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基于TMS320F2808的全桥三电平LLC谐振变换器的研究(可编辑).doc

基于TMS320F2808的全桥三电平LLC谐振变换器的研究(…

空出来的心情_
2017-09-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于TMS320F2808的全桥三电平LLC谐振变换器的研究(可编辑)doc》,可适用于生产运营领域

基于TMSF的全桥三电平LLC谐振变换器的研究(可编辑)基于TMSF的全桥三电平LLC谐振变换器的研究分类号:学校代号::密级:学号:广东工业大学硕士学位论文工学硕士基于的全桥三电平谐振变换器的研究左畅指导教师姓名、职称:奎壶蛊副塾援企业导师姓名、职称:玉专业或领域名称:电左电王皇电力焦动学生所属学院:焦:包工猩堂院论文答辩日期:三生旦三旦::,,,摘要摘要为了降低谐波污染,提高功率因数,在大功率变换器应用场合中,往往采用功率因数校正电路。但是功率因数校正电路的输出直流电压通常以上,给后级直流变换器的器件选型带来了困难,而三电平技术很好的解决了这一难点。本文所研究的全桥三电平谐振变换器从拓扑结构上解决了开关器件的软开关问题,提高变换器的效率。将谐振网络引入全桥三电平变换器中构成了全桥三电平谐振变换器,能够实现开关管的和整流二极管的,开关管和整流二极管的电压应力低,输入电流纹波和输出滤波器可以减小,非常适合于高压大功率的应用场合。本文所研究的全桥三电平谐振变换器采用处理器进行控制。随着、和等技术的发展,数字化控制已经成为主流,大功率直流变换器也将朝着数字化、智能化和网络化的方向飞速发展。将数字控制技术应用于全桥三电平谐振变换器中,能够简化系统的硬件结构,缩短开发周期,提高系统性能,还可以实现智能化和复杂的控制策略。本文首先阐述了该课题的研究背景和意义,三电平变换器的研究现状和趋势。其次,在分析了全桥三电平谐振变换器的控制策略和工作原理的基础上,详细设计了变换器的主电路。然后,根据全数字化控制系统对微处理器的性能要求,选择作为控制核心,并设计了控制系统的硬件和软件。最后,研制出一台的数字化全桥三电平谐振变换器样机,对其软开关特性、输出电压和电流等特性进行了测试,并详细分析了实验波形。实验结果验证了全桥三电平谐振变换器理论分析和样机设计的正确性。关键词:三电平谐振数字控制斩波加移相广东工业大学硕士论文,。,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,广东:大学硕士论文目录摘要目录第一章绪论课题背景与意义三电平变换器的研究现状大功率直流变换器的数字化发展趋势课题主要研究内容第二章大功率直流变换器拓扑结构的选择与分析非隔离式三电平变换器拓扑隔离式三电平变换器拓扑全桥三电平谐振变换器分析主电路拓扑的选择:全桥三电平谐振变换器的控制策略全桥三电平谐振变换器的工作原理箝位二极管与飞跨电容的作用开关管实现的条件本章小结第三章全桥三电平谐振变换器硬件系统设计全桥三电平谐振变换器硬件系统的组成全桥三电平谐振变换器主电路的设计谐振网络的设计主变压器的设计谐振电感的设计输出滤波电容的选取目录开关管的选择二极管的选择控制电路的设计数字控制芯片介绍驱动电路的设计采样电路的设计保护电路的设计辅助供电电源的设计本章小结第四章全桥三电平谐振变换器软件系统设计程序流程图系统初始化系统时钟初始化中断初始化的配置的配置中断服务程序数字滤波算法的实现本章小结第五章实验结果与分析实验系统平台实验波形和数据分析本章小结结论参考文献攻读学位期间发表论文学位论文独创性声明学位论文版权使用授权声明致谢广东工业大学硕士论文:一::::第一章绪论第一章绪论课题背景与意义随着社会的快速发展,对能源、环境等问题的关注,各个国家均加强了能源的开发与利用。电动汽车作为一种新型汽车,用电池代替传统的汽油,能过实现零排放污染,并且能够使能源多元化和高效化的利用。然而,电池作为电动汽车的动力,需要对高压大功率变换器进行研究,以缩短电动汽车电池的充电时间并降低成本【,。同时,将高压大功率变换器也广泛应用于通信、航天、军事和办公等行业。由于大功率直流变换器的输入多采用不可控整流方式,具有较大的输入谐波电流和无功电流,将使得功率因数变低,对邻近的用电设备的工作造成影响,同时也会造成输电线上的损耗增加。为了降低变换器对电网的污染,提高电能直流,各个国家和地区对输入电流谐波制订了限制标准,如、、等。为了降低大功率直流变换器引起的谐波电流,功率因数校正技术得到了亲睐,其中有源功率因数校正技术,作为抑制大功率直流变换器谐波污染和无功电流的一种有效手段,已经得到了广泛的研究和应用【】。大功率的高频变换器一般为三相输入,经过整流后直流母线电压将达到以后,若采用三相功率因数变换器,输出直流电压将会更高,这就使得后级直流变换器开关管的电压应力大大增加,给器件的选型带来困难,同时会增大成本,所以需要进一步的技术研发一种降低开关应力的变换器。而三电平变换器能有效的降低输出波形中的谐波含量,减少输出无源滤波器的体积和重量,提高系统的动态响应。同时,为了满足电力电子装置发展的小型化、轻量化,以往通常采用提高开关频率的方法,但是会造成开关损耗、电磁兼容加剧等问题。而多电平电路能有效的降低输出波形中得到的谐波含量,减少输出无源滤波器的体积和重量,提高系统的动态响应,同时,引入谐振网络,使变换器的开关器件实现软开关,有效的降低开关损耗,提高直流变换器的效率和功率密度。广东工业大学硕士论文三电平变换器的研究现状等人提出的中点嵌位年日本的,逆变器的概念为三电平,直流变换器的发展奠定了基础,其电路拓扑如图所示。这种三电平逆变器和两电平逆变器相比,在每个桥臂中分别增加了两个开关管和二极管。以相为例,、为主开关,、为辅助开关管,、为辅助二极管,其中和用于脉宽调制,和将输出端电压箝位在中点。当和导通、和截止时,相能够得至电平当和截止、和导通时,相能够得到电平当和导通、和截止时,相能够得到零电平。因为这种逆变器的每一相都能够得到三个电平,所以称其为三电平,逆变器,为了与后续发展的逆变器区别开来,该逆变器又称为二极管箝位型逆变器。二极管箝位型逆变器的优点就是每相输出电压均能够得到三个电平,与两电平逆变器相比,其输出电压的谐波含量会大幅度降低,而且每个开关管的电压应力仅为输入电压的一半,因此这种一逆变器非常适合于高输入电压的场合,它的提出引起了广大学者的重视,为多电平技术的发展奠定了基础。图三相中点嵌位逆变器和分别提出了飞跨电容嵌位型多电平逆年法国学者变器和多种非隔离的飞跨电容型多电平直流变换器,其中包括几种非隔离的飞跨电第一章绪论、容型变换器【。后来,巴西学者等人在工业电子、控制、仪器和自动化会议上提出了三电平直流变换器的概念,其后三电平直流变换器得到了快速的发展,先后提出了诸如三电平变换器、三电平变换器等电路拓扑结构,并针对这些拓扑的控制方式、软开关工作模式以及最优控制策略等方面进行了卓有成效的研究。同时国内对变换器的研究也日趋成熟,其中以南京航空航天大学的阮新波教授为代表,系统的阐述了三电平变换器及其软开关技术理论,将三电平变换器的理论发展作出了巨大贡献【,】。另外,浙江大学的吕征宇等人对三电平变换器的控制策略分析取得了不少成绩【哈尔滨工业大学的王明彦等人成在变换器拓扑方面做了大量的工作【】江苏大学的刘星桥等人也将数字控制引入三电平变换器中做出了研究【。由于具有开关管电压应力低、输出波形中的谐波含量小等优点,三电平变换器受到了越来越多的关注。同时,为了降低功率器件的开关损耗和噪声问题,软开关技术也得到了广泛的应用。结合三电平和软开关技术,研究产生了诸如、、正激、反激、半桥、全桥等不同的三电平拓扑结构。这些三电平变换器可以广泛应用于:通讯电源、电镀电源、电力操作电源等各种中、大功率直流电源,可以提高变换器性能,降低成本功率因数校正变换器输入电压很高的船舶、轨道交通等场合氐压大电流应用场合。在这些变换器中,全桥变换器得到了极大的发展,很多学者提出了各种各样的电路拓扑以实现开关管的软开关。全桥变换器的所有开关管的电压应力为输入电压的一半,可在宽负载范围内实现,输出整流波形中高频分量小,可以减小输出滤波电感,输出整流二极管的电压应力可以降低,非常适合作为大功率充电机、航空电源等用的拓扑结构。本文将重点讨论此类变换器。大功率直流变换器的数字化发展趋势传统的直流变换器多是采用纯模拟或者模数结合控制系统,这两种控制结构拥有着它自身的一些优点,例如,可以通过小信号建模对系统在域进行比较深入的分析,可以利用成熟的控制理论和分析手段对控制环节进行设计,可以选用大量的专用控制芯片,成本较低,具有大量的设计经验,相对来说产品比较成熟。这些优点使得模拟控制仍是当前主流的直流电源控制手段,特别是在中小功率及要求成本广东工业大学硕士论文较低的一些应用场所。相对在大功率直流变换器的应用场所,模拟控制技术存在着许多难以克服的缺点和不足:控制电路的元器件和印制电路板较多,电路复杂,硬件成本难免增加,系统检测复杂,增加售后维护成本,系统可靠性下降不便于调试。由于所采用的器件具有一定的工业误差,必然使得直流电源的一致性存在差异,同时模拟器件工作点的漂移导致系统参数的漂移灵活性低,产品升级换代较难,硬件电路设计好之后,控制策略便无法修改模拟控制系统的监控能力较差,不能加入先进的通讯模块,技术人员必须在工作现场才可以进行故障排查,具有不便性和危险性。近年来,得益于信息和微电子技术的发展,数字技术得到了迅猛发展,已经广泛应用到了工业生产和人们生活的各个领域,电力电子领域也不例外。对大功率直流变换器的控制系统而言,传统的模拟控制电路结构复杂,分立元器件较多,只能够实现有限的控制策略,使得直流电源系统的一致性和可靠性都受到一定影响。为此,在控制系统中引入数字控制方法,能够极大地简化控制系统的硬件电路,同时数字控制系统本身所具有的器件参数变化影响小、抗干扰能力强等特点,能够提高系统的长期可靠性、稳定性和控制精度】。同时,引入数字化控制系统便于计算机处理控制,大大提高了系统升级、软件调试和远程操作的方便性,避免模拟电路会出现的信号失真,使整体系统的抗干扰能力得到提高,方便实现片上系统和生成标准化,控制参数可灵活多变,采用先进的算法以提高控制性能,也便于系统自我诊断和容错能力的植入。数字控制系统采用了数字信号处理器,为核心元件,其集成的模块功能可以方便实现电路的控制策略、采样功能、通讯功能等,实现直流电源的人机交互界面、远程监控等设计,同时也为大功率直流电源模块并机技术的发展提供了方便数字信号处理器的价格是一个制约电力电子系统数字化发展的一个重要方面。但随着技术的发展,数字信号处理器的生产成本下降,为电力电子系统数字化控制产品化创造了条件。现在,多家公司推出了数字信号处理器,如公司的系列和公司的系列等,这种信号处理器内部均集成了高精度的模块、数字模块、通讯模块等,非常适合于大功率高精度控制的电动汽车充电机、航空、电镀电源等领域。第一章绪论课题主要研究内容该课题由广东省新能源汽车专项,广东省教育部产学研结合项目和珠海市科技计划项目资助。本文研究的变换器是应用于大功率直流电源场合,它要求传输功率大、减少电压应力、动态响应速度快,而全桥三电平谐振变换器能够很好的满足这种要求,所以很有必要对此进行研发利用。同时,采用用数字式开关电源,为了满足通信需求及各种控制策略,介绍了处理器如何实现各种控制与通讯的要求。本文分析了全桥三电平谐振变换器的控制原理和重要参数的设计,并通过实验给出了实验结果。本文分为五个章节,各章节内如下:第一章主要论述了三电平课题研究的背景与意义,三电平拓扑结构的研究现状,以及数字化控制的趋势。第二章主要集中高压大功率的应用场合中,主电路拓扑结构的选择与分析上。首先介绍了三电平常用的拓扑结构,并结合课题要求,选择了在全桥三电平变换器中引入谐振网络的拓扑结构,分析了其在相应的控制策略下的基本工作原理。第三章给出了全桥三电平谐振变换器硬件系统的详细设计。重点介绍了全桥三电平谐振变换器的主电路参数的设计以及器件的选取,数字控制芯片,驱动电路设计,采样电路设计,保护电路设计,辅助供电电源设计等。第四章具体介绍了如何实现全桥三电平谐振变换器软件系统设计和实现方案。其中重点介绍了系统初始化,系统时钟初始化,中断初始化,的配置,的配置,数字滤波,控制算法实现等功能软件的设计。第五章对课题所做的全桥三电平谐振变换器样机进行了试验,记录其波形和数据,并进行了分析。最后,对本文进行了总结,对系统需要进行的下一步工作进行了展望。广东工业大学硕士论文第二章大功率直流变换器拓扑结构的选择与分析大功率直流电源研究工作的重点在于主回路的设计,而三电平拓扑结构是适合于高压大功率应用场所的开关电源拓扑。三电平直流变换器自从提出后,迅速发展成了较为完善的拓扑体系,这些拓扑可以归纳为两大类:一类是非隔离式三电平变换器,一类是隔离式三电平变换器。非隔离式三电平变换器拓扑一一图非隔离式三电平直流变换器非隔离式变换器拓扑包含了、、、、和第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析种【,如图所示。其开关管的电压应力是其运行两电平变换器的一半,而且其储能元件如滤波电感、滤波电容和中间的储能电容等可以大大减少,从而可以减小变换器的体积和重量,提高动态响应速度。这些非隔离式比变换器由于地线并没有隔离开,因此其不适用于需要电气隔离、输入输出电压高的应用场所,在输入或输出电压较低,但变化范围较宽时可以选择这几种非隔离式变换器。隔离式三电平变换器拓扑隔离式变换器包含了正激、反激、推挽、半桥、复合全桥和全桥三电平等拓扑结构,这几种都将输入地与输出地隔离开了,都将适用于需要电气隔离的场所,但是由于其各自的电路特性,每种拓扑都有一定的应用范围。变换器如图所示,其实质上就是在双管变换器的基础上改进得到的,分别用、、和代替原来的一只开关管。这样虽然可以降低开关管的电压应力,但是从变压器副边的输出滤波器两端的来看,其电压波形依然是两电平波形,故不能减少输出滤波器。’【一耳一图双端三电平变换器变换器如图所示,其实质是在双管变换器的基础上改进得到的,分别用了、、和代替原来的一只开关管。但是与双端变换器类似,虽然双端反激变换器可以降低开关管的电压应力,但是变压器副边的输出电压依然是两电平波形,故不能减少输出滤波器。广东工业大学硕士论文一图双端三电平变换器推挽变换器如图所示,其实质与正激变换器和反激变换器类似,同样其本质还是一个两电平变换器,故不能减少输出滤波器。,‘卜朋一西孑卜’:孓一子制’崩一孑三孓『图推挽三电平变换器基本半桥变换器如图所示,该变换器的优点是开关管的电压应力是输入电压的一半,适合于输入电压较高的场所,引起了很多学者的关注并进行了大量的研究,产生了诸如加辅助网络的零电压开关半桥变换器、零电压零电流开关半桥变换器、谐振型半桥变换器等半桥变换器。但是其本质上还是两电平变换器,因此它并不适合变化范围较宽和功率较大的场所‘。第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析厶:产正卜“卜。卜图半桥三电平变换器复合全桥变换器如图所示,该变换器是由一个三电平桥臂和一个两电平桥臂组成,并可以工作在三电平和两电平两种模式下,与传统的两电平变换器如正激变换器、反激变换器、半桥变换器和全桥变换器等相比,其整流后输出的电压一直比较接近于输出电压,这样其滤波器将大大减小,而且输出整流二极管的电压应力得到了降低,非常适合于电压范围较宽的应用场所,但是其两电平桥臂的开关管的电压应力为输入电压,故其并不适合于高输入电压的场所‘。】门,牛勉图复合全桥三电平直流变换器全桥变换器如图所示,该变换器是在复合全桥变换器的基础上,将广东工业大学硕士论文两电平桥臂改成了三电平桥臂,这样将所有开关管的电压应力均降为了输入电压的一半,所以非常适合于高电压输入的场所,有利于降低成本。图全桥三电平直流变换器全桥三电平谐振变换器分析主电路拓扑的选择为了满足电网谐波要求标准,技术得到了广泛的应用,特别是高压大功率的应用场所。但是三相功率因数校正变换器的输出较高,通常在以上,会给后级直流变换器的开关器件的选取带来困难,这就需要一种能够降低开关管的电压应力的拓扑。由于大功率直流变换器工作时电流较大,有时需要人工操作,出于安全考虑,需要将输入与输出隔离,所以将采用隔离式的三电平变换器拓扑结构。在上述一节中已经指出,正激、反激、推挽和半桥式变换器虽然能降低开关管的电压应力,但是其变压器副边的输出电压依然是两电平,故不能降低输出滤波器的大小。而复合式全桥变换器由于存在两电平桥臂,该桥臂上的电压应力为输入电压,,因此其并不适合在高输入电压的场合使用,而且需要两种开关管,不利于降低开发成本。所以本次设计将选取全桥三电平变换器拓扑结构。在前人对全桥三电平变换器拓扑结构的理论分析中,出现了三电平变换器,但是其滞后管在轻载使较难实现,而且输出整流管存在着反向恢复的问题,将引起电压振荡和电压尖峰。随后又提出了全桥三电平变换器,第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析其可以使滞后管在很宽的负载范围内实现,但是输出整流管依然存在着电压振荡与电压尖峰。之后在全桥三电平中引入了箝位二极管,消除了输出整流管上的电压振荡和电压尖峰,但是滞后管在轻载的时候仍然较难实现。在将倍流整流方式引入全桥三电平变换器中,将能解决轻载时滞后难以实现的问题和输出整流管上的电压振荡和电压尖峰的问题,但其不足之处在于输出滤波电感电流脉动较大,开关管导通损耗和输出滤波电感较大,而且失去了全桥三电平变换器中输出整流二极管电压应力较低的优点。谐振变换器因为其良好的工作性能也得到了广泛的应用,特别是谐振变换器,能够使开关管在全负载范围内实现。因为该变换器副边不需要滤波电感,所以变压器副边输出整流采用全桥整流电路,整流二极管承受的电压应力仅为输出电压,并能够实现,从而可以减少开关损耗。变压器的漏感可以用作谐振电感,所以由漏感引起的寄生振荡等问题就不存在了。但是这种变换器通常采用变频控制,因此输入电压范围较宽和负载变化很大的情况下,这会使得变换器的设计难于优化【。图全桥三电平谐振变换器主电路拓扑本文将谐振网络引入到全桥三电平变换器中,构成了全桥三电平,谐振变换器,如图所示。该变换器集合了变换器和谐振变换器的优点:适合宽输入高电压的应用场合两个桥臂上的开关管的电压应力均为输入电压的一半整流二极管的电压应力仅为输出电压可在全负载范围内实现滤波器能得到减少。因此谐振变换器非常适合于在宽输入电压范围下工作的高效率、高功率密广东工业大学硕士论文度以及能降低开关应力的电动汽车充电机等高压大功率的应用场合。全桥三电平谐振变换器的控制策略全桥三电平谐振变换器由于有个开关管,其中蕴含着多种控制方式。在文献】中有针对全桥三电平变换器突出最优控制策略,其控制控制目标是:具有较大的电压传输比实现所有开关管的输出滤波电感的电流脉动小。但该最优控制策略没有实现变换器的软启动,并且在输出短路时,电路无法正常工作,因而缺乏实用性。,::和和’’。~‘、、一。。一。『‘’一。,巳一一。。、、,一:~,厂‘,’,、。,,’,’,’,,’。,:,,,,,‘:,图全桥三电平谐振变换器的主要波形图谐振变换器通常采用变频控制,通过调节开关管的工作频率,从而改变变换器的增益特性,从而在输入电压变化和负载变化范围内满足增益要求。然而,在较宽的输入电压范围下和负载变化较大的情况下,磁性元器件难于优化设计。同时,第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析为了实现整流二极管的,变换器的最高工作频率受限,则最低输出电压增益确定,故其提高频率,实现输出限流的特性不佳。本文将结合复合全桥三电平变换器的控制策略,针对全桥三电平谐振变换器提出斩波加移相,的控制策略,并根据公司的处理器进行实时软件控制,从而使得全桥三电平谐振变换器能够运行在高压大功率最佳运行条件下。全桥三电平谐振变换器按照斩波加移相的控制策略的主要波形图如图。导所示。和分别同相于和工作,和、和为互补通,和也互补。导通,超前一定相位角并移相工作,同样超前:同样的相位角并移相工作。这便是本文针对全桥三电平谐振变换器提出的斩波加移相的控制策略,可定义和为斩波管,和为超前管,和、和为滞后管。当输入电压变化不大时,调节和的占空比,便能调节输出电压,随着输入电压升高,和的占空比减少到零,此时可使和分别相对于和移相工作,通过调节它们的相位角,就能调节输出电压。全桥三电平谐振变换器的工作原理图已经给出了全桥三电平谐振变换器的主电路图,两个三电平桥臂包括八个开关管及其体二极管和结电容、输入分压电容和、四个续流二极管、两个飞跨电容和。。、变压器副边为全桥整流包括四个二极管、滤波电容。谐振网络包括谐振电感,包含了变压器原边漏感,变压器励磁电感即为变压器原边电感,谐振电容串联在主回路中,同时起到隔直的作用。按照上述斩波加移相的控制策略,将详细分析该变换器的工作原理。在分析之前,做如下假设:所有用元器件均为理想元器件。、、、、、、和均相等且等于。和足够大且相等,此处它们均分输入电压,等效为两个。的电压源。飞跨电容。】和。足够大,其电压基本保持不变,为。。广东工业大学硕士论文输出滤波电容足够大,可近似等效于一个电压源即为输出电压。图给出了全桥三电平谐振变换器在三电平模式下的半个周期的工作波形,其包括了个开关模态,各个开关模式的等效电路如图所示。所示,以前,、、和导通,两开关模态之前。如图点之间的电压。副边整流二极管都关断,此时输出与原边脱离。三,、三和谐振。谐振电感的电流和励磁电感的电流相等,并且此时的为最大值,即,。开关模态,。如图所示,在时刻,零点压关断和,给和充电,同时通过。给和放电。由零开始正向增加。,在此过程中保持不变,仍为,在时刻,和的体二极管和导通。开关模态,。如图所示,在时刻,由于和的体二极管已经导通,因此零电压开通和。此时,,,和导通。圪加在上上,线性增加。而。将加在厶和上,使吐以正弦波形式增加。开关模态,。如图所示,在时刻,关断,谐振电感电流,给】充电,同时通过。。给放电。由于和的缓冲作用,近似零电压关断。和继续导通,圪继续作用在上上,因此继续线性增加。开关模态,。如图所示,在时刻,上的电压到达,上的电压为零时,导通,。职加在上,和,上,使其进行谐振。一:,~上一~:~:~‘一垴。巾巴风吣一‰:嚣。氆。丁。至~::蔓图开关模态的等效电路第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析如二:一一,,~,、,‘一::刚图开关模态的等效电路,图开关模态的等效电路,图开关模态的等效电路广东工业大学硕士论文一::“、~至:曼。::薹至如:上、::一。‘:::::。图开关模态的等效电路:鼍:三:’:一屯。。。】’一二:三’~至:。:量至鼠::::,:,~图开关模态的等效电路~’一“~薯’‘、:一一:,’’烹。一,,。,::’,。‘‘::‘三。:::::二,‘。、:圭:一::卜,二:纛一一图开关模态的等效电路第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析。。:‘一:,‘’一王,一至氮:皂至如一‘:::::一’枣三‘~屯:一:土。。事舞:::圭:‘一乙一,王‘::吼丰:下毒一吣图开关模态的等效电路‘‘开关模态,。如图所示,由于,到达最大值后的正弦下降和的线性增加,在时刻,,。和将自然关断,和谐振至零,从而避免了反向恢复。此刻和的反向电压为圪。变压器副边与原边脱离,励磁电感的电压,不再受到输出电压的限制,三重新参与谐振。因为上比较大,所以在这段时间里和基本保持不变。开关模态,。如图所示,在时刻,关断。“给充电的同时。给放电。由于和的缓冲作用,近似零电压关断。到时刻,的体二极管将会导通。所示,在时刻,体二极管和导通,故此开关模态,,。如图刻可以零电压开通和,且。因为三较大,所以基本保持不变,仍是厶对,充电,其电压,将反向增加。在时刻,零电压关断和,开始另一个半周期的工作,其工作情况与上述开关模态类似。同样,由于两个三电平桥臂完全对称,所以同样可以如控制将和定义为斩波管,和定义为超前管,、、和定义为滞后管,分析情况与上述开关模态一样。全桥三电平谐振变换器工作在移相状态时,即当输入电压较大时,斩波管关闭,变换器工作在两电平状态,其工作过程同样如上述过程。此时,全桥三电平谐振变换器相当于全桥谐振变换器,但同样拥有三电平变换器的优点。,广东工业大学硕士论文箝位二极管与飞跨电容的作用每个三电平桥臂都有四个开关管,在分析中可知,右边的三电平桥臂和与和分别同时同时开通和关断,这时,其嵌位二极管、和飞跨电容。。可以省去。然而,在实际电路中,和与和开通和关断必然会存在着差异,如果没有续流二极管与飞跨电容,就可能造成开关管的电压应力不均,会造成副边整流管上产生较高的电压尖峰,将会要求采用更高电压定额的整流管,势必会导致导通损耗增加【。为此,全桥三电平谐振变换器中引入筘位二极管和飞跨电容,即利用飞跨电容实现开关管寄生电容的充放电过程的解耦筘位二极管实现了飞跨电容的箝位,从而使开关管避免产生开通关断差异而造成开关管电压应力不均。开关管实现的条件因为开关管的开关时间很短,所以可认为在此时段内保持不变。斩波管实现的条件为了使斩波管和。实现零电压开通,必须有足够的能量使即将开通的斩波管的结电容上的电压从。下降到,同时使即将关断的斩波管的结电容上的电压从零上升到。,即将两个斩波管的结电容的能量进行互换。完成这一过程所需要的能量为:啦丢四超前管实现的条件同样,超前管也是结电容和的能量互换。但是由于超前管在关断或者开启的时候的电流要比斩波管关断开通时的电流要小,因此,超前管比斩波管更难实现。超前管在关断时由三,三对其结电容放电,所以要实现超前管的必须满足:曙三以丢四三五即第二章大功率直流电源拓扑结构的选择与分析亿,如等觚滞后管实现的条件滞后管在关断与开通时的电流同样为‘,所以要实现必须满足:川,圪三厶互,粤兰孚圭孚互。’互即如等从上述分析可知,全桥三电平谐振变换器实现软开关范围与负载无关,只要蛮换器的参数满足卜式,就将存伞负载范闱内实现。本章小结本章首先介绍了各种变换器拓扑和实用范围。然后根据电动汽车充电机等大功率应用的特殊要求,选择了隔离式变换器中的全桥三电平拓扑变换器,并引入谐振网络,实现软开关技术。分析了全桥三电平谐振变换器的控制策略,并详细阐明了主电路在该控制策略下的工作原理。针对全桥三电平谐振电路的特点,阐述了增加的飞跨电容和嵌位二极管的作用,并分析了电路实现软开关技术的控制条件。广东工业大学硕士论文第三章全桥三电平谐振变换器硬件系统设计经过对全桥三电平谐振变换器的理论分析之后,本章将设计一台功率为的全桥三电平谐振变换器,给出变换器主要元器件参数的设计计算与选型。同时,根据变换器的控制策略和数字控制的特点,设计了基于的控制电路,包括芯片的介绍、驱动电路的设计、采样电路的设计、保护电路的设计和辅助供电电源的设计。根据课题要求,本文所设计的全桥三电平谐振变换器的主要技术指标如下:输入直流电压:。~额定输出直流电压:额定输出直流电流::满载效率:。全桥三电平谐振变换器硬件系统的组成本文研究的全桥三电平谐振变换器硬件系统由全桥三电平谐振变换器主电路和控制电路组成,其中控制电路又包括采样电路、控制电路、驱动电路和辅助供电电路。如图所示。图变换器硬件系统的结构框图下面将对全桥三电平谐振变换器主电路和控制电路进行详细设计介绍。全桥三电平谐振变换器主电路的设计全桥三电平谐振变换器的主电路拓扑结构如图所示。主电路设计主要包括开关频率的选择、主变压器的设计、谐振电感的设计、谐振电容的设计、输出滤波电容的设计、功率开关管的选择以及续流二极管和整流二极管的选择等。图主电路拓扑结构谐振网络的设计开关频率的选取全桥三电平谐振变换器在引入了谐振网络之后,改变其变频控制的控制策略,而采用定频的斩波加移相的控制,使的磁性元器件的设计变得简单,并且也避免了限流特性不佳的缺点。开关频率的大小对变换器的大小、特性影响很大【。开关频率越高,功率电路的磁性器件的体积和重量越小,输出滤波器的体积和重量也会减少,输出电压波形失真读减少,系统的动态响应速度快。但是分布电感、分布电容对电路的影响会增大,开关损耗增大,严重。开关频率低则反之,所以需要选择合适的开关频率。此次设计的变换器用的开关频率。。变压器原副边匝比的选取确定变压器匝比时,考虑的因素有两个:第一是原副边匝比应尽可能的大,广东工业大学硕士论文以提高变压器的利用率,减少开关管的电流应力和输出整流二极管的电压应力第二是当工作在最低输入电压。和满载时,能够获得所需要的输出电压。变压器副边采用全桥整流方式,所以变压器正常工作时,副边电压值和原副边变比分别为:、。:一:竺:。其中虼为输出电压,为输出整流二极管上的通态压降。谐振电容的参数变换器稳定工作的时候谐振电容将存储谐振能量,由于谐振能量取决于输出功率,而越小,其电压就越高,所以可以由电压应力限制来确定谐振电容的容值。的最大电压为:‘’‰圪磊万选取电压最大值为,。根据式可得卜一』立一磁‰一实际取个的金属化聚丙烯薄膜电容器并联作为谐振电容。谐振电感的参数当石新时,,在谐振回零时,已经被强迫换向,输出整流二极管的电流同时被强迫关断,此时将会失去,同时给整流二极管造成反向电压尖峰,而且空载特性较差,通常需要加一定的死负载。当石研时,并靠近矗,开关管将不能实现。在这种情况下,励磁电流在开关管关断时已经反向,使得变换器工作在了状态下。另外,由于励磁电流长时间对充电,因此也会承受很高的电压应力。所以变换器的工作频率应低于但需接近谐振频率石,则可设谐振频率和工作频率石的频率比。由此可得谐振频率石:。。夤竺第三章全桥三电平谐振变换器硬件系统设计田此口以根韬谐派频翠利谐派电谷明大、米佣疋阴大、即:‘赤石石赢丽。俐’励磁电感的参数由第二章分析可得输入输出电压与开关频率的关系如下所示:圪轰小手每印由式变换可得:,旦【生:万,五、川一、一、川’即可得励磁电感。主变压器的设计变压器的功率额定的输出功率为尸。设定变压器效率,为,则变压器输入功率为。。贝其视在功率。磁芯的选取本文根据实验室条件和磁芯材料的对比选择铁氧体作为变压器磁芯材料。采用彳法计算来选取变压器的磁芯尺寸。按照磁芯选取公式:×只氏,其中疋为工作频率。凰为窗口使用系数,取。为变压器工作的最大磁通密度,取。为电流密度,取。故选取磁芯,该磁芯的有效截面积。,窗口面积,,裕量充足,完全满足设计要求。变压器原副边匝数的确定对于原边电压波形为双极性对称方波的电路,所以变压器的原边匝数为:广东工业大学硕士论文、’南‰一丽毹而意缘实际取匝,所以变压器副边匝数取匝。变压器的实际匝比肛。原副边绕组的线径与股数由于高频时导线会产生集肤效应,故导线的穿透深度为:因此变压器绕组所选取的铜导线线径应低于。因为且接近于,所以近视认为在内加在三上,线性增加,则可计算得到厶为:。:盟:‰同时通过对变换器的工作状态的分析过程可以得出变压器原边电流峰值,并求得原边电流等效值四’:变压器副边是采用的全桥整流电路,因此副边绕组的最大电流有效值为:‘:丢::一万一万一么则变压器原边绕组所需导线的截面积为:了副边绕组所需导线截面积为:篷等瞄一实际上,选用的丝包线,单根的丝包线中含有根的漆第三章全桥三电乎谐振变换器硬件系统设计包线,而单根的漆包线截面积广,选用的每根丝包线截面积所以绕制变压器原边时需要股,取股丝包线并绕匝。副边同样采用这种丝包线,其需要的股数为股,故取股丝包线绕制匝即可。窗口面积校核由上述设计参数可知,原副边均采用的丝包线进行绕制,原边股并联绕制匝,副边根绕制匝。根据导线参数可计算原副边的绕组面积为:鼠××所以,凰朋,所以设计满足要求。谐振电感的设计前文已经通过计算得出了谐振电感。选择磁芯。本文根据实验室条件和磁芯材料的对比选择铁氧体作为谐振电感磁芯材料。采用法计算来选取电感的磁芯尺寸。按照电感磁芯选取公式:。,肌凡等:筹翊粥其中为磁芯的最大工作磁通密度,取,凰为磁芯的窗口使用系数,取,,为电流密度系数,取。实际上采用型惴。,其有效截面积。,窗口面积,所以,裕量充足。计算气隙和匝数初选气隙,根据计算电感匝数公式可得:,肚、焉、×一实际取匝,可得实际气隙:万:丁型铲最一校验磁芯最高工作磁通密度广东工业大学硕士论文经主电路分析和计算可知,流过谐振电感的电流峰值即为变压器原边电流峰值铲,则:警可矿:经查手册可知所选磁芯的饱和磁通密度为,磁芯将不会饱和,考虑到谐振电感为双向磁化产生的损耗和电感磁芯的体积,认为该设计是可行的。计算绕组的线径和股数谐振电感的电流有效值与变压器原边电流有效值也近似相等,所以其所需要的导线截面积,砩。此处同样选用的丝包线股并联绕制。由丝包线的参数可知,绕组的总面积,,而磁芯的窗:面积,则窗口实际使用系数为,考虑绝缘、屏蔽等,满足设计要求【。输出滤波电容的选取由已知的性能指标可由下式计算得出输出滤波电容的最小值:、。一:订,,式中:么蜘为输出纹波电压值,取输出电压的,厶为流过滤波电容的电流峰峰值,为厶。输出电容除了需要满足纹波要求外,要求在副边与原边脱离时段内,能保持输出电压相对稳定。所以在本变换器中,实际取用个的电解电容串并联。同时考虑输出的高频分量,所以取个的并联。开关管的选择原边八个开关管的电压应力为输入电压的一半,即,电流应力即为变压器原边电流峰值,开关管需集成快恢复二极管,所以选用公司的管,其反向耐压,最大正向导通平均电流局。。。,同时还集成了快恢复二极管,满足设计要求。第三章全桥三电平谐振变换器硬件系统设计

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