数字移相控制隔离型半桥双向DCDC变换器研究Word文件下载.docx
- 文档编号:17372414
- 上传时间:2022-12-01
- 格式:DOCX
- 页数:5
- 大小:21.02KB
数字移相控制隔离型半桥双向DCDC变换器研究Word文件下载.docx
《数字移相控制隔离型半桥双向DCDC变换器研究Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数字移相控制隔离型半桥双向DCDC变换器研究Word文件下载.docx(5页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
合开关函数和等效电路的简化模型建模方法使状态方程的阶数从高价变成低阶简
化了分析与计算过程缩短了仿真时间推导了与简化模型对应的小信号模型提出
了按根轨迹法设计控制器的方法基于电路拓扑的稳态直接分析法和基于小信号的
稳态值分析法完全一致表明所建模型的正确性仿真和实验结果验证了理论分析
对称半桥中当电压变化范围较大电感能量传输两侧电压不匹配时可以用多绕组变
压器来实现电压匹配抑制电流尖峰不对称半桥由对称半桥变换而来结构更简单
所用器件更少隔离型不对称半桥变换器中当能量传输电感两侧电压不匹配时会在
开关管中产生较大的电流尖峰PWM加移相控制方式可以实现该工况下对电流尖
峰的抑制降低开关管的电流应力本文提出了PWM加移相控制方式下结合开关
函数和等效电路的状态平均模型建模方法移相控制隔离型对称/不对称半桥双向变
换器实际运行过程中需要考虑开关器件的电压电流应力启动电流偏磁环流效
率等方面的问题隔离型电流—电压型双向变换器Boost模式下开关管关断时会有
较高的电压尖峰使开关管的电压应力增大本文分析了电压尖峰形成的机理进行
提出用无源或有源箝位方式限制电压尖峰降低开关管的电压应力实验表明Boost
模式下低压侧启动电流很大本文提出改进型斜坡输入电压软启动和带反激电路的
快速软启动两种无损软启动方式以降低启动电流移相控制对称半桥双向变换器中
电容均压对防止偏磁保证电路正常工作是非常必要的本文提出利用压差反馈或磁
集成均压电路来实现分压电容均压和防止偏磁的方案样机中采用磁集成均压电路
实现了对称半桥中分压电容的良好均压效率测量结果表明上述二种拓扑的效率并
不高本文对效率影响因素进行了深入分析指出无功和环流是主要原因I本文采
用基于DSPTMS320C240?
氖挚刂品绞?
提出了基于DSP全比较模式的数字移
相直接生成方法该方法通过编程方式就可以实现移相波形的产生及死区的灵活设
置双向变换器Boost模式时需恒压控制Buck模式时需恒流控制本文根据控制
系统的数学模型设计了合理的数字控制器实现了对两种模式的良好控制而所提出
的合理的切换方式可以保证不同模式之间可靠切换研制了一台额定功率1KW的
样机实验结果表明了上述模型分析设计的正确性关键词隔离型双向变换器对
称半桥不对称半桥模型移相数字控制IIAbstractIsolatedbi-directionalDC/DC
convertersareappliedinmanyfields.Therearelotsoftopologiesaboutthem.InthispaperphasephiftcontrolisolatedsymmetricalhalfbridgeSHBandasymmetricalhalfbridgeAHBvoltagesource-current-sourcetopologiesareonlystudiedbecausethetopologiesarefitformiddleorlowpoweranditscircuitissimple.Asimportantresearchcontenttheoperationmodethemathematicmodelofthetopologiestheoperationcharacteristicandtheschemeofdigitalcontrolarestudiedinthetwotopologies.ForSHBbasedontheequivalentcircuitsandtheswitchingfunctionanovelmodel-constructionmethodispresentedwhichthevaryingfaststatevariableissubstitutedintothevaryingslowsub-systemthenadescendedorderstatespaceaveragemodelSSAMforlargeinertiasub-systemcanbegotten..Thismethodwillmaketheanalysisandcalculationsimpleandthesimulationtimeisshorten.Basedon
thesimplifiedstatespaceaveragemodelasmallsignalmodelSSMofthetopologyisconstructedandthecompensatororcontrollerdesignmethodisproposedaccordingtotheautomationtheory..Forthesolutionofstablestatevaluetherearetwomethod.Oneofthemisdirectanalysismethodbasedonthecircuittopology.Theotherisbasedonthesmallsignalmodel.Thesameresultscanbegottenthroughthetwodifferentmethodandprovethatthemodelisprecise.Thesimulationandexperimentalresultsarepresentedtoverifiedthetheoryanalysis.Inthistopologywhenthevoltagebetweentheenergytransportinductanceisnotmismatchalargecurrentpeakwillappear.Amulti-windingstransformercanbeusedtoavoidthisnegativestate.TheisolatedAHBbi-directionalconverterisvariedfromtheSHBtopologybutitscircuitismoresimple.Forthistopologythereisalargecurrentpeakwhenthevoltagebetweentheenergetransferinductancemismatch.Thelargerthevoltageerroristhelargethecurrentpeakis.Inordertorestrictthepeakcurrentanimprovedphaseshiftcontrolmethodcanbeapplied.Basedonthiscontrolmethodamodelconstructionmethodbasedonstatespaceaverageisproposed.AsaprototypewiththetopologyofphaseshiftcontrolisolatedSHBorAHBsomeIIIactualproblemssuchasthechoiceofswitchingdevicesstartingcurrentcirculatingcurrentandefficiencyandsoon.Thereisahighvoltagepeakwhentheswitchingdeviceisturningoffunderboostmodel.Theprincipleofthehighvoltagepeakisanalyzedandthepassiveoractiveclampcircuitarepresentedtorestrictthevoltagepeak.Experimentalresultsshowsstartingcurrentislargerthanthenormalcurrent.Inordertoreducethestartingcurrentsoft-startshouldbetaken.Animprovedrampinputsoft-startmethodandsoft-startwithflybackconverterarepresented.FortheSHBbi-directionalconverterit’sveryimportantforthetopologytoensurethevoltage
capacitorsharingtheinputvoltageinordertopreventthebias-magneticphenomenon.Avoltageerrorfeedbackcontrolandintegrated-mageticsharingcircuitarepresented.Thelatterisappliedinisolatedsymmetricalhalf-bridgetopologyandthesharingvoltageresultisverygood.Theexperimentalresultsshowtheefficiencyofphase-shiftcontrolbi-directionalconverterisnothigh.Inthispapertheinfluencefactorsofefficiencyareanalyzedandtheresultsshowsreactivepowerandthecirculatingcurrentarethekeyfactors.InthispaperbasedonDSPTMS320C240digitalcontrolmethodisadopted.Adirectdigitalphase-shiftmethodbasedonDSPfullcomparisonispresented.Onlybysoftwareprogramthephase-shiftwaveformcanbegottenandthedead-timecanbeset.Asbi-directionalconvertertherearetwomodel:
BoostmodeandBuckmode.InBoostmodeconstantvoltagecontrolisneededandinBuckmodeconstantcurrentcontrolisneeded.Accordingtothemathematicmodelofcontrolsystemafitcontrollerisdesignedandgoodcontrolfeatureisachieved.Inordertorealizethereliableshiftbetweenthetwomodesareasonableshiftmethodisproposed.Aprototyperationpower1kWismade.Theexperimentalresultshowsthemodelanalysisandthedesigniscorrect.KeywordsIsolatedBDCSHBAHBModelPhase-shiftDigitalcontrolIV1绪论1.1直流变换器
概述电力电子变流电路的基本功能是使交流AC和直流DC电能进行互相转换
基本转换形式共有四种12这四种功率变换形式的示意图如图1.1所示DCDC输
入输出ACAC图1.1四种功率变换形式的示意图其中变换器主要有AC/DC
和DC/DC的两种变换形式1AC/DC变换器又称为整流器用于将交流电变换为
直流电供给直流用电设备各种整流电路都能实现AC/DC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2DC/DC变换器又称为斩波器用于将一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这两类变换器可以是单向的也可以是双向的单向电能变换器将从一端输出入的电能变换后从另一端输出双向电能变换器可以实现电能的双向流动1.1.1直流变换器的分类文献15将直流变换器按输入和输出之间是否有电气隔离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BuckBoostBuck/BoostCukZeta和Sepic变换器等在这六种单管变换器中降压式Buck和升压式Boost1变换器是最基础的另外四种是从中派生出来的文献12610将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的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换器有隔离的变换器可以实现输入和输出间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单管变换器的输出功率最小而全桥变换器的输出功率最大在高输入电压和中大功率场合得到广泛应用按能量传递方式来分直流变换器可分为单向和双向两种单向变换器的电能只能从一个方向流向另一个方向具有双向功能的的变换器可以按需要使电功率从低压的电池侧流向高压母线侧或从高压母线侧流向低压的电池侧文献131213按开关管转换条件将变换器可分成为硬开关和软开关两大类自电力电子开关变换器出现以后PWM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PWM控制方式开关管工作在硬开关状态传统的PWM硬开关技术有下述缺陷1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的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加2开关器件关断时电路中的杂散电感产生很大的di/dt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3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4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2文献12按软开关实现的技术将直流开关电源分为以下几类1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PFM方法2准谐振变换器和多谐振变换器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3零开关PWM变换器它可分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM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PWM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1/101/54零转换PWM变换器它可分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器它的特点是变换器工作在PWM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
DC/DC变换器中BuckBoostBuck/Boost工作这样辅助谐振电路的损耗很小在
Forward和Flyback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半桥或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文献3412178183对移相全桥变换器的工作原理软开关条件实现软开关的方式数学模型控制方法等几个方面进行了深入研究研究表明该拓扑易于实现零压开
现已成为中大功率直流变换器的主要拓扑结构1.1.2通的软开关过程损耗低效率高
直流变换器的性能要求高频开关电源有以下优点功耗小效率高功率密度大工作范围宽滤波器体积小电路拓扑多种多样等但高频开关电源也有一些缺点对高频开关电源而言开关器件工作在高频开关状态它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元件产生电压电流尖峰干扰和振荡干扰所形成的EMI电磁干扰会对其它3电气设备带来不利影响因此工程上必须采取有效措施对EMI进行抑制或屏蔽使之符合强制性行业标准文献1提出对电力电子变换器的基本要求是可靠性高可维修性好体积小重量轻有良好的性价比电气性能好直流开关电源的电气性能包括输入特性输出特性附加功能电磁兼容性和嗓声容限等直流开关电源的输入电源有交流和直流两种交流输入时交流电需经整流滤波环节变换成直流电压后再经直流变换器的二交变换转变为所需的直流电压输入为交流时还须考虑输入电压相数电源额定频率及其变动范围输入功率因数等要求输入为直流时电源电压额定值及其变化范围输入电流额定值及其变化范围输入冲击电流等是必须考虑的因素直流电源的输出参数有额定输出电压电流输出电压调节范围负载电流调节范围和输出电压的纹波动态性能指标等输出电压的稳压精度是直流开关电源的重要性能指标稳压精度包括负载调整率和电网调整率负载调整率是指当负载在0100额定电流范围内变化时输出电压的变化量与输出电压整定值的比值电网调整率是指当电网电压在规定的范围内变化时输出电压的变化量与输出电压整定值的比值动态性能指标有两个方面一个是恢复时间即当突加突减负载时输出电压回到稳态值的时间二是超调值即负载动态变化过程中超调电压值与稳态输出电压的比值开关电源还应有输出过压欠压过载过热等保护功能以便在异常情况下对电源设备进行有效的保护作为附加功能有的电源还要求具有遥控遥测遥信等功能此外开关电源还应有高的电能转换效率低的损耗低的电气噪声良好的电磁兼
容性和绝缘性能等在直流变换器的诸多类型中由于双向变换器所具备的功率可以双向流动等优点应用越来越广泛而双向变换器根据两侧有无隔离变压器可分成非隔离型和隔离型双向变换器1.2非隔离型双向变换器拓扑及工作原理我们所熟悉的DC-DC变换器多数是单向工作的由于通常的单向DC-DC变换器4中的主功率传输通道上一般都有二极管这个环节故能量经变换器流动的方向只能是单方向的而不能反向流动然而对于有些需要能量能双向流动的场合如仍使用单向DC-DC变换器则需要将两个DC-DC变换器反并联单向DC-DC变换器I被用来使能量从V1流向V2而单向DC-DC变换器II被用来使能量从V2流向V1这种双向独立式DC-DC变换器有两个独立的变换器会使电路结构比较复杂实际上完全可以通过合理的拓扑结构适时适式的控制把两个独立的变换器的功能由一个一体化的变换器来完成文献67提出使用双向DC-DC变换器来实现功率的双向流动BoostI1lt0I2gt0I1I2V1单向DC-DC变换器V2--a单向DC-DC变换器功能框图BoostI1lt0I2gt0I1I2V1单向DC-DC变换器IV2--.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数字 控制 隔离 型半桥 双向 DCDC 变换器 研究