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DSP控制大功率高频水冷开关电源的设计与研究

作　者: 唐永龙
导　师: 刘玉德
学　校: 北京工商大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 开关电源 DSP 数字控制软开关水冷
分类号: TN86
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,国内生产大功率开关电源的厂商较少,主要限于生产功率容量级别在2000A以下。与此同时,国外的同类设备生产企业的产品报价相对过于昂贵,市场的巨大需求迫切需要具有大功率和先进控制技术水平的国产高频开关型电源装置。部分大功率开关电源生产企业的控制技术囿于硬开关转换和采用模拟量控制方式,在可靠性、电磁兼容与干扰以及产品的工艺结构方面有很明显的局限性,不利于现有产品的升级换代,兼容性比较差。本文的研究主要是基于TI公司TMS320LF2407A为核心的全数字量控制系统,设计了移相全桥ZVZCS高频软开关控制技术的大功率开关电源。本文详细介绍了20V/1500A开关电源的设计方案;并探讨和比较目前比较先进的控制算法;分析比较不同拓扑形式的电路的优缺点;进一步解决如何优化现有的技术水平,为企业提供更高水准的开关电源;寻求解决如何在减少开关损耗、减低电磁干扰、提高电源效率和提高单位功率密度方面的问题;采用全数字化控制方式可以实现更加复杂的控制算法,实现实时通讯和网络化控制功能,使整个电源系统有更高层次的稳定性及更强的灵活性,适应不断发展的工业现场对高品质开关电源的需求。本文主要涉及以下两个方面:一是控制电路、驱动电路的设计,硬件控制电路和驱动电路的优化;二是主功率电路的设计,控制电路的设计涉及到优化控制算法,主电路主要包括主电路拓扑的计算和选择、高频变压器的设计和主功率单元的散热设计。本文研制了一台基于TMS320LF2407A的20V/1500A高频水冷开关电源实验样机,其具有系统结构比较小巧、数字集成度高、效率高、冷却效果好等优点,在全负载范围内实现了滞后桥臂的零电流开关,取得了较高的转换效率。实现了恒压与恒流的无扰开关切换、输出电流零启动及输出电流连续可调至额定电流的功能。电源的性能指标严格控制在工业现场的控制要求以下,主要性能参数:稳流、稳压精度(≤1%)、纹波系数<1%(加滤波环节),功率因数(>0.93,满载)等。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 引言  8
  1.2 大功率开关电源发展历史和现状  8-9
    1.2.1 国内发展现状  8-9
    1.2.2 国外发展现状  9
  1.3 全数字化高频开关电源  9-10
  1.4 本文研究的主要内容  10-11
  本章小结  11-12
第二章系统总体方案设计  12-19
  2.1 电源技术指标  12-13
  2.2 系统总体设计  13-18
    2.2.1 TMS320LF2407A  13-15
    2.2.2 控制电路硬件电路设计  15
    2.2.3 驱动电路设计  15-16
    2.2.4 保护电路设计  16-18
  本章小结  18-19
第三章移相全桥变换器主电路设计  19-33
  3.1 PS-FB-ZVSZCS-PWM DC/DC 全桥变换器工作原理  19-23
    3.1.1 概述  19
    3.1.2 移相全桥ZVZCS PWM DC_DC 变换器拓扑结构的改进  19-23
  3.2 主电路设计及参数计算  23-25
    3.2.1 功率因数校正  24-25
  3.3 各种拓扑方式性能比较  25-28
    3.3.1 加隔直电容和饱和电感的FB-ZVZCS-PWM 变换器  26
    3.3.2 副边采用有源箝位开关的FB-ZVZCS-PWM 变换器  26-27
    3.3.3 滞后桥臂中串入二极管的FB-ZVZCS-PWM 变换器  27-28
    3.3.4 副边利用简单辅助电路的FB-ZVZCS-PWM 变换器  28
  3.4 主电路参数计算[38]  28-32
  本章小结  32-33
第四章开关电源的热设计  33-40
  4.1 散热分析  33-35
  4.2 主冷却系统设计  35-39
    4.2.1 高频变压器水设计  35-37
    4.2.2 功率单元功率损耗计算  37-39
  本章小结  39-40
第五章移相全桥变换器的软件设计  40-51
  5.1 驱动信号的产生  40-42
  5.2 数字式PWM 的频率及分辨率问题  42-45
    5.2.1 数字式PWM 的频率  42
    5.2.2 数字式PWM 的分辨率  42-43
    5.2.3 数字式PWM 的频率和分辨率的关系  43
    5.2.4 数字式移相PWM 分辨率  43-44
    5.2.5 控制方式  44-45
  5.3 数字定标  45-46
  5.4 系统软件结构  46-49
  本章小结  49-51
第六章实验结果及仿真分析  51-66
  6.1 实验波形及分析  51-57
  6.2 变压器的电磁仿真  57-59
  6.3 模型建立和相关参数的设置  59-65
  本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-69
附录A～F  69-75
在攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果清单  75-76
致谢  76

DSP控制大功率高频水冷开关电源的设计与研究

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