积的优势
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统建模与稳定性分析
• 3.1 DC/DC变换器的小信号模型
• 3.1.1 DC/DC变换器的状态平均概念
• 3.1.2 建立小信号模型的方法
• 3.1.3 系统开关周期内工作状态分析
• 3.2 系统建模
• 3.2.1 利用变量开关周期平均值描述等效工作回路
• 3.2.2 分离相关变量扰动与线性化
• 3.2.3 系统整体的小信号等效电路
• 3.3 系统稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统控制结构设计及仿真
• 4.1 系统输入电流纹波分析
• 4.2 系统仿真
• 4.2.1 系统仿真模型
• 4.2.2 系统仿真参数
• 4.2.3 限流电阻仿真
• 4.2.4 系统恒流工作仿真
• 4.2.5 系统非恒流工作仿真
• 4.2.6 电源电压波动仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统硬软件设计与实现
• 5.1 系统硬件设计
• 5.1.1 主回路器件
• 5.1.2 驱动电路选取
• 5.1.3 检测电路
• 5.1.4 控制电路设计
• 5.2 系统软件设计
• 5.2.1 系统主程序
• 5.2.2 交错逻辑PWM模块
• 5.2.3 AD采样模块
• 5.2.4 数字PI模块
• 5.2.5 保护模块
• 5.3 实验波形分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间申请的专利
• 致谢