变压器隔离全桥开关变换器的建模与应用技术研究

论文摘要

电源和电源变换是现代电气和电子计算机控制的基础,在各类电源变换装置中,PWM开关型电源变换器结构种类多、发展快、技术领先、便于实现,构成了电源变换器中应用最广泛的一类。随着科技的进步和电力行业的发展,开关变换器已广泛用于工业、交通、电力、通信、家用电器等领域,其设计与制造技术成为十分活跃的热门技术。开关变换器在运行过程中电路拓扑的周期切换使其成为一种特殊的非线性系统。开关变换器的拓扑结构、参数的优化和模型研究不仅能极大地降低技术开发周期和费用,而且在工程应用中能促进其功率变换特性的改善,提高工作的稳定性。本文结合工程科研项目,采用传输线建模数字仿真方法和神经网络技术、遗传算法,对开关变换器的稳态特性、动态特性进行了深入的分析,研制出工程化样机进行试验验证,证明了论文采用的分析、研究方法的科学性,所作的工作主要包括以下几个方面:首先,系统地研究了开关变换器建模技术的基本特征和研究现状,分析了开关变换器经典的建模思路、方法、各自特点,总结比较了目前变换器建模技术存在的问题,提出了基于传输线理论的开关变换器传输线建模方法。其次,研究探索开关变换器的工程设计问题,详细分析了变压器隔离全桥开关变换器各种工作状态,理论推导了变换器的危险工作区间,提出了采用软件优化变换器主电路布局的方法。为缩短开关变换器的研制周期和研究费用,在工程设计过程中采用退火BP神经网络技术建立了开关变换器设计参数与相对应的电路性能之间的非线性关系,并运用遗传算法对开关变换器电路参数进行优化,最后的仿真结果表明通过布局优化和参数优化的变换器动态性能得到了明显的改善。基于均匀传输线理论的电路传输线模型有明确的物理意义和良好的瞬态分析特性,但其建模理论和电路元件建模技术还不成熟,因此,论文主要研究了开关变换器电路元件基于均匀传输线建模理论的等效传输线模型和等效分布参数,全面系统地推导了电容、电感、耦合元件和功率开关器件的传输线线性模型、简化传输线线形模型、非线性传输线模型及等效电路模型,健全了电力电子电路的传输线动态建模技术体系,同时在论文中还提出了功率开关器件的改进传输线模型,并通过模型传输线导纳证明了功率开关器件改进传输线模型的合理性。变压器隔离全桥开关变换器是一个复杂电力电子系统,在进行数字仿真时的数值稳定性和收敛性直接影响了传输线动态建模技术的应用,为此,论文通过从理论上全面、详细地分析电路元件传输线模型数值计算方法的局部截断误差、整体截断误差,研究了传输线模型数字计算方法的稳定性、收敛性问题,完善了电力电子电路传输线计算机仿真模型的理论基础。同时,针对在变换器中的刚性现象,研究在数值计算中的变步长计算方法,为进行变换器的数字仿真打下基础。最后本文建立了全桥带隔离变压器直流变换器基于传输线建模理论的传输线模型数字仿真模型,运用MATLAB的M文件编程方法对该模型进行仿真研究。利用优化设计和仿真结果的指导进行了工程化样机的研制,并对工程化样机开展了电磁兼容试验和型式试验研究,通过仿真结果和试验的比对,验证了开关变换器工程优化设计和仿真模型的有效性。本文的研究是在综合国内外的最新研究成果的基础上,探寻开关变换器分析和建模的新思路,提出简明、有效、精确、实用的开关变换器分析研究的有效方法,从理论分析、计算机仿真和运行实验三个方面进行深入系统的研究和验证,为开关变换器的分析设计提供理论依据,促进开关变换器设计效率的提高和性能的优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 课题的来源
• 1.2 开关变换器建模方法
• 1.2.1 状态空间平均法
• 1.2.2 平均值等效电路法
• 1.2.3 传输线建模分析法
• 1.2.4 开关变换器建模方法的选择
• 1.3 变换器的优化设计
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 变压器隔离全桥开关变换器
• 2.1 引言
• 2.2 变压器隔离全桥开关变换器的结构与工作原理
• 2.2.1 变压器隔离全桥开关变换器的拓扑结构
• 2.2.2 变压器隔离全桥开关变换器的工作原理
• 2.3 变压器隔离全桥开关变换器主电路分布参数
• 2.4 输出滤波器
• 2.5 本章小结
• 第三章 电路元件的TLM动态模型
• 3.1 引言
• 3.2 传输线的稳态分析
• 3.2.1 传输线的稳态解
• 3.2.2 传输线的反射系数
• 3.3 线性电路元件的TLM动态模型
• 3.3.1 线性电容元件的TLM动态模型
• 3.3.2 线性电感元件的TLM动态模型
• 3.3.3 开关元件的TLM动态模型
• 3.3.4 互感耦合元件的TLM动态模型
• 3.4 非线性电路元件的TLM动态模型
• 3.4.1 非线性电感元件的TLM动态模型
• 3.4.2 非线性电容元件的TLM动态模型
• 3.4.3 非线性互感元件的TLM动态模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 传输线模型数值计算方法分析
• 4.1 电路元件传输线模型数值计算方法的精度分析与变步长算法
• 4.1.1 电容元件的数值计算误差
• 4.1.2 变换器传输线模型的刚性问题与变步长算法
• 4.2 传输线模型数值计算方法的收敛性分析
• 4.2.1 传输线模型数值计算方法的稳定性
• 4.2.2 传输线模型数值计算方法的收敛性
• 4.3 电路元件传输线模型仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 变压器隔离全桥开关变换器的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 变压器隔离全桥开关变换器的传输线动态模型
• 5.2.1 变压器隔离全桥开关变换器的主电路传输线动态模型
• 5.2.2 变压器隔离全桥开关变换器传输线模型网络分析
• 5.3 基于模拟退火神经网络的变换器输入输出映射关系的求解
• 5.3.1 用于求解的神经网络模型
• 5.3.2 神经网络学习样本的设计
• 5.3.3 神经网络的生成、训练及验证
• 5.4 变压器隔离全桥开关变换器优化设计
• 5.4.1 变压器隔离全桥开关变换器优化设计概念
• 5.4.2 变压器隔离全桥开关变换器的主要性能指标和优化目标函数
• 5.4.3 基于模拟退火遗传算法的开关变换器的最优化设计
• 5.5 仿真比较
• 5.6 本章小结
• 第六章 变压器隔离全桥开关变换器仿真及试验
• 6.1 变压器隔离全桥开关变换器的设计
• 6.1.1 变压器隔离全桥开关变换器拓扑结构设计
• 6.1.2 变压器隔离全桥开关变换器控制保护电路设计
• 6.2 变压器隔离全桥开关变换器的传输线模型仿真研究
• 6.2.1 变压器隔离全桥开关变换器换流瞬态过程仿真研究
• 6.2.2 变压器隔离全桥开关变换器的仿真
• 6.3 开关变换器运行试验
• 6.3.1 试验条件
• 6.3.2 实验室模拟运行试验调试
• 6.3.3 铁道部质检中心试验测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究成果
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和科研项目