PT及PT功率变换器的建模

论文摘要

随着汽车工业、通信产业和便携设备需求的不断扩大,现代电力电子系统对开关电源的要求逐渐趋于小型化、高频化,同时新型电力电子器件的发展也给开关电源在这方面的研究提供了必要的基础条件。压电陶瓷变压器(Piezoelectric Transformer,以下简写为PT)是一种通过机械振动来传输能量的新型器件,具有功率密度高、体积矮小、电磁噪声小、输入和输出端口的电气隔离性能好、成本低和便于批量生产等优点,具有很好的发展前景。因此,与之相关的功率变换器的新技术研究也逐渐成为热点。PT功率变换器同样具有体积小、效率高、噪声小、电磁兼容性好等优点,成为绿色电源领域一股新的动力。本论文的研究工作就是基于上述工程背景下针对PT及基于PT的功率变换器建模方面的研究。 论文的引言部分简要说明研究工作的目的、范围、国内外相关领域的研究现状、目前研究中存在的问题以及该课题研究的意义。 第二章概述部分简要介绍了压电陶瓷材料的基本知识,以及压电陶瓷变压器的工作原理和电路模型等,并对PT功率变换器的研究概况和存在的问题作了简单综述。 主电路设计和PT模型的建立都是PT功率变换器的基础研究,论文的第三章从PT本身的电气特性和工作特性出发,提出PT功率变换器主电路的设计方法——窄带控制方法,并应用该主导思想设计并验证了输入和输出匹配网络。然后针对不同研究方向,建立了相应的PT模型,并与传统模型进行比较,同时给出了仿真结果和实验结果。 小信号分析适用于研究功率变换器的动态特性及闭环控制的设计。第四章详细介绍了小信号分析的理论和方法,重点阐述了小信号建模的方法,并针对高阶谐振变换器的小信号建模提出了一种新的简单实用的方法——等效电路模型法。最后在第三章主电路设计完善的基础之上,将该方法应用到PT功率变换器的小信号建模,得出了仿真模型和仿真程序,并对最后的仿真结果作了简要分析。 电压控制环是PT功率变换器控制回路中基本的控制环路。论文的最后在第四章小信号模型的基础上,详细给出了基于PT功率变换器的电压控制环设计方法,包括环路的总体设计以及补偿网络的设计等,同时提供了仿真结果。 该论文的研究工作受到了国家自然科学基金资助,项目名称和项目编号为:(1)PT功率变换器的研究,编号:50277001。(2)窄带控制—高性能PT功率变换器的研究,编号:50477054。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 概述
• 2.1 压电陶瓷的发展史及应用
• 2.2 压电陶瓷变压器的基本知识
• 2.2.1 PT的物理特性
• 2.2.2 PT的工作模式
• 2.2.3 压电陶瓷变压器的研究现状和具体应用
• 2.3 PT传统电路模型及其分析方法
• 2.3.1 PT的电路模型
• 2.3.2 PT的分析方法
• 2.4 PT功率变换器的研究热点和存在的问题
• 第三章 PT功率变换器的基础研究
• 3.1 PT功率变换器的基本原理
• 3.1.1 PT功率变换器的结构
• 3.1.2 PT功率变换器的调节原理
• 3.2 PT功率变换器主电路的设计
• 3.2.1 主电路设计的主要技术指标
• 3.2.2 主电路设计方法——窄带控制方法
• 3.2.3 输入匹配网络的设计
• 3.2.4 输出匹配网络的设计
• 3.3 PT的模型
• 3.3.1 PT的变参数模型
• 3.3.2 PT的功率模型
• 第四章 PT功率变换器的小信号建模
• 4.1 谐振变换器的小信号建模
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 小信号研究的内容
• 4.1.3 谐振变换器小信号建模基础
• 4.1.4 扩展描述函数法
• 4.2 高阶谐振变换器的等效电路模型法
• 4.2.1 高阶谐振变换器小信号建模的提出
• 4.2.2 等效电路模型法
• 4.3 谐振变换器的小信号分析
• 4.3.1 高Q值谐振变换器的小信号分析
• 4.4 PT功率变换器的小信号模型
• 第五章 PT功率变换器电压控制环路的设计
• 5.1 概述
• 5.2 电压控制环的组成、原理及总体设计
• 5.3 电压控制环路的设计及电路的实现
• 5.3.1 采样网络电路设计
• 5.3.2 补偿网络的设计
• 5.3.3 压控振荡器的设计
• 5.4 控制回路的后续工作
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A PT小信号模型仿真程序
• 附录B PT功率变换器小信号模型
• 附录C 差拍频率的补充说明
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文