高效率高功率密度通信模块电源技术的研究

论文摘要

分布式电源系统因其设计周期短,各负载之间的影响小,维护方便等优点已成为目前通信电源系统的主流。中间母线结构是目前应用最广泛的分布式电源系统结构,它由前端变换器、中间母线变换器以及负载点变换器等组成。前端变换器将交流输入变换成48V直流,中间母线变换器将48V变换成12V并实现电气隔离,负载点变换器将12V变换成负载所需要的电压。本文重点讨论后两者的设计。为了实现系统的不间断供电,48V母线上通常会并联备份电池。而电池的引入,要求中间母线变换器能在较宽的输入电压范围工作,而在绝大多数时间内,中间母线变换器工作在额定输入电压,因此此时的效率尤为关键。本文提出一种应力系数分析法,对工作于不同输入电压范围的全桥变换器进行对比分析和实验验证,结果表明宽输入电压范围增大了变换器的元器件应力,降低了变换效率,其中影响最大的就是磁性元件。为了在宽输入范围提高中间母线变换器的效率,本文提出一种两级式结构的中间母线变换器,即前级采用四开关Buck-Boost（FSBB）变换器,将宽输入电压范围变换成一个窄电压范围或恒定电压,后级采用隔离型全桥变换器实现大幅降压和电气隔离。FSBB具有升降压功能、结构简单、开关管电压应力低、具有直接功率通路等优点,同时它还存在两个控制自由度,为提高变换器效率提供了可能性。变换器的功率变换过程包括直接功率传递方式和间接功率传递方式,提高直接功率比重有利于提高变换效率。为了提高FSBB的直接功率比重,本文提出了两种三模式控制策略。一种是粗调节方法,此时FSBB的输出电压有一个较小的变化范围,后级全桥变换器将其变换为稳定的电压;另一种是精调节方法,此时FSBB的输出电压精确调节,后级全桥变换器采用满占空比开环控制。在三模式粗调节控制策略中,将输入电压分为三个区域,FSBB分别工作在升压、滤波和降压模式,其中滤波模式所对应的输入电压区域位于升压和降压模式对应的输入电压区域之间,以避免升压和降压两种模式在其切换点之间的频繁切换。在滤波模式时,FSBB的Buck单元的主控管一直导通,Boost单元的主控管一直截止,因此其输出电压等于输入电压,这样导致输出电压在此区域内有一个较小的变化范围。根据这一特点,本文提出了一种升压和降压两种模式下的输出电压设置方法,以保证变换器工作模式之间的平滑切换。实验结果表明,该控制策略可以实现FSBB在全输入电压范围内的高效率,并且额定输入时效率最高。与三模式粗调节控制策略相似,在三模式精调节控制策略中,FSBB也工作在三种工作模式,不同的是,中间区域的工作模式为升降压模式,替代了原来的滤波模式,这样在此区域内也可对输出电压精确调节。为了提高直接功率比重,本文提出两沿调制（TEM）策略,其中Buck单元采用后沿PWM,而Boost单元采用前沿PWM。在升降压模式下,为了进一步提高直接功率比重,Buck单元工作在固定最大占空比Dm,此时调节Boost单元的占空比来调节输出电压。考虑升降压模式时电感电流脉动小,而四只开关管均高频工作这个特点,在保证电感电流脉动不超过其他两种工作模式的前提下,将开关频率降低,以大大减小开关损耗,提高变换效率。由于有两种开关频率,两种PWM方法,因此称该方法三模式双频TEM控制策略。该控制策略同样实现了全输入电压范围的高效率和额定输入时的效率最优。由于FSBB存在多个工作模式,并且在精调节控制策略中还存在两种开关频率,这使得两级式IBC系统的控制设计难度大幅增加。本文对FSBB在各种工作模式下的输出阻抗和全桥变换器的输入阻抗特性进行分析,结合阻抗比稳定判据,推导出控制系统环路设计的准则。针对FSBB工作于滤波模式时输出阻抗上凸得不到抑制的问题,从减小损耗的角度提出改进的阻尼电路设计。论文对所提出的控制系统环路设计和阻尼电路设计进行了实验验证,实验结果表明所提出的设计方法是有效的。负载点变换器（POL）直接给负载供电,除了要求高效率、高功率密度外,还要有快速动态响应性能和低的输出纹波电压,这与滤波器的设计密切相关。论文对滤波器的设计进行了讨论,在对POL的损耗分析的基础上,本文提出损耗最小化的输出电感设计方法,并进行实验验证;在分析输出滤波电容寄生参数与输出纹波电压的关系,本文提出输出滤波电容设计和选取的依据,并给出了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 分布式电源系统的提出
• 1.1.1 集中式电源系统
• 1.1.2 分布式电源系统
• 1.2 分布式电源系统的特点
• 1.3 直流分布式电源系统中的功率传输
• 1.4 IBC-DC-DPS 的研究现状
• 1.4.1 系统配置
• 1.4.2 功率变换电路
• 1.5 本文研究内容和意义
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 中间母线变换器电路拓扑选择
• 2.1 引言
• 2.2 中间母线变换器的作用
• 2.3 两级式IBC 架构的提出
• 2.3.1 输入电压范围对单级式IBC 的影响
• 2.3.2 两级式IBC 结构
• 2.4 两级式IBC 中电路拓扑的选择
• 2.4.1 基本变换器中功率传递方式
• 2.4.2 直接功率比重与变换效率的关系
• 2.4.3 预调节器的选取原则
• 2.4.4 FSBB 与FB 级联的两级式IBC
• 2.5 本章小结
• 第三章 FSBB 三模式粗调节控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 FSBB 的两模式控制
• 3.2.1 两模式控制的推导
• 3.2.2 两模式控制的优点
• 3.2.3 两模式控制的问题
• 3.3 FSBB 的三模式调节
• 3.3.1 三模式粗调节
• 3.3.2 输出电压的选择
• 3.3.3 三模式控制的优点
• 3.4 FSBB 的控制与驱动
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 FSBB 三模式双频两沿精确调节控制策略
• 4.1 引言
• 4.2 两沿调制
• 4.3 两模式TEM
• 4.4 三模式双频TEM
• 4.5 FSBB 的控制与驱动
• 4.6 实验验证
• 4.7 本章小结
• 第五章 两级式IBC 阻抗特性与系统稳定性
• 5.1 引言
• 5.2 稳定性判据
• 5.2.1 阻抗比判据的提出
• 5.2.2 阻抗比Middlebrook 判据
• 5.2.3 阻抗比禁区判据
• 5.3 FSBB 的输出阻抗和FB 的输入阻抗
• 5.3.1 FSBB 输出阻抗
• 5.3.2 全桥变换器的输入阻抗
• 5.4 FSBB 粗调节时的闭环设计
• 5.4.1 对FSBB 输出阻抗和FB 输入阻抗的要求
• 5.4.2 变换器环路设计
• 5.4.3 滤波模式阻尼电路的设计
• 5.5 FSBB 精调节时的闭环设计
• 5.5.1 反馈FSBB 输出时的闭环设计
• 5.5.2 反馈FB 输出调节FSBB 时的闭环设计
• 5.5.3 实验对比与讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 负载点变换器输出滤波器的设计
• 6.1 引言
• 6.2 BUCK 变换器损耗分析
• 6.2.1 主控管损耗
• 6.2.2 同步整流管损耗
• 6.2.3 输出滤波电感损耗
• 6.2.4 电容损耗
• 6.3 损耗最小化分析与设计实例
• 6.3.1 损耗最小化分析设计
• 6.3.2 设计实例与讨论
• 6.4 电容寄生参数与输出纹波电压的关系
• 6.4.1 电容的等效模型
• 6.4.2 滤波电容电压组成
• 6.5 滤波电容选取方法与设计实例
• 6.5.1 电容种类与纹波电压的设计
• 6.5.2 实验验证
• 6.6 本章小结
• 第七章 工作总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录A 单模式FSBB 电感电流有效值推导
• 附录B 两模式FSBB 电感电流有效值推导
• 附录C 三模式TEM-FSBB 电感电流有效值推导