自适应零电流软开关全桥变换器的研究

发布时间：2017-05-24 02:05

  本文关键词：自适应零电流软开关全桥变换器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高频化是当前开关电源技术的重要发展方向之一,是小型化和模块化的基础。传统硬开关变换器的开关损耗与开关频率成正比,开关频率越高,开关损耗越大,变换器的转换效率越低。为了使开关电源能够在高频下高效地运行,软开关技术受到了广泛的关注。国内外已研究开发的高频软开关技术大多数在软开关过程中谐振电流不能跟随负载电流变化,更没有一种适用的谐振电流能自动跟随负载电流变化的软开关技术。本文提出了一种自适应零电流(Current Adaptive Resonant Loop,CARL)软开关全桥变换器,不仅实现了开关管的零电流开通和关断,而且谐振电流幅值自动跟随负载电流变化,降低了开关损耗,提高了转换效率。首先,根据硬开关变换器在高频工作时的缺点引出了软开关技术。考虑到Buck ZCS PWM变换器的软开关拓扑的谐振电流幅值不能改变且软开关和硬开关模式无法自由切换,提出了CARL软开关谐振单元。将CARL软开关谐振单元加入全桥变换器,得到一种新型的软开关拓扑,根据这个拓扑存在的问题进行改进,最终确定了CARL软开关全桥变换器的电路结构。然后,研究了它的工作原理,分析了该变换器实现零电流关断的条件。最后,对其轻载特性、辅助开关管和整流二极管的电压振荡以及损耗进行了探讨,提出了谐振参数的设计原则。CARL软开关全桥变换器不仅可以实现主开关管和辅助开关管的零电流开通和关断,而且谐振电流幅值会自动跟随负载电流变化,减小了谐振时额外增加的通态损耗,保证了变换器在宽负载范围内都有很高的转换效率。论文给出了一台3kW实验样机的设计步骤,分析了主电路、控制电路及高频变压器等的设计过程。然后搭建PSIM仿真模型,分析了变换器在宽负载范围内的开关特性、谐振电流幅值与负载电流的关系以及RC缓冲电路对辅助开关管和整流二极管电压振荡的抑制,仿真结果证明了理论分析的正确性。最后给出了变换器由满载到轻载的运行过程中主开关管的电压和电流、谐振电流和谐振电容电压的实验波形及转换效率。实验结果表明开关管在宽负载范围内实现了零电流开通和关断,谐振电流幅值随着负载电流的减小而减小,提高了变换器的效率,特别是轻载时的效率。
【关键词】：全桥变换器 软开关 电流自适应 零电流开关
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-21
• 1.1 课题的背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-19
• 1.3 本文主要研究内容19-21
• 2 CARL软开关全桥变换器的工作原理21-45
• 2.1 CARL软开关谐振单元21-24
• 2.2 CARL软开关全桥变换器的原理分析24-35
• 2.2.1 前期电路存在的问题24-28
• 2.2.2 CARL软开关全桥变换器的工作过程28-35
• 2.3 CARL软开关全桥变换器电路的分析35-42
• 2.3.1 轻载特性分析36-37
• 2.3.2 辅助开关管震荡分析37-39
• 2.3.3 副边整流二极管震荡分析39-41
• 2.3.4 损耗分析41-42
• 2.4 谐振回路参数设计42-44
• 2.4.1 谐振电感和谐振电容的设计42-43
• 2.4.2 辅助开关管的导通时间设计43-44
• 2.5 本章小结44-45
• 3 3kW CARL软开关全桥变换器设计45-55
• 3.1 驱动电路45-47
• 3.1.1 IGBT驱动电路的设计要求45-46
• 3.1.2 IGBT驱动电路46-47
• 3.2 参数选择47-54
• 3.2.1 高频变压器47-49
• 3.2.2 谐振电感与谐振电容49-50
• 3.2.3 输出滤波电感50-52
• 3.2.4 输出滤波电容52
• 3.2.5 主功率开关管的选择52-53
• 3.2.6 辅助开关管的选择53
• 3.2.7 输出整流二极管的选择53-54
• 3.3 本章小结54-55
• 4 基于PSIM软件的仿真分析55-63
• 4.1 仿真波形与分析55-61
• 4.1.1 额定负载下的仿真分析56-57
• 4.1.2 60%负载下的仿真分析57
• 4.1.3 轻载下的仿真分析57-58
• 4.1.4 辅助开关管电压振荡的仿真分析58-60
• 4.1.5 副边二极管电压振荡的仿真分析60-61
• 4.2 本章小结61-63
• 5 实验结果与分析63-73
• 5.1 实验内容与目的63-64
• 5.2 实验波形分析64-71
• 5.2.1 开关管驱动脉冲波形64-65
• 5.2.2 满载的实验波形65-67
• 5.2.3 60%负载的实验波形67-68
• 5.2.4 30%负载的实验波形68-69
• 5.2.5 变换器的效率分析69-71
• 5.3 本章小结71-73
• 6 结论73-75
• 6.1 工作总结73-74
• 6.2 下一步工作74-75
• 参考文献75-79
• 作者简历79-83
• 学位论文数据集83

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