数字化移相全桥直流变换器研究(可编辑)

数字化移相全桥直流变换器研究(可编辑) 数字化移相全桥直流变换器研究 华中科技大学 硕士学位论文 数字化移相全桥直流变换器研究 姓名:张杰 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:邹云屏 2003.5.3华中科技大学硕士学位论文 摘要 /软开关技术是电力电子装置,特别是直流变换装置向高频化、高功率密度化发展的 关键技术。多年来,高频开关电源控制的工业标准一直是模拟控制。但是,随着高性 能芯片在电力电子领域的广泛应用以及数字化控制对提高系统的抗干扰能力、控 制灵活性、通用性以及智能化程度等方面有着突出的优点,开关电源的数字控制研究 ’ 一 受到越来越广泛的关注。, 移相软开关技术通过利用电路的寄生参数如变压器漏电感和开关管寄生电 容产生谐振,从而使得开关器件工作在零电压或零电压零电流软开关状态。本文对全 数字化移相全桥软开关电路以及实际装置的开发研制等内容进行研究。 本文仔细分析了实现移相全桥直流变换器工作原理和几种典型电路的优缺 点,并根据移相变换器的软开关实现条件确定实际装置主电路参数。在上述基础 上,考虑到电路寄生参数对电路工作的影响,建立小信号模型进行分析,通过分析实 际系统的各环节传递函数,从而最终满足整个系统的控制性能。 本文在分析控制系统性能的同时给出了数字调节器的实现原理以及本系统软 件如主程序、中断子程序、数字调节器和滤波子程序等环节的设计 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。论文还给出 了其主电路和控制电路设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 ,/数字化移相直流变换装置控制系统硬件结构简单,易于实现;软件设计简单 实用,可靠性强,便于实现所有设计功能;主电路参数设计正确合理,能满足实际变 换器装置的设计要求,从而验证了所选方案的正确性。~一一 关键词: ‘零电压 低电压大电流磺》、。.//、~。 移相? 数字控制? 嫂竺:里竺一一雯坚量氇警制华中科技大学硕士学位论文. .。? . . 、 , . 髂. . ., . ? .?.? ., ? ... .. . ’ ,, / . . :? . 华中科技大学硕士学位论文 绪论 本文的研究主题是基于数字化移相 /变换器的实现。本章首先概述了当前 电力电子技术的发展状况,并对未来的技术发展趋势和市场前景进行预测。本章对开 关电源?和?的各种拓扑结构进行 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ,并针对全桥/变换器中和 两种拓扑的实现和直流变换器的控制技术进行说明。最后介绍了本文的研究内 容。 .课题的根据和意义“ 开关电源作为电力电子应用一个重要组成部分,在当今社会中广泛应用 于工业生产和居民生活的各个领域。随着电力电子装置高频化、小型化以及各种应用 领域的特殊技术要求,开关电源动态特性,功率密度和效率的要求日益成为开关电源 备受关注的研究课题。在国际电源市场的台式机和笔记本电脑领域,由于频率的 提高,对其供电电源的要求也急剧提高。如何满足未来产品对电源的要求成为国内外 的电力电子专家学者当前的热门研究课题。 目前,控制的工业标准仍然是模拟控制。伴随着高速、低成本的数字处理器 芯片的面世并逐步走向市场,国内外用户对如何实现的状态监控要求 的提出,的数字控制成为日益热门的研究方向。但相对于模拟控制,克服数字控 制器的带宽限制提高开关电源的动态相应特性便成为需要迫切解决的问题。 据报道,全球开关电源市场在通讯、计算机、仪器设备、工业控制和军事航空等应 用领域将以更快的速度发展。据近期预测,全球市场份额将由年的亿 增加年的亿,年平均增长率为.%。其中,采用模拟控制的以缓慢 的速度增长。而另一方面,数字信号处理,半导体、磁和其他元件的集成和冷却技术 正以迅猛的速度发展。 顺应开关电源的数字控制发展趋势,本文所研究的课题来源于某型低压大电流直流 电源,本文研究目的是开发一套实用的全数字化移相 /变换器系统。华中科技大学硕士学位论文 .电力电子技术概述恻脚 ..电力电子器件 随着二十世纪电能应用走进了在国民生产生活的每一个角落,电力电子技术得到迅 猛的发展。作为二十一世纪的关键技术之一,电力电子技术的应用领域不断拓宽,其 发展逐渐进入一个曰新月异的阶段。 作为集电力、电子和控制技术为一体,并以电力电子器件制造为核心的电力电予技 术随着科学技术的发展又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等领域 密切相关,逐渐成为多学科互相渗透的综合性技术基础学科。当今许多商新技术 均与电能的转换和控制密切相关,而现代电力电子技术能够对其进行精确和快速的变 换处理,从而成为其他多项高新技术发展的基础。电力电子技术的进一步发展必将导 致大幅度降低能耗,节约用材以及提高效率,并最终为现代社会的生产和生活带来深 远的影响。 通常认为,年第一个晶闸管发明之日即为电力电子技术诞生之时。在之后的 近半个世纪里电力电子技术的发展大体上可划分为两个阶段:年至年称为传 统电力电子技术阶段;年至今可称为现在电力电子技术阶段。 现在电力电子技术在器件、电路及控制技术方面与传统电力电子技术相比有如下的 特点: 集成化。几乎所有全控型器件都由许多单元胞管子并联而成,即一个器件是由 许多子器件所集成。例如一个的含有近千个单元,一个的功率 由上万个单元并联而成,一个的含有万个子器件。 高频化。从高电压大电流的到高频率多功能的,其工作频率己从数千 赫到兆赫,这标志着电力电子技术已进入高频化时代。目前的工作频率可达? ,电力晶体管可达?,功率可达数百千赫,则可达 以上。 全控化。电力电子器件实现全控化,也即自关断化是现代电力电子器件在功能 上的重大突破。无论是双极型器件的,,或单极型器件的功率, 以及混合型器件,,等都实现了全控化,从而避免了传统电力电子 器件关断时所需要的强迫换流电路。 电路弱电化、控制数字化。全控型器件的高频化促进了电力电子电路的弱电化。 电路、谐振变换电路以及高频斩波电路这些本来用在弱电领域的电路而今又成为 电力电子电路的主要形式。控制这些电路的技术也逐步数字化。华中科技大学硕士学位论文 多功能化。传统电力电子器件只有开关功能,多数用于整流运行而现代电力 电子器件的品种增多、功能扩大、使用范围拓宽,不但具有开关功能,有的器件还具 有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能,因而使电力电子器件多功能化。 ..电力电子技术发展趋势 随着科技的进一步发展,二十一世纪电力电子产品发展的趋势是:应用技术 的智能 化;硬件结构的模块化;软件控制的数字化;产品性能的绿色化。从而使未来的电力 电子产品性能更加成熟、可靠、经济、实用。 高频化 理论分析和实验经验表明,电气产品的体积重量随供电频率的平方根成反比地减 小,所以当我们把频率从工频提高到高频,提高了倍的话,用电设 备的体积重量大体上下降到工频设计的.%一%。这正是电力电子新技术得以实现功率 变频而带来明显效益的根本原因。 模块化 我们常见的模块实质上都属于“标准”功率模块。近年来,有的公司把开关 器件的驱动保护也装到功率模块中去,构成“智能化”功率模块刚,这样缩小了 整机的体积,方便了整机的设计和制造。有的制造商开发了“用户专用”功率模块 ,它把一台整机几乎所有硬件都以芯片的形式封装到一个模块中,使元器件间 不再有传统的引线连接,经过严格的热学、电学、机械设计。达到优化完善的境地。 数字化 在传统电力电子技术中,控制部分是以模拟电路方式来设计和工作的。二十世纪八 十年代以来,随着数字处理器运算数度的提高,性能的完善和价格的下降,控制系统 的数字化得到越来越广泛的应用,显示出越来越多的优点:便于计算机处理和控制, 避免模拟信号的传递畸变失真,减少杂散信号的干扰提高抗干扰能力,便于遥感、 遥测、遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入,更便于各种现代控制思想、技术的 注入。 绿色化 “绿色化”来源于“无污染”。绿色照明、绿色电器有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因之一,所以节电就可以 减少对环境的污染:另外,这些电器还应该满足不对或少对电网产生污染,电工 委员会对此制订了一系列标准,如、、等。事实上,许 多电器设备往往是电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下 降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变,因此必须对此加以 治理。 华中科技大学硕士学位论文 总而言之,电力电子设备高频化、模块化、数字化、绿色化的实现,将标志着电力 电子技术的成熟。二十一世纪将是电力电子技术发展的新世纪。 .开关电源拓扑分类? 电力电子变流电路的基本功能是使交流和直流电能进行互相转换,基 本转换形式共有四种。开关电源主要使用/和/的两种变换。 /变换器,又称为整流器:用于将频率为。的交流电压变换为直流电,供 给直流用电设各。各种整流电路都能实现/变换,但其性能差别很大。传统整流 器多采用二极管不控整流和晶闸管相控整流技术,控制简单、效率高,但功率因数较 低,且输入电流的低次谐波含量较高,对电网污染严重。目前,二极管不控整流功 率因数校正组成的单相有源功率因数校正整流器和采用三相高频整流器的整流电路逐 渐成为被广泛使用的拓扑结构。 /变换器,又称为斩波器:用于将~种电压、电流规格的直流电变换成另 一种电压、电流规格的直流电。 直流变换器按输入和输出之间是否有电气隔离可分为两类:不隔离直流变换器和有 隔离的直流变换器。不隔离的直流变换器按所用有源功率器件的个数可分为单管、双 管和四管三类。单管直流变换器有六种,即、、/、、和 变换器等。有隔离的直流变换器按所使用的有源功率器件数量来进行分类。单管 有正激式和反激式两种。双管有双管正激、双管反激、推挽和半桥四种。而典型的四 管直流变换器就是全桥直流变化器。 有隔离的变换器可以实现输入和输出问的电气隔离,通常采用变压器实现隔离,变 压器本身具有变压功能,有利于扩大变换器的应用范围,还可以实现多路不同电压或 相同电压的输出。 在功率开关管电压和电流定额相同时,变换器的输出功率通常与所用开关管的数量 成正比,故四管变换器的输出功率最大,而单管变换器的输出功率最小。 .电力开关变换技术‘? 自电力电子开关变换器出现以后,『技术以效率高、动态性能好、线性度高等优 点在各种电力变换器中得到广泛的应用,而且已经被认为是电力变换器领域中一项成 熟、理想和重要的基本控制技术,在今后仍然具有较大的发展潜力。 直流变换器一般采用控制方式,开关管工作在硬开关状态。传统的硬开关 技术有下述缺陷:开关器件在开通和关断时由于开关管的电压和电流的交叠区产生 ????????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加;开关器件关断时电路中的杂散电 感产生很大的/,过高的电压尖峰加在开关器件的两端容易造成开关器件电压击 穿;当开关器件在高压下开通时,开关器件结电容通过开关器件放电,产生很大的 冲击电流,不仅增加器件的损耗,而且还可能导致器件的过热损坏;开关器件在开 关过程中产生的高频噪声造成传导和辐射干扰。因此硬开关直流变换器的开关频率不 可能太高。 然而电力变换器的体积和重量与开关频率有着直接的关系。提高开关频率可以使变 换器中变压器、电感等磁性元件以及电容的体积和重量都大为减小,从而提高变换器 的功率密度。此外,提高开关频率对于降低开关电源的音频噪声和改善动态性能都大 有好处。 在直流电力变换器中,提高开关频率的基本思路是发展新型的主电路拓扑及运行方 式实现“软开关”来改善器件的开关轨迹,提高开关频率,减小开关损耗。一般是通 过有序、受控的谐振造成开关管的零电压或零电流开关环境,并让变换器中全部或部 分开关管只在这种环境下进行开通和关断,即“软开关”技术。 直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类: 全谐振型变换器,一般称之为谐振变换器。该类变换器实际上是负载谐振型变 换器,按照谐振元件的谐振方式,分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负 载与谐振电路的联接关系,谐振电路可分为两类:一类是负载与谐振回路相串联,称 之为串联负载谐振变换器;另一类是负载与谐振回路相并联,称为并联负载谐振变换 器。在谐振变换器中,谐振元件一直谐振工作,参与能量交换的全过程。该变换器与 负载关系很大,对负载的变化很敏感,一般采用频率调制方法。 准谐振变换器和多谐振变换器。这是软开关技术的一次飞跃。这类变换器的特 点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段,不是全程参与。准谐振变换器分为零电流 开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电 压开关。这类变换器需要频率调制控制方法。 零开关】『变换器。它可分为零电压开关变换器和零电流开关变换器。 这类变换器是在准谐振变换器的基础上,加入一个辅助开关管来控制谐振元件的谐振 过程,实现恒定频率控制,即实现恒频嘲控制。与准谐振变换器不同的是,谐振元 件的谐振工作时间与开关周期相比很短,一般为开关周期的/~/。 零转换变换器。它可分为零电压转换 变换器和零电流转换变换 器。这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。它的特点是变换器工作在方式下, 辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间,实现开关管的软开关,在其他时 间则停止工作,这样辅助谐振电路的损耗很小。 由于直流变换器软开关技术的多样性,无法一一细述。本文仅就其中一种软开关技 华中科技大学硕士学位论文 术~移相全桥删软开关技术进行进一步的探讨。 在/变换器中,、、/、和等单管构成 的变换器一般应用在小功率场合,而在中大功率场合,一般采用全桥变换器,其控制 方式目前研究的比较多的是移相控制方式。 在国内外,经过几十年的发展,移相全桥软开关/变换电路逐步趋向成熟,日 益发展成为大中功率直流变换器的主流。与其他/拓扑相比,移相全桥软开关拓 扑结构充分利用了电路本身的寄生参数,使开关管工作在软开关状态,降低了开关管 的开关损耗,提高了变换器的效率。与谐振软开关技术相比,移相州变换技术具有 开关频率恒定、主开关管电压和电流应力比/~硬开关和谐振软开关都要低,而且不 需要辅助器件、结构简单等优点。就其实现方式而言,移相变换器大致可分为 和两种。其中,拓扑结构的开关管均在条件下运行,开关损耗小,容易 实现高频化:控制简单,频率恒定,脉宽恒定,只需控制移相角;无需额外的缓冲电 路。移相变换器充分利用了主电路的寄生参数,如开关器件的寄生电容和变压 器漏感和线路电感。实际使用中,由于变压器漏感等效的谐振电感不够,必须在变压 器原方串联谐振电感帮助实现滞后桥臂的零电压开关。但是,其缺点也很明 显:轻载 时滞后桥臂开关管的难以保证;变压器原方有较大的环流,增加了开关管的通态 损耗,变压器副方占空比丢失现象严重。针对移相变换器的特点,有人提出 移相:『变换器,即超前桥臂实现,滞后桥臂实现。该电路具有几乎不 存在副方占空比丢失和无环流,而且直流母线电压利用率比电路高的特点,但是 需要在主电路中加入相对复杂的辅助电路实现滞后桥臂的零电流开关。 综上所述,在数量众多的软开关技术中,移相全桥软开关技术由于自身的优点 逐渐成为直流变换器一种热门的研究课题,并在实际产品中得到广泛的应用。 .直流变换器的控制技术 直流变换器相对相对于其他电力电子变换设备而言是一种较为简单的电力电子变 换装置。 直流变换器的输出性能指标主要是稳态纹波系数和动态响应,控制基础仍 然建立在普通的调节器上。我们可以根据目前在直流变换器中所使用的控制技术, 将其分成以下几类:单闭环控制 比例一积分控制概念明确,实现容易,鲁棒性强,是工程实际中应用最广泛 的一种控制器。在直流变换器中,控制可以对直流指令实施无静差跟踪,为了 满足 动态性能要求,可以根据实际系统增加微分环节实现控制。 ?双闭环控制华中科技大学硕士学位论文 单闭环控制在抵抗负载扰动方面的缺点与直流电机的转速单闭环很类似,具体表现 为:只有当负载电流扰动的影响最终在负载输出电压端表现出来以后,控制器才开始 有所反应。基于这一认识,可以仿效直流电机的转速电流双闭环控制,在直流变 换器的电压单环基础上增设电流内环,利用电流内环快速、及时的抗干扰性来有效她 抑制负载扰动的影响。同时,得益于内环对原有控制对象的改造作用,电压外环的设 计可以大大简化,有时甚至只需要比例控制即可。 ?前馈复合控制 在实际系统使用中,为了减小负载扰动对输出的影响,往往在反馈控制回路中加入 前馈通路,构成一个前馈和反馈相结合的复合控制系统。从补偿原理来看,由于前馈 控制实际上是采用开环方式去补偿负载扰动信号,因此不会改变反馈系统的特性。从 抑制扰动的角度来看.前馈控制可以减轻反馈控制负担,因此反馈系统的回 路增益可 以取得小~些,从而有助于整个系统的稳定。 ?无差拍控制 从连续系统的根轨迹上看,闭环系统的根的实部越大,系统的相应速度越快,当根 在负无穷处可以获得最快的响应速度,当然这在模拟系统中是无法实现的。在数字系 统中,模拟系统负无穷对应于平面的原点,因而通过数字控制系统的配置可以将系 统闭环极点配置在原点。因而无差拍是数字控制特有的一种控制效果, 被调量的偏差在一个采样周期时间内得到纠正。但是,无差拍控制极点的配置必须依 赖精确的数学模型。 早期的无差拍控制是基于模型假设的,并应用于逆变器输出控制上,负载适应性差。 采用扰动观测器实时预测负载电流,显著增强了负载适应性,是无差拍控制的一大改 进。 无差拍最显著的优势是其非同寻常的快速性,其最大的缺点则是对精确数学模型的 依赖。另外,为了达到在一个采样周期内消除误差的效果,控制器往往采取非常剧烈 的控制动作。当理想模型与实际对象有差异时,这样做不仅达不到无差拍效果,反而 会引起输出电压的振荡,不利于系统的安全稳定运行。 ?模糊控制 模糊控制属于智能控制范畴。与传统控制方式相比,模糊控制的好处是不依赖 控制对象的数学模型,而根据人工控制 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 组织控制决策表,然后由该表决定控制量 的大小。 综上所述,前三种控制方法都可以模拟方案和数字方案两种实现方式。但是,无差 拍控制、模糊控制都是基于数字系统的控制方案。可以看出,控制算法越复杂,数字 系统的优越性越明显。华中科技大学硕士学位论文 .本文研究目的和主要内容 随着高性价比数字处理器的广泛应用,数字控制在远程监控和通讯上显示出越来越 明显的优越性,在开关电源上实现数字控制的软开关技术已开始成为国内外电源制造 公司努力探索的研究热点之一。 本文的研究工作主要体现在以下几个方面: . 本文论述了移相全桥变换器的基本工作原理,并对几种常见的 和拓扑结构进行分析,选择其中一种作为实验研究和产品样机的主 电路拓扑结构。文中,对电路的磁性元件如变压器和电感的参数选择和设计 以及主电路的关键元件参数选择进行详细的说明,并进行仿真分析论证其可 行性。 . 对直流变换器而言,传统的控制是一种有效的控制方法。为了进一步提 高直流变换器的输出性能,本文在传统控制基础上引入负载电流前馈控 制。 . 本文基于传统电路模型建立移相变换器小信号模型,并对其传 递函数进行分析。其后,文章对移相全桥变换器装置的控制系统的硬 件和软件部分进行设计。同时实现系统的数字显示和通讯等扩展功能,满足 用户需求。 . 文章最后给出了仿真和实验结果,论证了该方案的正确性。 华中科技.大学硕士学位论文 ;;?;??;;???; 移相全桥变换器基本原理 /变换器早在年代末就见诸于国外许多文献【?。进入年代 移相 以来,顺应开关电源小型化、高频化的发展趋势,如何提高开关频率并相应减 小高频 开关损耗便成为人们日益关注的问题。移相变换器【【【【四作为一种解决方 案 成为电力电子技术领域的研究热点之一。 本文针对移相变换器的两种基本拓扑进行分析,得出相应的工作过程及实现 软开关的条件,并提出本方案所采用的电路拓扑结构。 .基本拓扑结构及工作过程“钔 /全桥变换器的电路基本拓扑结构及主要波形如图.所示。。是直流输 入电压,。&。~屉。构成变换器的两个桥臂,高频变压器的原副边匝比为, 和是输出整流二极管,是输出滤波电感,是输出滤波电容,乩是负载。 ?阿 玩 ? 一。 互嘭 寺/每‰/石一 毒‰/ ~ 『一叫再。 胁肼.。 “一/ 儿 肾冒鞘 一 一,.. 主要坡形 基本电路结构 图. 基本的全桥电路结构及其主要波形 通过控制四个开关管。~。,在两点得到一个幅值为。。的交流方波电压,经过 高频变压器的隔离变压后,在变压器副方得到一个幅值为。。/的交流方波电 压,然后 通过由和构成的输出整流桥,在两点得到幅值为。./的直流方波电压。 和组成的输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤出.在输出端得到 一个 平直的直流电压,其电压值为。./,其中是占空比,./,,。是导通时间, 。是开关周期。通过调节占空比来调节输出电压。。 为了克服传统删/全桥变换器在双极性控制硬开关下存在的缺陷,移相全桥 变换器对基本全桥变换器的控制策略进行了如下两个方面的改进: 将双极性驱动改为移相】驱动;华中科技大学硕士学位论文 利用电路中的寄生参数,如变压器漏感和开关管寄生电容实现谐振,色造软 开关条件。 为了将移相变化器的工作原理论述清楚,本章以零电压和零电压零电流 两种移相变换器为例进行详细的论述。 , 移相变换器基本原理“铂 移相控制零电压 /全桥变换器的主电路结构如图.所示。其电路结构 与普通双极性变换器类似,其中,。和。组成超前桥臂,:和。组成滞后桥臂。 。~。分别是。&,~叔.的谐振电容,包括寄生电容和外接电容。是谐振电感, 包 括变压器的漏感。。和,分别超前,和。一个相位,即移相角,通过调节移相角 的大 小来调节输出电压。 图.零电压删/全桥变换器主电 ..工作过程 在分析之前,假设: 所有开关管、二极管均为理想器件: 所有电感、电容和变压器均为理想元件; /,是变压器原剀方匝比。 在一个开关周期中,移相控制 /全桥变换器有种开关模态,如图 .所示。现对其半个工作周期进行分析,将工作过程划分为个阶段,如图.所 示。 初始时刻:如图.所示,.和。导通。原方电流,流经,、谐振电感、 变压器原方绕组以及.。整流管。.导通,。截止,原方给负载供电。 华中科技大学硕士学位论文 第~阶段。,:如图.所示,在。时刻关断.,原方电流。从中转移到 。和。支路中,给.充电,同时,被放电。在此期间,谐振电感和滤波电感是 妇 . 厂 。 : 、、 ??,一 ?/ ?、~ ??、 , 。 。 厂 ; 卜 卜 ‘\一 \ // / ?\ 土 缓粝 ./ 缆, , ? ?, , ? ?。图. /变换器主要波形 刈主甜 蒋 卅 矾 ?卫 可\ . ?华中科技大学硕士学位论文 ,】 ” 曲‰切 图. 变换器各开关状态的等效电路 华中科技大学硕士学位论文 的电压从零 串联的,而且很大,可以认为,近似不变,类似于一个恒流源。电容 开始线性上升,电容。的电压从。。开始线性下降,因此?是 零电压关断。,和。、。的电压表达式分别为: . 。, . %去。 . ,%一毛 , 在。时刻,。的电压下降到零,,的反并二极管自然导通,第一阶段结束。第一 阶段时间为: . 。巴“%/, 第二阶段。。:如图.所示,。导通后,将,的电压钳在零电位,此时开 通。,则,是零电压开通。虽然这时候。被开通,但瓯并没有电流流过,原边电 流由 ,流通。:和、驱动信号之间的死区时间“一。,即 . ?%,, 在这段时间里,原边电流等于折算到原边的滤波电感电流,即 . ,,,玎,/ 在:时刻,原边电流下降到。。 第三阶段。。:如图.所示,在。时刻,关断。,原边电流,转移到。和 。中,一方面抽走。上的电荷,另一方面同时又给。充电。由于:和.的存在, 如的 电压是从零慢慢上升的,因此.是零电压关断。此时.?。。。的极性自零变为负, 变压器副边绕组电势下正上负,整流二极管。导通,副边绕组电压为零,原边 绕组电 压也为零,。直接加在谐振电感上,因此在这段时间里实际上谐振电感和:、 .在谐振工作。原边电流。和电容。,.的电压分别为: . 。, ? . 国? “, . ? 。%一,华中科技大学硕士学位论文 :?;;;;;;一 式中。 一丽。 压 在。时刻,。的电压上升到。:自然导通,结束该阶段。其持续时间为: 瞄‘ :土?生 一有 第四阶段。,.:如图.所示,在时刻,自然导通,将的电压钳在零 电位,此时就可以开通:,。为零电压开通。和吼的驱动信号之间的死区时间。, 即 瓴旷?去 虽然此时:已开通,但:不流过电流,。由流过,谐振电感的储能回馈给输入 电源。由于副边两个整流管同时导通,因此变压器副边绕组电压为零,原边绕组电压 也为零,这样电源电压。加在谐振电感两端,原边电流,下降。,,岛一笋 到。时刻,原边电流从。。下降到零,二极管:和。自然关断,和。中将流 过电流。该阶段的持续时间为:,上,?,/圪 第五阶段。,;:如图.所示,在。时刻,原边电流由正方向,并向负方向增 加,流经:和。。由于原边电流仍不足以提供负载电流,负载电流仍由两个整流二极 管提供回路,因此原方绕组电压仍然为零,加在谐振电感两端电压是电源电压一原 边电流反向线性增加。 . 。,一 到;时刻,原边电流达到折算到原边的负载电流一。,。/值,该阶段结束。此时, 整流管。,关断,。流过全部负载电流。该阶段的持续时间为: . :生攀坐 第六阶段,。:如图.所示,在这段时间里,电源给负载供电,原边电流 为: .华中科技大学硕士学位论文 一;; . “,一苦等” 因为三,:?,,可简化为下式: . “归一警”。 在。时刻,。关断,变换器开始另半个周期的工作。 ..实现的条件 由前面的分析可以知道,要实现开关管的零电压开通,必须有足够的能量用 来: 抽走将要开通的开关管的结电容或外加电容上的电荷: 给同一桥臂要关断的开关管的结电容或外加电容充电; 抽走变压器原边绕组寄生电容上的电荷。 也就是说,要实现开关管的零电压开通,必须满足下式: . ,垤 ,吃瑶。吃曙圭。曙 ?超前桥臂实现 超前桥臂容易实现。在超前桥臂开关过程中,输出滤波电容与谐振电感 串联,此时用来实现的能量是乙和乙中的能量。~般来说,很大,在超前桥 臂开关过程中,其电流近似不变,等效于一恒流源。为了实现超前桥臂的零电 压开通, 必须使.和驱动信号的死区时间满足以下关系: 竖:刍?::垒:竖 . 乃删? ?滞后桥臂实现 由上述分析可知,在滞后桥臂开关过程中,变压器副边是短路的,此时用来实现 的能量只是谐振电感中的储能,因此滞后桥臂实现比较困难。由图.分析可 知,当滞后桥臂工作时,变换器谐振电感和开关器件的并联电容、.谐振,点 电位由。。逐渐减小,当低于地电位时,:导通,此时开通。则:实现零电压开通。由 此可见,若要实现滞后桥臂的零电压开通,必须满足以下两个条件:华中科技大学硕士学位论文 串联谐振电感储能小于滞后桥臂谐振电容储能,即 . 三,,;,。?瑶吉。?: 忽略变压器寄生电容,。,简化可得 . 鼍?:魄: 滞后桥臂开关的死区时间应小于或等于四分之一的谐振周期,即 乃。妞,?詈?:虿了乏万詈?瓦. 在这两个约束条件下,我们可以选择合适的谐振电感。和谐振电容?一其参数 选 择对谐振过程的影响如图.所示““。 / ~唧 /?‖, 谐振电感及 谐振周期恰好足够大 图.谐振过程谐振电容及驱动波形 在实际中大功率装置设备中,由于采用作为开关器件,死区时间不宜设置过 小,一般为.~.。由于串联谐振电感和开关器件并联电容均不宜过大或过小, 故谐振电感应与开关管并联电容协调确定。 ..副边占空比丢失 副边占空比丢失是移相全桥 变换器一个重要的现象。所谓副边占空比丢失, 就是副边的占空比。小于原边的占空比,即。,其差值就是副边占空比丢失 ?。 由图.可以发现,在原边电流从正向变化到负向的时段内,原边不足以提供负 载 电流,这时副边整流桥的所有二极管导通,负载处于续流状态,其两端电压为 零。这 段时间是副边占空比丢失的时间??。,,即 ‰四:型?学塑:掣 华中科技大学硕士学位论文 其副边占空比丢失?。,,为: . 。“鳖/锴 从上述式中我们可以知道:当谐振电感越大、负载电流越大和输入电压越低时,占 空比丢失越严重。由此可见,在相同输入和输出条件下,占空比损失和零电压开通的 负载范围是一对矛盾的整体。其谐振电感,的大小需要在实际情况中考虑折中选择 在这里仅仅只对副边占空比丢失现象进行定性的分析,在后续章节中将会对此进行 详细的模型建立和分析。 。. 变换器的典型电路 为了实现滞后桥臂的零电压开关,通常在原边加入串联谐振电感,但是谐振电感的 加入会导致副边占空比丢失,尤其是在输入电压最低,负载最大是尤其严重。 为了减小谐振电感,提高副边有效占空比,目前主要有以下几种辅助电路加以改进 目九四七: 将移相变换器中的线性谐振电感改用饱和电感。当脱离饱和时,表现 为一个很大的电感;当其进入饱和状态时,又表现为一个很小的电感,如 图.所示。 在传统的全桥变换器基础上加入辅助网络,使其在任意负载和输入电压范 围内实现零电压开关,并且大大减小占空比丢失。在这里,粗略地介绍几 种采用辅助网络的移相全桥变换器,如图.,,所示。图 .增加一个电感和两个电解电容,图.增加了一个电路,漏电 感和辅助电路的电感电流同时给并联电容充放电,从而在较宽的负载范围 内实现滞后桥臂的。图.通过增加一个谐振变压器来实现大范围 的。 哎汁 ?汁。 。。阡 广一?一叫 虱,宁‘ 七『‘ 。 。 珂?. 』卜寸 ” 、 图. 移相变换器辅助电路 华中科技大学硕士学位论文 三一: 图. 移相变换器辅助电路 . 移相变换器基本原理?“川“ 上一节讨论了移相控制 哪全桥变换器的工作原理,它利用变压器的漏感和开 关管的寄生电容来实现开关管的零电压开关,拓扑简单,控制方便,广泛应用在中大 功率场合。不过,当选用作为主开关管,在高压大功率情况下,由于在关 断时存在电流拖尾现象,因此产生较大的关断损耗,从而限制了变换器的最高开关频 率。为了解决的电流拖尾问题,国外一些学者首先提出零电压零电流移相全桥 变换器,使其滞后桥臂工作在零电流开关状态“”“”““”。 本节以其中一种为例介绍移相全桥 变换器的工作原理,其主电路和主要 波形如图.和图.所示。。和。构成超前桥臂,:和。构成滞后桥臂。.和分 别是和的反并二极管,。和,分别是和的并联电容,。是变压器的漏感。与 移相全桥 变换器相比,在滞后桥臂的每个开关管串联了~个二极管,而且去 掉了并联电容。华中科技大学硕士学位论文 ..工作过程 变换器有种开关模态将对其半个工作 在一个开关周期中,移相全桥 周期进行分析,其波形图如图.所示,将工作过程划分为个阶段,如图.所示。 ,。 。 。 : ?? ‘? ?? ???一 二 。‘, 、 卜 ‘ / .卜 、 . ? ?? 上 \ \ \.图. 变换器主要波形, 、 丰 恋 悟 阿 ‘‘ 牾 图. 变换器各开关状态的等效电路 华中科技大学硕士学位论文 ? 型 占 芊 情 毒、 上 拄 图. 变换器各开关状态的等效电路 初始时刻。:如图.所示,。和导通。原边电流。给隔直电容。充电。这 里假设输出滤波电感足够大,可以将它看成一个电流源。此时,原边电流 为。。。/, 隔直电容。电压为凸。。 第一阶段。,。:如图.所示,在。时刻关断.,,从。中转移到。和。 中,给充电,同时。被放电。在这个时段里,漏感。。和滤波电感是串联的,而 且 很大,可以认为。近似不变,类似于一个恒流源,其大小为。。/。原边电流。 继续给隔直电容。充电。。的电压从零开始线性上升,。的电压从。.开始线 性下降。 隔直电容。和。、。的电压分别为: ,. . %?一“ 华中科技大学硕士学位论文 ?’ 轰卜 心四 嘣归%一轰,。 在、时刻,。的电压下降到零,。的反并二极管。自然导通,从而结束第一阶 段。 该阶段的持续时间为: . ,%/卸 在。时刻,隔直电容。上的电压为: . %.:‰。.乌生 第二阶段。,。:如图.所示,,导通后,开通。,。是零电压开通。与 .驱动信号之间的死区时间。即 盟 ‘ ?壬? 在这段时间里,,和导通,、两点电压等于零。此时加在变压器原边绕组 和漏感上的电压为隔直电容电压。,原边电流开始减小,同时变压器原边电压极性改 变,副边感应绕组电势成为下正上负。变压器副边两个整流二极管。。和。同时导通, 因此变压器原、副边绕组电压均为零。此时隔直电容的电压全部加在漏感上,原边电 流减小,隔直电容电压上升。由于漏感较小,而隔直电容较大,因此可认为在该阶段, 隔直电容电压基本不变,原边电流基本是线性减小的,即 . ‰‰‰? ’, 一 ?,:。一以 在:时刻,原边电流下降为零。该阶段持续时间为: . ,。『 第三阶段。,,:如图.所示,原边电流为。,点对地电压为., 点对地电压为一。副边两个整流管同时导通,均分负载电流。 第四阶段。,。:如图.所示,在。时刻,关断.,此时中并没有电流流 过,因此.是零电流关断。 . .华中科技大学硕士学位论文 由于原边电流不足以提供负载电流副边两个整流管依然同时导通,变压器的 原、副 边绕组被钳在零电压。此时加在漏感两端的电压为一。。,原边电流从零开始 反方 向线性增加。“一譬堡 在.时刻,原边电流反方向增加到负载电流。该阶段的持续时间为:揣 第五阶段。,。:如图.所示,从。时刻开始,原边为负载提供能量,同时 给隔直电容反向充电。输出整流管。。自然关断,所有负载电流均流过。。在 该阶段隔 直电容的电压。为: 。 . ‰一了?一,。 在。时刻,关断。,开始另一个半个周期,工作情况类似前半个周期。 ..实现的条件 上一节分析了实现开关管的零电压开关条件,由于移相全桥 删变换器中超 前桥臂的零电压开关情况与移相全桥 变换器相似,故实现超前桥臂的零电 压 开关的条件相同,在此不详细叙述。 ?实现滞后桥臂的条件 从上面的分析可以知道,要实现滞后桥臂的,原边电流。必须在滞后桥臂开通 之前从负载电流值减小到零,从而推出。从负载电流减小到零的时间。:为: .。 。 :丝盘:盟:??/ 从上式可以看出,.:与负载电流无关,与占空比成反比。 华中科技大学硕士学位论文 .. 变换器的典型电路 变换器中存在的负载范围窄和导通损耗大的缺点, 为了解决移相全桥 移相全桥 变换器在中大功率直流变换器中得到广泛的应用。在传统 变换器的基础上为了解决滞后桥臂实现的问题,一般需要加入辅助电路。 / 上 ? : 、 ‘?厂、。 ...一..一 一譬..广 本 上 ? ,. 、 ‘?厂?。 ?/ 上 ? 、 ’一飞‘ ... ..~ ‘‰,、 ~ ’ ‘卒 一?二一 ?/ 上 ? 【 、 ‘? 图. 变换器辅助电路 根据辅助电路在变换器中的位置,移相全桥 变换器可以分为变压器原边 辅助电路和变压器副边辅助电路两种,如图.所示。其具体实现拓扑电路如 图. 。皇。 ?、 芊 『 《 与 ?,、一 帆 可 毫华中科技大学硕士学位论文 ;;;口; 了 ‖ 日幸 乌 、 % 皿 ‘ 卜 矗 、 ‘ 爿嚼 币 猥 ; 变换器辅助电路 图. 所示。 比较这两种辅助电路实现的思路,我们可以得到如下几点结论: 变压器副边辅助电路通过抑制隔离高频变压器输出电流并通过副边辅助电路 旁路负载电流的办法实现滞后桥臂的,可以扩大副边占空比输出,并且使用规格化 的辅助电路,结构简单,实现容易。但是,这种辅助电路也有一些严重的问题: .当负载出现短路故障时,变压器副边辅助电路是不可控制的,电路实用性受到 限制; .规格化的副边辅助电路在中小功率应用场合是它的优点,但是在大功率应用场 合显得特别笨重和多余,不再成这种电路的优点; .变压器副边辅助电路在变压器原边电流实现滞后桥臂时提供负载电流,这 在中小功率和输出负载电流不大的情况下是可行的,但是在低压大电流大功 率 应用场合往往不具有可行性。华中科技大学硕士学位论文 从而限制它的广泛应用; 变压器原边辅助电路通过在变压器原边引入复位电压吸收多余的漏感储能, 提供滞后桥臂的条件。由于变换器的辅助电路是在变压器的原边,因此其与 变换 器输出电压电流规格无关。而且,主变压器的原边电流在每半个开关周期被 复位到零, 使由于电路不对称性和暂态现象造成的磁饱和可能性大大降低。 .主电路仿真分析 为了验证本方案中 变换器的工作原理和第四章参数设计的正确性,现利 用对主电路进行仿真。其仿真参数如下: 直流输入电压。; 直流输出电压。.; 负载:.: 变压器各绕组匝数:,;个变压器原边串联; 并联电容:;; 输出滤波电感:: 输出滤波电容:; 开关频率:矗。 图.为超前桥臂开关管的零电压开关波形,图中:为开关管驱动信号波 形,:为开关管的管压降波形。图为超前桥臂开关管在满载条件下:: 关状态,图为超前桥臂开关管在%负载条件拘:关状态。. 鼯, 黼 “::。』 矧 . ‘ : :::. “ .‘ 冲‘ . ::::’: :‘: 一 聋?。 ? .. ::一 ‘ 图.超前桥臂开关管的零电压开关波形华中科技大学硕士学位论文 %;?一:::: 一 : “ 驰醛;?猫 獬 ? : : :砷? : ?。 。 ,。。 ?? ?‘ ?; ‘:. : ? ?。 .: 讳 : ~ ?。『 ? ‘。? :止 。?‘ ‘。 ? ?。: ? .二二. 。???? : 。:.‘: .:‘..‘ ‘。? ? ‘。 ?一. 在%负载条件下 图.超前桥臂开关管的零电压开关波形 帮协 瑚 艇 . ? : .王蔓 ??? 卜 .一 蓦:: 。 蕾 .. ’一 . 蚺 甜峥? . ’ ‘ ‘一.。 毒驾暑 . .辩 ?‘一?~。 ’? ; ?::骓.警。一:: 一?华中科技大学硕士学位论文 相同,而滞后桥臂开关管在%负载条件下的开通波形与在满载条件下有明显 的区别。 滞后桥臂的开关受谐振电容和谐振电感以及负载电流的影响。当负载电流逐 渐减小时, 在滞后桥臂开关管的驱动信号上升时,其管压降的下降斜率随输出电流增大而减小, 即滞后桥臂开关管将逐渐失去零电压开通的条件。这与理论分析是完全一致的。 中的原边电流波形相 图.为在满载条件下变压器原边电流波形,该波形与图 似。 图.为三相不控整流在满载条件下的输入线电流波形及其相应谐波畸变率。从 谐波频谱图上可以看出,三相整流输入线电流除了含有基波成份外还含有倍、 倍、倍等.七?,尼,?特征次谐波成分,其总谐波畸变率为.% 、 ~ 一 ; ,上.. ?飞 。乒 / 。? , 、 ?、? /,: 卜 ? : / , . : /、 ? 。 : : : : ’ :; : ~; ;~ ’ ‘ 《 : :: 甘 ‘卜 /‘ ? 善 一 \ ? : , ; ,、 ,‘ : 。剃 .:. 旷.. 、等““ ?‘~ ~ ~‘ ?一 “曩。。 线电流波形 卜?一 ”..’ 、’ 伯线电流谐波频谱 图.三相整流在满载条件下线电流波形及谐波频谱 葺 , ?。 卜 、 ;【 :华中科技大学硕士学位论文 ‘ ::::.? 兰 一 : ? 瞄形‘ ? 夕; 鋈? ‘‘ 一 简 矿 ~ ? ; ? 。? .: 簿下翰二 辩毒 下 卜 , 乒 :一 咎 酒 、琳 ~ 一 ; ; ; “ ;; 鬻琴 葺 “。“ 一‘ ”:。。?。等:.;.。一‘ 线电流波形 : .; ?? :;一 ‘ : 誊垮 末 ‘; ~ ?群 : : . 沓; ?童一 辫 .泔 ?线电流谐波频谱 图,十二相籀流在半载条件下输入线电流波形及谐波频谱 ? 、; ?? :,、 ,; 一 一 , ? ?? 一 ?』. 群篮互 : 繁 磁’, 寿 露 搏; :厂 。泌: :?料 一~黼专 』 。’芝;: 鞠? 睦 。:; :。三 趋 :; 掣 ::: : ::: .:’ ~ 一 线电流波形 . .: : . 霹 : : 替参 线电流谐波频谱 图.】十二相整流在满载条件下输入线电流波形及谐波频谱华中科技大学硕 士学位论文 图.和图.为十二相不控整流在半载和满载条件下的输入线电流波形及其相 应谐波畸变率。从谐波频谱图上可以看出,三相整流输入线电流除了含有基 波成 份外还含有倍、倍、倍、倍等.?,,?特征次谐波成分,其总谐 波畸变率分别为.%和.%。 从以上仿真波形可以看出,电路的实际工作过程与理论分析是非常吻合的, 其主电 路拓扑的设计和电路参数的选择也是正确的。 .本章小结 本章介绍了和两种移相全桥变换器,对其工作原理和软开关实 现条件等具体问题进行了详细的说明,其常见的拓扑电路被列举出来并进行分析。最 后,本章对直流变换器和输入整流电路进行仿真分析。上述内容成为后续章节 模型建立和实验分析的理论基础。 华中科技大学硕士学位论文 移相变换器模型及控制系统分析 在电力电子领域,系统的数学模型作为有效控制的基础,必须以简单明了的数学表 达形式尽可能精确地反映受控对象的运行状况,并可以方便地应用在工程设计中。 】: 分析和解决一个工程设计问题的步骤包括以下几步 .规格和设计目标的定义; .电路的提出: .模型的建立; .面向设计的电路分析: .模型的修正; .电路的最糟糕情况分析; .改进。 变换器基础上,利用平均状态 本章的主要任务是基于已经提出的移相全桥 法在传统的电路模型基础上建立相应的小信号模型,并根据面向设计的电路分析 设计控制系统的各个环节并给出实现算法。本章对移相全桥变换器的控制系统 进行详细的分析,最后,在基于模型预测的传统无差拍算法的基础上,提出一种非基 于模型的电流预测无差拍控制。 . 变换器基本理论 作为经典直流变换器之一,电路的工作原理已经在国内外各种电力电子教科 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中得到详细的阐述。本节以变换器为例,就直流变换器的基本问题,如电路模 型、调节器设计、控制系统分析等一系列问题进行深入的研究。 ..电路模型分析 对/ 变换器而言,一个等效系统包括三个独立输入变量,即控制输入, 电压输出和负载电流。在忽略元件参数漂移的前提下,输出电压可表示为以上各变量 的线性组合式.,其等效模型如图.所示。 . 日?%‘一乙。‘? 华中科技大学硕士学位论文 ? 乙 ? % ? 又‰ 舯扣,剥如?, 剥 。柚 , 缸. 咖? 化 图.变换器等效模型 儿 工 同 / 占 锌 一吃? ; 口 :% 主电路拓扑 小信号模型 图. 变换器主电路拓扑及小信号模型 电路,其主电路拓扑如图.所示,作为一种经典电路形式,是许多电力电 子变换器理论分析的基础。我们在其主电路拓扑基础上建立小信号模型,如 图. 所示。 输出滤波器传递函数为: . 也五 兰 可. 输出滤波器的输入阻抗为: 吐圳面』? 妄志?矿 输出滤波器的输出阻抗。为: 华中科技大学硕士学位论文 乙 一圳去腻。磊“以 上 从而得出变换器的各传递函数如下所示。 变换器控制输出传递函数为:氏%‰‘鬲函 变换器扰动输出传递函数为: 。’’ ‘五三 国“ ‘云二“ 输出阻抗。为: 乞。乙 . 在图.所示的变换器主电路拓扑和小信号模型的基础上,考虑到输出滤波 电感寄生电阻和输出滤波电容寄生电阻的作用,我们可以得到如图.所示的 电 路小信号模型。????、?冠 习 三恐 ? 吃 ; 一 『 主电路拓扑 唬 。督 :盯 小信号模型 图. 变换器主电路拓扑结构及小信号模型考患寄生参数的作用 输出滤波器传递函数为: 华中科技大学硕士学位论文 小而丽再币警菇若万丽。矿川。、 爿。甭面鬲万可百万可鬲丽?‘】吒?’ 输出滤波器的输入阻抗为: //刍?两柄‖ 输出滤波器的输出阻抗乙为:://刍‘//止,止气‘; 占空比对输出。的传递函数,为: ?‘? “盯圪 篑“ 雨‘....... . ”%可。 变换器扰动输出传递函数“为 。’ 掣