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宽范围输入FB-ZVZCS-PWM变换器的研究

作　者: 王立伟
导　师: 贲洪奇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 零电压零电流开关数字控制平均电流型控制宽范围输入
分类号: TM461.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

开关电源在人类的生活中越来越普及,而全桥拓扑结构因其开关管电压电流应力均相对较小在大功率开关电源中有广泛的应用。尽管该电路的发展已经比较成熟,但仍存在一些缺陷,如最大占空比受限、轻载时软开关实现困难,这就导致其输入电压的范围受到限制。因此,针对全桥变换器输入电压范围受限的缺点进行了较深入的研究,在一定程度上扩大了变换器的输入电压范围,具有一定的理论意义和实用价值。选择利用变压器原边串联饱和电感和阻断电容实现开关管软开关的移相全桥变换器作为研究对象,控制方式采用平均电流型控制。通过对其工作原理的深入分析,得出了该变换器工作于恒流输入模式时的占空比丢失时间相对于其工作于恒压输出模式时的占空比丢失时间更小的结论,而这种现象从实质上说是因为两种工作方式下变换器的运行功率不同所导致的。数字电源是未来开关电源的发展趋势,在仔细分析了DSP2812在移相全桥变换器中的应用后,提出了两种产生移相全桥驱动波形的思想:一种是通过改变通用定时器的计数值来控制移相角;另一种是通过改变EV模块中比较单元的比较值控制移相角。同时,对传统数字PI调节算法进行了适当的改进,使调节器的计算时间更快,电源的动态响应性能得到一定提高。移相全桥变换器在高压输入、轻载工作时超前臂开关管难以实现零电压开通,限制了变换器的最高输入电压;而变换器在低压输入、重载工作时,滞后臂开关管难以实现零电流关断,限制了变换器的最低输入电压。在深入研究后发现在变换器参数设定以后,限制变换器输入电压范围的因素主要有两个:其一是由于常规的移相控制芯片死区时间一般是固定的,导致了不能兼顾高压输入轻载工作和低压输入重载工作两种状态;其二是饱和电感的大小不能兼顾高压输入重载工作和低压输入重载工作两种状态。针对这种情况,提出了两种扩大变换器输入电压范围的方案,其一利用DSP控制的灵活性,对超前臂开关管的死区时间进行实时调节的方案;其二是利用DSP强大的计算能力,通过适当的外加电路对控制饱和电感的磁化时间进行控制的方案。设计了一台最大功率为10.5kW的试验样机,该样机工作情况良好,效率较高,在一定程度上扩大了变换器输入电压范围,验证了理论分析的正确性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-23
  1.1 研究目的和意义  10-11
  1.2 FB-ZVZCS-PWM变换器研究现状  11-17
    1.2.1 采用有限双极性控制的几种典型FB-ZVZCS电路  12-13
    1.2.2 变压器原边使用饱和电感的FB-ZVZCS电路  13-14
    1.2.3 滞后臂中串入二极管的FB-ZVZCS电路  14
    1.2.4 变压器副边采用有源箝位的FB-ZVZCS电路  14-15
    1.2.5 变压器副边使用辅助网络的FB-ZVZCS电路  15-16
    1.2.6 利用变压器辅助绕组的FB-ZVZCS电路  16-17
    1.2.7 几种拓扑结构的简单比较  17
  1.3 开关电源控制方式研究现状  17-22
    1.3.1 电压模式控制  18
    1.3.2 峰值电流型控制  18-20
    1.3.3 滞环电流控制  20
    1.3.4 平均电流型控制  20-21
    1.3.5 数字控制技术  21-22
  1.4 本文主要研究内容  22-23
第2章移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器研究  23-34
  2.1 工作原理分析  23-25
  2.2 设计中的几个关键因素  25-28
    2.2.1 饱和电感的设计  25-27
    2.2.2 阻断电容的设计  27
    2.2.3 影响变换器软开关情况的其他因素  27-28
  2.3 恒流输入和恒压输出工作情况对比分析  28-31
    2.3.1 移相全桥ZVZCS-PWM变换器恒流输入的实现  28-30
    2.3.2 工作于恒流输入模式与恒压输出模式的区别  30-31
  2.4 整流二极管应力分析及抑制措施  31-33
    2.4.1 整流二极管电压尖峰产生原因  31-32
    2.4.2 几种减小整流二极管电压应力的方法  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章移相全桥ZVZCS变换器数字控制研究  34-48
  3.1 数字信号处理器简介  34-37
    3.1.1 TMS320F2812 资源简介  34
    3.1.2 事件管理器模块  34-36
    3.1.3 模数转换模块  36-37
  3.2 移相控制算法研究  37-40
    3.2.1 调整计数器控制移相角的方案  37-38
    3.2.2 改变比较值控制移相角的方案  38-40
  3.3 数字PI调节技术的研究与实现  40-42
    3.3.1 基本PI算法及改进  40-41
    3.3.2 各参数物理意义分析  41-42
  3.4 数字软启动的实现  42-43
  3.5 模数转换时间研究  43-45
    3.5.1 顺序采样模式  44
    3.5.2 同步采样模式  44-45
  3.6 软件设计  45-46
  3.7 本章小结  46-48
第4章 FB-ZVZCS-PWM变换器宽范围输入的实现  48-58
  4.1 限制变换器宽范围输入的若干因素  48-51
    4.1.1 死区时间对输入电压范围的限制  48-49
    4.1.2 饱和电感对输入电压范围的限制  49-50
    4.1.3 限制输入电压范围的其他因素  50-51
  4.2 死区时间的控制  51-53
  4.3 饱和电感的控制  53-57
    4.3.1 控制思想  53-54
    4.3.2 补偿电压的设计与实现  54-56
    4.3.3 叠加时间的控制与实现  56-57
  4.4 本章小节  57-58
第5章实验分析与验证  58-67
  5.1 实验样机设计  58-61
    5.1.1 高频变压器的设计  58-59
    5.1.2 输出滤波电感的设计  59-60
    5.1.3 启动电阻的设计  60
    5.1.4 控制部分的设计  60-61
  5.2 变换器工作原理验证  61-63
  5.3 恒流输入和恒压输出工作情况对比  63-64
  5.4 实现宽范围输入的验证  64
  5.5 效率测试  64-66
  5.6 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的学术论文  72-74
致谢  74

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