低电压应力型单管谐振高频功率变换器研究

发布时间：2020-04-05 04:46

【摘要】：在电力电子技术领域,大幅提升功率变换器的开关频率以减小其尺寸与重量成为工业电子和消费电子等产业的追求目标。当开关频率提高到高频(HF,3MHz~30MHz)乃至超高频(VHF,30MHz~300MHz)范围时,无源元件的体积大大降低,有效促进了系统的小型化、轻量化和高功率密度的实现。开关电源的高频化技术优势明显、发展潜力巨大且市场前景光明,逐渐成为学术界的研究热点。在此背景下,本课题开展了对20MHz高频DC/DC系统的研究。本文提出了理论推导与数值解析相结合的参数设计方法,优化了Class E和ClassΦ_2逆变器的设计流程,保证了开关管在任意占空比下均能实现零电压导通(ZVS)特性,提高了逆变器的设计速度与精度。同时本文完成了对Class E谐振整流器的建模分析,获得了二极管电压应力和整流器基波等效阻抗的特性,为整流器参数设计提供了指导。基于此,本文搭建了基于Class E和ClassΦ_2逆变的非隔离型高频系统,测试结果证明了上述设计方法的合理性。为进一步降低开关管电压应力,提高系统输入电压等级和运行安全性,本文提出了一种具有低电压应力特性的隔离型高频拓扑。首先对开关阻抗相角进行约束使其呈微感性,从而保证了开关管的ZVS特性;然后对开关阻抗幅值进行约束,实现了对电路中电压谐波特性的调整,使得开关管电压应力从传统的输入电压的4倍下降至2.5倍。该拓扑能够有效地降低开关管电压应力和系统体积同时提高系统工作效率。相比于分立式磁性元件,平面PCB结构品质因数更高,应用于高频系统的损耗更小。本文提出了一种寄生电阻最小化的、具有变绕组宽度结构的PCB磁性元件,采用理论分析和有限元仿真相结合的手段,完成了对其电气特性的研究,实现了对元件电气参数的精确快速计算,所提结构能够有效提升系统性能。本文采用了改进型谐振驱动电路方案,通过支路间的谐振续流减小驱动的输入电流,有效降低了系统的驱动损耗。并采用ON-OFF控制策略实现对系统的闭环控制,保证了系统在宽负载变化范围内的高工作效率。本课题设计并搭建了一款输入12V、额定输出5V/5W,工作频率20MHz的隔离低电压应力型高频DC/DC实验样机,测试结果与预期指标吻合,系统在50%~100%的负载率下,工作效率始终高于77%且满载效率为79.4%。
【图文】：

图1-11两种Coilcraft生产的空芯螺线管电感

常用的平面螺旋电感结构
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46

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本文编号：2614563