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基于Buck电路的谐波抑制方法的研究

作　者: 王善芬
导　师: 姚绪梁
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: Buck变换器无源滤波器两级LC滤波器负阻抗
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

开关电源技术近年来得到了迅速的发展,社会需求也越来越多。对于高性能的开关电源来说,输出纹波是项很关键的参数。无源滤波作为广泛采用的经典滤波方式,一直是开关电源滤波的重要方式。本文在分析Buck变换器的基础上,对其输出电压进行了纹波分析,对两级LC滤波器和滤波器对变换器稳定性的影响作了深入的研究。论文首先对PWM调制Buck变换器的输出纹波特性进行了分析,其输出纹波主要来源于五个方面,其中输入低频纹波、开关高频纹波为主要来源,其中前者主要由前级整流器输出电压引起,后者是Buck变换器本身产生。对于6脉动整流的输出电压用开关函数法分析了其各次谐波的幅值和相位,计算了谐波电压含有量。利用二重傅立叶分析法,推导了PWM型Buck变换器输出电压的调制谐波。其次,使用状态空间平均法建立了非理想和理想状况下Buck变换器的小信号模型。特别推导了在开环和闭环时变换器的输入和输出阻抗。根据工程法,研究了Buck变换器的电压环和电压电流双闭环的设计,通过伯特图、仿真和实验验证了PI参数配置的可行性。并且在闭环时比较单级LC滤波器和两级LC滤波器的滤波效果。通过对Buck变换器的分析,和Matlab仿真,找出对纹波的产生有影响的因素。从电容变化、负载变化、储能电感变化、占空比变化四个方面入手,探讨了影响Buck变换器输出纹波的各种因素。并且在开环状态下比较了单级LC滤波器和两级LC滤波器的滤波效果。最后,分析了负载变换器的负阻抗特性和此特性对变换器级联产生的稳定性问题。最后提出了加入中介滤波器的方法来解决稳定性问题,所用到方法有加入大电容、加负载电阻、加RLC滤波器,仿真结果显示,电容会使系统母线响应速度变慢,加入电阻就会浪费大量功率,有效地办法是加入RLC滤波器,结果显示此办法可行。为了验证实际系统的运行情况,本文设计了以TI公司的TMS320F28335型号的DSP为控制芯片的Buck变换器硬件系统及软件系统,搭建了实验平台,并进行了实际系统的调试,实验结果证明了本文所阐述的理论及系统的设计是正确的。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-13
  1.1 课题研究的背景和意义  10
  1.2 课题研究概况  10-12
    1.2.1 滤波器的研究  10-11
    1.2.2 Buck变换器建模方法  11-12
    1.2.3 变换器级联稳定性判据  12
  1.3 本文的主要研究内容  12-13
第2章 Buck变换器的纹波分析  13-24
  2.1 整流输出纹波分析  14-18
    2.1.1 傅立叶级数展开式  14-15
    2.1.2 开关函数表达式  15-16
    2.1.3 三相六脉动整流输出谐波分析  16-18
  2.2 Buck变换器调制谐波  18-21
    2.2.1 二重傅立叶积分分析  18-19
    2.2.2 Buck变换器的三角波调制  19-21
  2.3 两级LC滤波器的参数配置  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章 Buck变换器的建模与闭环设计  24-39
  3.1 在CCM模式下Buck主电路传递函数  24-31
    3.1.1 主电路传递函数  24-26
    3.1.2 电压环控制传递函数  26-29
    3.1.3 电压电流环控制传递函数  29-31
  3.2 电路参数计算  31-35
    3.2.1 主电路参数设计  31-32
    3.2.2 电压环设计  32-33
    3.2.3 补偿环节参数设计  33-35
  3.3 电流电压双闭环设计  35-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章滤波器对稳定性的影响及仿真  39-56
  4.1 开环时影响输出纹波的因素  39-44
    4.1.1 储能电感值变化  39-41
    4.1.2 滤波电容变化  41-42
    4.1.3 负载变化  42-43
    4.1.4 占空比变化  43-44
  4.2 单级LC滤波器和两级LC滤波器的滤波效果对比  44-47
    4.2.1 在开环时效果对比  44
    4.2.2 在闭环时效果对比  44-47
  4.3 滤波器对变换器稳定性影响  47-50
    4.3.1 负阻抗特性对稳定性的影响  47
    4.3.2 Middlebrook判据  47-48
    4.3.3 基于禁区理论的负载阻抗比判据  48-49
    4.3.4 带恒功率系统的仿真模型  49-50
  4.4 中介滤波器对稳定性的作用  50-55
    4.4.1 增大输出电容改善系统稳定性  50-51
    4.4.2 并联阻性负载改善系统稳定性  51-53
    4.4.3 RLC滤波器改善级联稳定性  53-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章电路实现及波形分析  56-69
  5.1 驱动电路的设计  56-57
  5.2 基于TMS320F28335的控制电路的设计  57-61
    5.2.1 系统的整体结构  57-58
    5.2.2 TMS320F28335芯片介绍  58
    5.2.3 信号检测及调理电路的设计  58-61
  5.3 软件系统的设计  61-64
    5.3.1 主程序的设计  61-62
    5.3.2 数字PI调节器的数学模型及软件设计  62-64
  5.4 单电压环时滤波效果对比  64-68
    5.4.1 采集波形的导入方法  64-65
    5.4.2 试验波形  65-68
  5.5 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-72
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  72-73
致谢  73

基于Buck电路的谐波抑制方法的研究

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