四象限悬浮斩波器研究

论文摘要

悬浮斩波器是磁浮列车悬浮控制系统的重要组成部分,为悬浮电磁铁提供激励电流,产生悬浮力。采用永磁和电磁混合悬浮系统,可以减小电磁铁线圈电流,是磁浮列车悬浮技术的研究方向之一。在混合悬浮系统中,采用四象限斩波器以实现负载电流双向流动。传统的悬浮斩波器采用硬开关模式,开关器件IGBT的电压和电流应力较高,同时存在开关损耗高、效率低、发热量大、电磁辐射比较严重等问题。为了改善传统悬浮斩波器开关管的工作状态,将软开关技术应用到四象限悬浮斩波器中,克服硬开关中的种种问题。本文将四象限悬浮斩波器作为研究对象,目的在于解决硬开关存在的问题。论文首先分析了传统四象限悬浮斩波器的拓扑结构,针对两电平和三电平两种控制方式进行了理论研究,通过理论分析搭建了两种控制方式的仿真模型。仿真结果表明三电平控制方式下负载电压应力要小。对传统悬浮斩波器加以改进提出了零电压开关(ZVS)和零电压转换(ZVT)两种软开关拓扑结构,分析了两种方案的工作原理。论文着重对零电压转换软开关技术进行了分析,搭建了相应的仿真模型,研究表明该技术实现了主开关管的软开关功能,改善了开关管的工作环境。论文对所设计的实验硬件平台进行了介绍,阐述了悬浮斩波器各模块器件的选型方法。对IGBT驱动的设计要求和注意事项进行了研究,详细讨论了集成驱动模块2SD315A的特点。介绍了基于FPGA控制板各组成部分的特性。最后,对两电平、三电平和零电压转换软开关悬浮斩波器进行了实验分析。实验表明三电平控制方式减小了负载电流的纹波,但并不是最佳策略。在软开关工作方式下,实现了主开关管的软开关功能,并且直流侧的输入电流的有效值减小,同时IGBT温升也明显小于硬开关模式下的温升。可见零电压转换软开关技术是很有应用前景的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究的历史和现状
• 1.3 论文主要工作
• 第2章 传统四象限悬浮斩波器
• 2.1 主电路结构和两电平控制原理
• 2.2 三电平控制原理
• 2.3 两种控制方法仿真
• 2.3.1 仿真工具和仿真参数选取
• 2.3.2 仿真模型搭建和仿真结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 四象限软开关悬浮斩波器
• 3.1 软开关技术
• 3.2 四象限零电压开关软开关斩波器
• 3.3 四象限零电压转换PWM软开关斩波器
• 3.3.1 主电路拓扑
• 3.3.2 四象限软开关悬浮斩波器工作原理
• 3.4 四象限软开关悬浮斩波器仿真
• 3.4.1 仿真工具和仿真参数选取
• 3.4.2 仿真模型搭建和仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 实验平台搭建
• 4.1 硬件平台构成
• 4.2 悬浮斩波器器件选型
• 4.3 IGBT驱动
• 4.3.1 IGBT栅控电路要求及设计注意事项
• 4.3.2 IGBT驱动的选择
• 4.4 FPGA控制板
• 4.4.1 模拟电路处理部分
• 4.4.2 核心控制芯片
• 4.4.3 输出模块
• 4.4.4 AD转换芯片选用
• 4.5 本章小结
• 第五章 四象限悬浮斩波器实验
• 5.1 传统四象限斩波器两种控制方式性能对比
• 5.2 控制电路和驱动电路部分的调试
• 5.3 软开关谐振网络元件相应波形
• 5.3.1 谐振电感电容流过电流波形
• 5.3.2 谐振电感电容流过电压波形
• 5.4 软开关和硬开关性能对比
• 5.4.1 主开关管导通时间对比
• 5.4.2 主开关管电压电流波形对比
• 5.4.3 直流侧输入电流、负载输出电流对比
• 5.4.4 主开关管温升对比
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文