一种新型不对称半桥软开关变换器的研究

论文摘要

较为先进的分布式电源系统,如汽车和航空电力电子系统以及带有储能设备的通信和信息电子系统,具有低电压大电流输出特性的隔离型的高频DC/DC变换器的应用越来越受到关注。LLC串联谐振变换器广泛应用于上述场合,在全负载范围内可实现开关的ZVS （Zero-Voltage-Switching, ZVS）,但PFM （Pulse-Frequency-Modulation,PFM）控制的变换器在低输出功率下会产生严重的可听噪声,并且输出大负载电流时,纹波较大。除此之外,由于IGBT （Insulated-Gate-Bipolar-Transistor, IGBT）的关断拖尾电流特性,采用ZVS方式是不适宜的。为了解决上述限制软开关的问题,本文提出了一种基于IGBT的、低电压大电流输出的、较宽软开关范围的恒频率ZCS-PWM AHB （Asymmetrical-Half-Bridge, AHB） DC/DC变换器。首先,对软开关理论以及软开关DC/DC变换器的发展和概况进行了综述。其次,通过对半桥型硬开关DC/DC变换器、PWM不对称半桥变换器、LLC串联谐振变换器拓扑的论述,结合各自的优缺点,提出了一种通过增加有源辅助缓冲电路,具有低电压大电流输出和宽范围软开关的新型ZCS-PWM不对称半桥软开关变换器的拓扑结构。利用有源辅助谐振电路实现了在恒频PWM控制下各个开关管的ZVZCS关断,并且利用ZCS辅助电感实现主开关的ZCS开通,开关损耗几乎为零。再次,对所提出的变换器进行动作原理分析,动态过程详细数学解析,缓冲电路的设计思想,运用傅里叶级数求出输出电压表达式。在理论分析的基础上进行了针对性仿真,验证了该变换器在较宽的负载范围内实现所有开关管的ZCS开通和ZVZCS关断,解决了IGBT关断拖尾电流的问题,开关损耗近似为零,具有低电压大电流输出特性。最后,针对本文中的新型不对称半桥软开关变换器理论分析和系统仿真中出现的问题进行了总结分析,并对这些问题做了工作展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 DC/DC变换器
• 1.2.1 电力电子技术发展概况
• 1.2.2 DC/DC变换器的发展概况
• 1.3 软开关DC/DC变换器
• 1.3.1 软开关技术发展概况
• 1.3.2 软开关与硬开关特性比较
• 1.3.3 DC/DC变换器的软开关技术
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 半桥DC/DC软开关变换器拓扑
• 2.1 传统半桥DC/DC变换器
• 2.2 不对称半桥软开关变换器
• 2.3 谐振型半桥变换器拓扑
• 2.3.1 LC谐振变换器
• 2.3.2 LCC串并联谐振变换器
• 2.3.3 LLC谐振变换器
• 2.4 新型不对称半桥变换器的提出
• 2.5 本章小结
• 第3章 新型不对称半桥ZCS-PWM变换器
• 3.1 新型不对称半桥软开关变换器拓扑
• 3.2 新型软开关变换器基本工作原理
• 3.3 软开关工作模式分析
• 3.4 开关频率与占空比的设置
• 3.4.1 开关频率的设置
• 3.4.2 PWM占空比的设置
• 3.5 变换器相关参数计算与分析
• 3.5.1 隔直电容电容电压
• 3.5.2 输出纹波电流的改善
• 3.5.3 变压器直流偏磁问题及解决办法
• 1峰值电流I_p的计算'>3.5.4 S₁峰值电流I_p的计算
• 3.6 软开关条件
• 3.6.1 能量条件
• 3.6.2 时间条件
• 3.7 有源缓辅助谐振缓冲单元的设计
• 3.8 变换器的输出电压表达式
• 3.9 回路参数设计
• 3.9.1 开关频率及变换器谐振频率选择
• 3.9.2 有源辅助谐振缓冲频率的选择
• 3.9.3 串联谐振电容、电感以及滤波电感的确定
• 3.10 本章小结
• 第4章 新型不对称半桥ZCS-PWM变换器的仿真研究
• 4.1 电力电子仿真的意义
• 4.2 Matlab仿真工具简介
• 4.3 变换器电路仿真参数与模型
• 4.4 动作模式的仿真验证
• 4.5 重载和轻载时变换器工作波形
• 4.5.1 重载时变换器工作波形
• 4.5.2 低电压大电流特性与LLC变换器比较
• 4.5.3 轻载时变换器工作波形
• 4.5.4 软开关范围
• 4.6 辅助缓冲电路仿真分析
• 4.7 开环输入输出特性
• 4.8 整流二极管软开关波形
• 4.9 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 论文结论
• 5.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文