谐振式软开关恒流充电电源的研究

论文摘要

近年来蓄电池由于具有容量大、功率密度高等优点而被广泛应用于煤矿电机车、不间断电源等多种领域。充电电源作为蓄电池的能量补给设备与蓄电池相生相伴,其性能的优劣直接影响蓄电池整体性能。而传统的充电电源开关损耗大、充电效率低、功率密度低。因此研究高效、高功率密度的充电电源具有十分重要的意义。通过分析目前充电电源的研究现状,采用软开关电源拓扑是提升充电电源效率和功率密度的有效方法,对比研究了常用软开关电源拓扑的优缺点,根据恒流充电电源的运行特点,确定采用串联负载谐振变换器和半桥LLC谐振变换器两种谐振软开关变换器作为恒流充电电源的主电路拓扑,同时为了实现大功率输出,对两单元串联负载谐振变换器的交错并联做了进一步研究。根据充电电源的恒流输出特性要求和串联负载谐振变换器在不同工作方式下的特点,确定了变换器在谐振电流断续的方式下工作,分析了变换器在该种工作方式下的工作原理,探讨了实现开关管ZCS软开关的条件,并分析了在低压大电流工作条件下适用于串联负载谐振变换器的整流电路结构。针对串联负载谐振变换器调频控制的特点,对两单元串联负载谐振变换器交错并联的控制方式进行了研究,设计了定脉宽调频移相的交错控制方案。对主电路和控制电路进行了设计,并对两单元串联负载谐振变换器交错并联进行了仿真验证。分析了半桥LLC谐振变换器在两个不同开关频率区间的工作原理,并利用基波分析法建立了变换器的等效模型,在该模型基础上分析了半桥LLC谐振变换器的电流传输特性和电压增益特性,并结合变换器的输入阻抗特性分析了实现ZVS软开关的条件。在分析结果基础上设计了电路参数,并对其进行了仿真验证。通过实验平台的搭建,分别对两单元串联负载谐振变换器的交错并联和半桥LLC谐振变换器进行了实验验证。实验结果表明:串联负载谐振变换器适合采用全桥整流方式进行整流,两个串联负载谐振变换器单元在交错并联工作状态下均可以实现ZCS软开关,且两单元交错并联效果良好,总输出电流纹波得到改善;半桥LLC谐振变换器在整个工作过程中均可实现ZVS软开关,两种电路拓扑均可在较高的效率下恒流充电。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的意义
• 1.2 充电电源研究现状
• 1.2.1 充电电源的发展概况
• 1.2.2 软开关技术的研究现状及分析
• 1.3 交错并联技术
• 1.3.1 交错并联的优点
• 1.3.2 交错并联技术应用现状
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 主电路拓扑选择及其工作原理研究
• 2.1 主电路拓扑结构选择
• 2.1.1 常用软开关拓扑分析
• 2.1.2 主电路拓扑选择
• 2.2 串联负载谐振变换器分析
• 2.2.1 串联负载谐振变换器工作方式
• 2.2.2 串联负载谐振变换器工作原理分析
• 2.3 半桥LLC谐振变换器工作原理分析
• 2.3.1 区间一半桥LLC谐振变换器工作原理
• 2.3.2 区间二半桥LLC谐振变换器工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 SLRC特性分析及交错并联应用设计
• 3.1 SLRC谐振回路传输特性分析
• 3.1.1 SLRC谐振回路电压传输特性分析
• 3.1.2 SLRC谐振回路电流传输特性分析
• 3.2 开关管ZCS关断条件分析
• 3.3 适用于SLRC的整流电路结构分析
• 3.4 串联负载谐振变换器交错并联控制方式分析
• 3.5 串联负载谐振变换器主电路设计
• 3.5.1 SLRC单元性能指标
• 3.5.2 SLRC谐振电容和谐振电感计算及设计
• 3.5.3 SLRC变压器设计
• 3.5.4 SLRC开关管选取
• 3.5.5 SLRC整流二极管选取
• 3.6 控制及驱动电路设计
• 3.6.1 反馈电路设计
• 3.6.2 调频电路设计
• 3.6.3 移相电路设计
• 3.6.4 定脉宽电路设计
• 3.6.5 驱动电路设计
• 3.7 两单元SLRC交错并联仿真验证
• 3.8 本章小结
• 第4章 半桥LLC谐振变换器特性分析及应用设计
• 4.1 半桥LLC谐振变换器建模
• 4.1.1 输出网络建模
• 4.1.2 开关网络建模
• 4.1.3 谐振网络建模
• 4.2 半桥LLC谐振变换器增益特性分析
• 4.2.1 直流电压增益特性分析
• 4.2.2 直流电流传输特性分析
• 4.3 开关管ZVS开通条件分析
• 4.4 谐振参数计算
• 4.5 功率器件的设计与选择
• 4.5.1 半桥LLC谐振变换器开关管的选取
• 4.5.2 半桥LLC谐振变换器整流二极管的选取
• 4.5.3 半桥LLC谐振变换器变压器设计
• 4.5.4 谐振电感和谐振电容的选择和设计
• 4.6 控制电路设计
• 4.6.1 半桥LLC谐振变换器调频电路设计
• 4.6.2 过流保护电路设计
• 4.6.3 充电停止控制电路设计
• 4.7 半桥LLC谐振变换器仿真验证
• 4.8 本章小结
• 第5章 实验结果与分析
• 5.1 串联负载谐振变换器全波整流实验与分析
• 5.2 两单元SLRC交错并联实验与分析
• 5.2.1 控制及驱动电路实验分析
• 5.2.2 交错并联实验分析
• 5.2.3 两单元SLR交错并联效率测试
• 5.3 半桥LLC谐振变换器实验与分析
• 5.3.1 谐振电流与输出电流实验波形分析
• 5.3.2 软开关特性实验分析
• 5.3.3 整流二极管实验波形分析
• 5.3.4 半桥LLC谐振变换器效率测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢