具有ZVS的DCDC升压变换器分析与设计毕业设计论文文档格式.docx
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摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题来源及研究的目的和意义1
1.2双管正激变换器国内外研究现状3
1.3主要研究内容与方案5
1.3.1改进型交错并联双管正激升压变换器主拓扑结构的确定5
1.3.2具有ZVS升压变换器主电路PSpice仿真验证6
1.3.3具有ZVS升压变换器总体结构设计6
1.3.4制作实验样机并完成相关功能验证7
第2章具有ZVS升压变换器工作原理8
2.1主拓扑结构的确定8
2.2工作模态分析9
2.3本章小结22
第3章具有ZVS升压变换器硬件电路的设计23
3.1实验样机整体系统设计23
3.2辅助电路的设计23
3.2.1驱动电路的设计23
3.2.2保护电路的设计24
3.2.3保护执行回路设计25
3.3主电路的设计26
3.3.1高频变压器的设计26
3.3.2功率开关管及二极管的选择28
3.3.3其它元件的选取29
3.4控制电路设计29
3.5闭环控制设计29
3.6本章小结30
第4章软件仿真与参数校正32
4.1驱动信号模拟32
4.2主电路参数选定32
4.2.1变压器变比设定32
4.2.2功率开关管及二极管参数设定32
4.3主电路仿真32
4.3.1额定负载下的仿真波形33
4.3.2ZVS的在变换器中的实现38
4.4本章小结39
第5章硬件制作与调试40
5.1实验样机的搭建40
5.2实验波形分析41
5.3软开关的实现42
5.4变换器性能指标测试42
5.4.1电压调整率测试42
5.4.2输出电压纹波测试42
5.4.3负载调整率测试43
5.4.4效率测试43
5.5本章小结44
结论45
参考文献47
致谢49
第1章绪论
1.1课题来源及研究的目的和意义
随着人类社会中煤、石油、天然气等主要能源的急剧消耗,人们越来越重视太阳能、风能等绿色能源的开发和利用。
20世纪90年代,这些绿色可再生能源就已经在世界能源电力市场初露头角了。
作为一种新能源技术,太阳能光伏发电扮演着绿色可再生能源中举足轻重的角色,很有发展前景。
由于它不用铺设复杂的电力网络,也无需特定的地理条件,因而被公认是目前世界上最有前途的新能源技术之一,尤其在偏远地区、沿海岛屿等地域更能大显神威。
对贫困或者资源匮乏地区的经济发展、环境保护和社会和谐有十分重要的作用[1]。
按照与电力系统的关系,光伏(太阳能)发电系统分为两种:
并网式光伏(太阳能)发电系统和独立式光伏(太阳能)发电系统。
对于并网式光伏发电系统,根据系统结构的不同又可以分为两类:
单级式、两级式。
前者没有DC-DC环节,直接通过工频变压器与电网的连接实现逆变并网;
而两级式光伏发电系统则由直流-直流升压环节和直流-交流逆变环节构成。
并网逆变器需要200V~700V的直流输入电压,而普通的光伏单体电池的电压等级较低。
为了得到较高的输入电压,不得不把单级式并网发电系统中的多个单体电池串联,但是这样做的缺点显而易见,一旦某单元的电池失效,就会导致整个电池组瘫痪,并且由于环境、气候等因素,输入电压的波动也会影响单级式并网逆变器的性能。
单级式的发电结构还存在其他局限:
无法实现输入输出间的隔离,无法获得较高的输入输出间的电压比和电流比,只能单路输出。
上述单级结构的缺陷严重限制了光伏发电系统的发展。
然而,高频化的电力电子技术正在飞速前进,升压DC-DC变换器也随之不断完善,因此两级式光伏发电系统在众多学者的关注下成为了新的研究热点[2-4]。
图1-1 两级式光伏发电系统示意图
在图1-1所示的两级式光伏发电系统中,第一级直流升压变换器的性能将直接影响后一级逆变器的并网质量,因此能否实现DC-DC升压环节的高指标、高性能要求(如低纹波、低开关损耗、高效率与高功率密度等),将决定着光伏发电技术的命运。
众所周知,最常见的升压DC-DC变换器为传统的Boost变换器,它因操作便捷、拓扑简单等优点,使其在升压场合中大显身手。
但在两级式光伏发电系统中,光伏电池阵列连接后的输出电压仍较低,需要加入一个高升压比的DC-DC环节才能满足后级逆变器的要求。
对于传统Boost变换器而言,为了提高升压比,必须增加开关管工作的占空比,使其尽量接近于1。
但是在占空比接近1时,系统的效率很低,并且受制于实际的开关器件,进一步提升变换器的开关频率将会越来越困难。
同时,在占空比不断增加的过程中,升压比不增反降的现象将直接影响后级逆变并网的质量。
另外,从能量守恒的角度来看,如果升压变换器的输出功率增大,必然会导致输入电流的增大,如果此时仍采用传统的单回路Boost变换器实现升压,则会导致太阳能电池板的电流纹波很大,这将直接使光伏电池的使用寿命大大缩短[5-8]。
同时,传统的Boost变换器不能有效实现前后级的电气隔离,这极可能给光伏发电系统引入潜在的危害。
(a)反激变换器(b)正激变换器
图1-2常见升降压变换器基本拓扑
正激变换器与反激变换器是除了传统Boost变换器以外最常见的两种升压变换器。
对于图1-2(a)所示的反激变换器,从输出端来看可等效成电流源,在每次功率管开通时向输出端传送一次能量,这就严格要求输出端不能开路。
在两级式光伏(太阳能)发电系统中,其直流升压变换器输出端与后级逆变器相连,一旦功率管出现同时关断(如死区、功率管损坏、保护动作等导致),则等效于反激变换器输出断路,会产生输出直流电压尖峰,很可能使某些元件甚至整个系统损坏。
而图1-2(b)所示的正激变换器,由于其电路结构简单,在中小功率场合应用广泛。
但是,从正激变换器的拓扑结构以及工作模式得知,其变压器一次侧的电流只能单向流动,一旦开关管关断时变压器剩余的能量不能得到有效释放,变压器便会出现剩磁,这对变压器的利用率以及效率有着消极的影响。
因此在传统正激变换器结构的基础上必须采用一定的磁复位手段,来辅助变压器完全磁复位。
多数磁复位方法都有以下不足:
变换器铁心单向磁化,效率低、利用率低,主功率管承受两倍的直流母线电压等,只有有源箝位等少数几种磁复位方式可以解决上述问题[9]。
针对传统Boost变换器、反激变换器、正激变换器的优缺点,本次课题研究决定基于正激变换器,对传统正激变换器拓扑结构进行改善,一方面避免传统Boost变换器及反激变换器中存在的缺陷,另一方面使得改善后的升压拓扑结构保留基本正激变换器既存的优势,同时解决传统正激变换器中存在的典型不足。
最终,改进新型正激升压变换器的控制方法,并设计无源缓冲网络实现该变换器的ZVS软开关技术、降低变换器开关损耗[10]。
本次课题研究期望设计一种适用于两级式光伏发电系统直流升压环节的变换器,使其具有低主开关管电压应力、高升压变比、低输入电流纹波系数、低输出电压纹波系数的优势,同时,该变换器还拥有高工作效率、高功率密度、高功率等级等优点。
这些优点必将为两级式光伏发电系统提供了可靠的直流电压变换,为第二级逆变环节输出高标准的直流电压,从而提高了光伏发电系统的整体性能指标并推动光伏发电新能源技术的发展。
1.2双管正激变换器国内外研究现状
由于传统正激变换器的拓扑结构简洁、可靠的输入输出隔离、易于输出的多路化、对输入电压波动适应性强等优点,使其广泛应用在中小功率场合。
但是,它有一个典型缺陷:
必须采用附加的复位网络来实现变压器铁芯的磁复位,采用RCD或LCD缓冲等无源箝位技术可以实现此目的[11],但是RCD的能量耗损,LCD的复杂都限制了其进一步的发展。
为了解决无源箝位技术存在的问题,在国内外学者的共同努力下,提出了如图1-3所示的传统双管正激变换器。
从图中可以看出,双管正激变换器的拓扑简单,并且缓冲网络无能量损耗,同时每个开关管的电压应力从两倍输入电压降为单倍输入电压,解决了单管正激变换器开关管高电压应力的缺点。
虽然双管正激变换器拥有众多的优点,但是在实际的科研实验过程中,学者们发现双管正激变换器依然存在许多待解决的典型缺陷:
输出电压电流纹波较大;
变压器原副边存在电压过冲与震荡;
大电流输入时变换器效率较低。
图1-3传统双管正激变换器
针对输出电压电流纹波较大的问题,国外的学者们早在1997年之前就提出了如图1-4所示的“交错并联”结构,而以严仰光教授为代表的国内学者们则是从2002年左右才开始分析并运用交错并联的思想。
这种交错并联结构采取两路完全相同的传统双管正激变换器并联于直流输入侧,仿真和实验结果都表明这种拓扑有下述优势:
输入电流脉动频率翻倍,利于输入滤波器的微型设计;
输出滤波电感上的电压脉动频率翻倍,利于输出滤波电感的微型设计;
输出电压经整流后的等效占空比翻倍,利于驱动电路的设计,增加了变换器的响应速度[12]。
图1-4交错并联双管正激变换器
为了实现更高效率的交错并联双管正激,1997年美国学者Kutkut最早提出将ZVS软开关技术融入到不含LCD缓冲网络的交错并联双管正激拓扑中,但是研究表明该拓扑结构并不容易实现ZVS,且存在较大的环流,严重影响了变换器的效率。
2003年我国南京航空航天大学的严仰光教授带领团队提出一种新型双路双管正激变换器,两路共用一个高频变压器,共用变压器原边的箝位二极管,但是该变换器输出不含滤波电感,不能实现输出稳压,这样就不利于光伏发电后级逆变环节的优化设计。
在2005年,严仰光教授带领的课题组对自身原有的拓扑结构进行改造并且改善控制策略,一定程度上实现了不含LCD缓冲网络的交错并联双管正激变换器的ZVS开通,这也推动了交错并联双管正激变换器的进一步发展。
韩国的学者Hyoung-SukKim等在2010年提出一种改进型拓扑结构,并且采用移相控制的方法实现了较为理想的ZVS,从而大大的降低了变换器中的开关损耗[13],这也为广大国内外学者提供了新的思路,其拓扑结构如图1-5所示。
图1-5一种新型ZVS交错并联正激变换器
2012年,印度学者K.Mahadevan等回归到传统双管正激变换器,对双管正激变换器的电磁噪声进行深入分析,发现了变换器中各处存在的寄生电容可能会严重影响变换器的性能,尤其会削弱传统双管正激变换器中低电磁噪声这个优势。
K.Mahadevan带领的研究组通过将变压器副边改进为多路对称绕组,并通过特定的手段控制电路中存在的寄生电容的方法,最终有效地降低了寄生电容对双管正变换器电磁噪声的影响[14]。
这一创新型拓扑必将为交错并联双管正激变换器的电磁噪声分析提供有效帮助,也为解决正激变换器中的电磁噪声提供了新的思路,从而推动交错并联双管正激升压变换器的不断完善与改进。
总之,不论是从国外还是国内的研究现状来看,交错并联双管正激变换器的领域里面还是活跃着许多国内外著名学者,这些学者都在不断地努力实现双管正激变换器的完善或创新,使其达到更高的性能标准从而实现其在光伏两级式发电系统以及其他应用领域(如航空电源、装甲车特种电源)中更高的可靠性。
1.3主要研究内容与方案
1.3.1改进型交错并联双管正激升压变换器主拓扑结构的确定
由于传统正激升压变换器的存在如下典型缺点:
(1)输出电压电流纹波较大;
(2)变压器原、副边存在电压过冲与震荡;
(3)大电流输入时变换器效率较低。
从解决传统正激升压变换器中存在的典型缺陷入手改进其拓扑结构,最终确定具有ZVS的升压变换器。
1.3.2具有ZVS升压变换器主电路PSpice仿真验证
众所周知,由于PSpice仿真软件在收敛性、准确性和快速性上有着优良的表现,使其成为模拟电路仿真时最常用的仿真软件。
因此,本次课题研究决定采用PSpice对文中提出的改进型升压DC-DC变换器主电路拓扑进行仿真,观测重要波形,并与理论分析波形和实验样机波形进行对比分析,初步验证该拓扑理论分析的正确性,并根据仿真结果对所选参数进行校正。
1.3.3具有ZVS升压变换器总体结构设计
(1)本次课题研究设计的变换器实验样机初步决定采用数字控制方式,控制核心采用美国德州仪器公司(TI)生产的定点DSP芯片TMS320F2812为控制芯片。
由于DSP的驱动信号为3V输出的PWM信号,并且带载能力很弱,因此必须设计独立的驱动电路,以DSP输出信号作为输入信号,并且输出-5V~15V的驱动信号。
(2)由于本次设计的变换器是升压变换器,当电路需要达到一定的功率等级时,输入电路必然会很大,这就会给电路中的元器件带来潜在的危害,因此为了保证变换器的安全可靠性,输入过流保护电路的设计是非常必要的。
(3)升压变换器对直流电压输出有着最直观的要求,同时因为本次课题研究基于两级式光伏发电系统,第一级DC-DC变换器的输出要作为第二级DC-AC逆变并网电路的输入,因此一旦直流环节输出过压,将对逆变环节造成严重的影响,并在最终给整个发电系统带来难以预计的损坏。
因此,直流升压环节亦应该拥有输出过压保护电路。
(4)一旦输入过流保护与输出过压保护检测电流设计完成,保护电路执行环节的设计就应该紧随其后的开始了。
初步决定采用软硬件的双重保护电路:
保护信号给DSP芯片,当DSP芯片接到电路电压电流异常信号时输出控制动作,一方面封锁所有PWM驱动信号,另一方面控制断开串接在直流母线上的电磁继电器常闭触点,从而实现软硬件双重保护。
(5)ZVS软开关技术可以降低甚至消除开关管的开关损耗,从而实现DC-DC变换器的高效率要求。
查阅文献可知,对于交错并联双管正激变换器而言,实现ZVS最常用的方法是对开关管的PWM驱动信号进行改进,采用特殊的控制方法并利用拓扑结构的特殊性来完成每个开关管的ZVS开通与关断。
国内目前使用最多的两种驱动方法均基于传统移相控制法,一种是在变压器二次侧增加谐振电感后使用传统移相控制,而另一种则是对移相控制稍作改变,即令同一组开关管同时关断但不同时开通。
虽然前者操作简单并且不用改变控制策略,但是实验表明,变换器副边谐振电感会使得变换器存在占空比丢失,并且这种现象随谐振电感和负载的增大而愈发明显[15]。
因此,本次课题研究将以同时关断但不同时开通的移相控制法为基础,通过对国内外文献的查阅,将其改进来满足两级式光伏发电系统的特殊要求。
1.3.4制作实验样机并完成相关功能验证
根据主电路、控制电路、检测电路和保护电路等的配置方案,在仿真验证无误的前提下,开始进行变换器原理样机的搭建。
初步设定实验样机的技术指标如下:
直流输入电压:
12V(10V-14V);
额定输出电压:
48V;
额定输出电流:
5A;
电压调整率:
<
1%;
电流调整率:
纹波系数:
1%;
开关频率:
50kHz;
变换器效率:
>
85%。
完成样机制作之后,开始对实验样机进行调试,观察关键元器件上的电压电流波形,并将其与理论波形对比,验证理论分析的正确性。
最终,测试并完善样机系统的性能指标,完成课题研究。
第2章具有ZVS升压变换器工作原理
2.1主拓扑结构的确定
(1)针对输出电压电流纹波较大这一缺陷,采用双路双管正激变换器交错并联的拓扑结构予以解决,这种拓扑结构已经发展成熟,并广泛应用于中等功率场合。
同时,为了充分利用变压器铁芯,提高变压器磁芯的利用率,决定令两路变换器共用一个高频变压器。
另外,为了降低变压器的制作难度,舍弃变压器副边中心抽头,并将变压器副边改造为全桥整流的拓扑结构。
同时,为了抑制DC-DC变换器输出整流桥的寄生震荡,经查阅相关文献资料,对变压器二次侧每个二极管加入RC缓冲电路。
再次改造后的变换器拓扑结构如图2-1所示:
图2-1交错并联双管正激变换器
(2)对于变压器原边的电压过冲,尤其是开关管在关断瞬间由于变压器漏感所产生的尖峰电压,采用LCD无损缓冲电路来抑制[16-19]。
融入了LCD缓冲电路的双管正激交错并联升压变换器可以抑制的拓扑结构如图2-2所示:
图2-2采用LCD缓冲电路的改进型交错并联双管正激变换器
(3)对于普通的硬开关,开通和关断的过程中会出现电压电流均不为零的重叠现象,因此会产生明显的开关损耗,而且电压和电流变化的速度很快,波形会出现明显的过冲,还会产生严重的开关噪声。
随着人们对于变换器高效率与高功率密度的追求,零电压软开关技术的引入就是为了解决上述问题而引出的。
通常情况下,零电压(ZVS)工作原理为,在开关过程中引入谐振,使开关在导通前电压先降为零,从而消除电流电压的重叠现象,同时,谐振过程也限制了开关过程中电压和电流的变化率,使得开关损耗和开关噪声得到明显的减小,甚至消除[20]。
近年来随着国内外学者们的不断努力,双管正激变换器不易实现ZVS的问题正在逐渐被解决。
通过查阅文献得知,对于交错并联双管正激变换器而言,电路中的ZVS通常是通过采用移相控制技术并利用开关管的结电容和变压器漏感的谐振实现开关管的零电压开关的。
同时,变压器原边的LCD缓冲网络除了解决一次侧电压过冲这个问题外,还能够辅助储能从而促进这种变换器ZVS的实现,可谓一举两得[21]。
最终确定的ZVS升压变换器如图2-3所示:
图2-3采用LCD缓冲电路的改进型ZVS升压DC-DC变换器
2.2工作模态分析
(1)电路中只用了LCD缓冲网络来实现软开关,而我们期望利用开关管的结电容和变压器漏感的谐振实现开关管的零电压开关,因此我们必须选择结电容较大的开关管,这也是本次课题研究中功率管使用P.MOSFET的原因。
最后,通过深入地原理分析与仿真验证,提出一种全新的移相控制策略[20]来驱动该改进型升压变换器,从而实现该变换器的软开关过程。
图2-4移相控制策略
如图2-4所示,其中θ为移相角,调节移相角是调节输出电压的一种途径。
Q1和Q3互补导通,Q2和Q4互补导通,Q1和Q3相对Q2和Q4移相工作,滞后Q2和Q4一定的相位,因此定义Q2和Q4为超前管,Q1和Q3为滞后管。
该控制方法为每个开关管软开通和软关断过程争取了足够的时间。
最终,结合上述移相控制后,本次课题研究确定的采用LCD缓冲电路的ZVS交错并联双管正激升压变换器即为图2-3所示的拓扑结构。
(2)采用LCD缓冲电路的ZVS交错并联双管正激升压变换器工作模态分析:
为了简化工作模态分析,在分析采用LCD缓冲电路的ZVS改进型交错并联双管正激升压DC-DC变换器的工作原理及工作模态之前,做如下假设:
1)所有开关管、二极管、电感、电容和变压器均为理想元器件;
2)电容值Cds1=Cds2=Cds3=Cds4=Cds,Cr1=Cr2=Cr,电感值Lr1=Lr2=Lr,L1=L2,漏感值Llk1=Llk2=Llk;
3)输出滤波电感足够大,可理想认为输出为一个恒流源Io;
4)输出滤波电容足够大,当功率管工作占空比稳定不变,电路中任何元器件参数不发生变化时可理
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