谐振软开关Buck变换器的设计及控制方法的研究

发布时间：2017-08-30 06:23

  本文关键词：谐振软开关Buck变换器的设计及控制方法的研究

  更多相关文章： 软开关 变换器 模糊 Buck PID

【摘要】：随着电力电子技术高频化的发展,使得功率变换器的重量更轻,体积更小,同时产品的性能价格比也提高了。采用传统的硬开关技术,开关损耗会随着开关频率的提高而成正比地增加,令开关的高频化发展受到限制。针对传统硬开关损耗大、效率低的弱点,软开关技术应运而生,它利用以谐振为主的换流手段,有效地降低了开关噪声和开关损耗问题。随着嵌入式的出现以及数字信号处理技术的日益成熟、完善,微处理器、微控制器和数字信号处理器的性价比不断提高,数字控制在功率变换器中得到广泛应用。相对于模拟控制,数字控制有许多优点。数字控制可以实现复杂的控制策略,具有更高的稳定性、可靠性和灵活性,并易于实现电源的智能化,同时也可以缩短新产品的开发周期。本文研究的谐振软开关Buck变换器,以STM32F407VGT6为核心控制器件设计了系统硬件电路,以模糊PID控制策略进行控制,并通过软件编程最终进行了实现。试验结果表明这种控制策略具有很好的控制性能,算法实现比较简单,同时控制模块设计简单,可靠性高。本文研究的重点内容及取得的成果主要体现在以下几个方面：(1)对开关电源的基本工作原理及Buck拓扑结构工作原理进行了详细的分析；同时对DC-DC变换器的控制策略进行了研究,在此基础上对谐振软开关变换器的稳压控制进行探索。(2)研究了谐振软开关Buck变换器的控制策略,重点研究了模糊控制理论与PID算法相结合的复合控制方法。首先介绍了常规PID控制理论及模拟PID、数字PID控制系统,并给出了PID参数整定过程及规律。常规的PID控制器的参数无法适应参数变化、干扰众多的控制系统,显然难以获得满意的控制效果。甚至当参数变化范围太大时,系统性能会明显变差。因此,结合常规PID控制,研究了一种模糊控制和PID相结合的复合控制算法,能够实现较好的效果；还将本文研究的控制算法与常规PID控制方法进行了仿真对比。通过仿真,验证了这种策略的可行性,提升了系统动态和稳态性能。(3)给出了谐振软开关Buck变换器的硬件设计过程,同时给出各模块硬件电路原理图及关键模块参数的计算公式。(4)开发完成了谐振软开关Buck变换器的软件设计,深入阐述了互补对称的两路PWM控制信号、模糊PID稳压控制及输出采样的软件实现过程。(5)对谐振软开关Buck变换器的性能指标进行了上电测试。通过对研制的样机电源在不同负载、输入电压突变两种情形下的示波器测试波形分析,验证了本文所设计变换器的可靠性及稳定性。
【关键词】：软开关 变换器 模糊 Buck PID
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 选题的背景与意义9-10
• 1.1.1 选题的背景9
• 1.1.2 选题的意义9-10
• 1.2 软开关及数字化控制的国内外现状及发展趋势分析10-13
• 1.2.1 硬开关技术10
• 1.2.2 软开关技术的提出与发展10-12
• 1.2.3 数字化控制的研究现状12-13
• 1.2.4 STM32微控制器的发展13
• 1.3 课题研究的主要内容13-15
• 第2章 谐振软开关Buck变换器及数字化控制的基本概况15-21
• 2.1 Buck电路基本原理15-16
• 2.1.1 基本的Buck变换器15
• 2.1.2 拓扑结构与工作原理15-16
• 2.1.3 Buck变换器的特征16
• 2.2 谐振软开关Buck变换器工作原理16-18
• 2.2.1 基本谐振软开关Buck变换器的拓扑结构16-17
• 2.2.2 本文研究谐振软开关Buck变换器的工作原理17-18
• 2.3 谐振软开关变换器的控制方法18
• 2.4 DC-DC变换器数字控制的主要因素18-20
• 2.4.1 A/D转换分辨率18-19
• 2.4.2 PWM延迟19-20
• 2.4.3 合适的算法20
• 2.4.4 采样精度20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 模糊PID控制策略及建模仿真研究21-33
• 3.1 常规PID算法与模糊PID算法21-27
• 3.1.1 常规PID控制理论及控制系统21-24
• 3.1.2 模糊控制理论在PID控制中的应用24-25
• 3.1.3 模糊PID控制器的设计25-27
• 3.2 本文所研究变换器及控制系统建模与仿真研究27-32
• 3.2.1 基于Matlab/Simulink的数字化电源系统模型建立27-30
• 3.2.2 模型仿真结果分析30-32
• 3.3 本章小结32-33
• 第4章 谐振软开关Buck变换器硬件电路设计33-40
• 4.1 硬件电路总体设计原理33
• 4.2 功率主电路设计33-36
• 4.2.1 MOS管的选取33-34
• 4.2.2 功率二极管的选取34
• 4.2.3 谐振电感的设计34
• 4.2.4 谐振电容的设计34
• 4.2.5 谐振软开关Buck电路设计34-36
• 4.3 控制电路设计36-39
• 4.3.1 控制电路主控芯片STM32F407VGT6功能简介36-37
• 4.3.2 输出电压、电流采样电路设计37
• 4.3.3 MOSFET驱动电路设计37-38
• 4.3.4 过压、过流保护电路设计38-39
• 4.4 辅助电源电路设计39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 谐振软开关Buck变换器软件设计40-48
• 5.1 STM32嵌入式软件开发环境及功能介绍40-41
• 5.2 软件总体框架设计41-43
• 5.3 电压、电流A/D采样及均值滤波模块程序设计43
• 5.4 模糊PID稳压控制模块程序设计43-46
• 5.5 PWM信号产生模块程序设计46-47
• 5.6 本章小结47-48
• 第6章 样机调试及测试结果分析48-53
• 6.1 主电路调试48-50
• 6.1.1 不同负载情形下输出电压信号调试及分析48-49
• 6.1.2 输入电压突变情形下输出电压的波形分析49
• 6.1.3 输出电压纹波分析49-50
• 6.2 MOS开关管PWM驱动波形调试及测试分析50-51
• 6.2.1 基于Keil软件的MOS开关管PWM驱动波形仿真分析50-51
• 6.2.2 MOS开关管PWM驱动波形的示波器测试分析51
• 6.3 测试结果分析51
• 6.4 本章小结51-53
• 第7章 总结与展望53-54
• 7.1 总结53
• 7.2 展望53-54
• 参考文献54-57
• 攻读学位期间取得的研究成果57-58
• 致谢58-59

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 胡学芝;;软开关技术综述[J];电工技术;2002年05期

2 李晗;顾亦磊;吕征宇;;软开关同步升降压变换器的研究[J];电源技术应用;2005年09期

3 毛赛君;王慧贞;;双正激变换器软开关拓扑的分析与评价[J];电源世界;2005年07期

4 李海林;王少坤;侯振义;;新型单周控制软开关Boost-PFC变换器研究[J];电力电子技术;2008年08期

5 田丰,朱志明;面向焊接的软开关有源功率因数校正仿真研究[J];电焊机;2002年04期

6 宋新源;;3kW高频软开关直直变换器的研制[J];电气传动自动化;2006年05期

7 童永胜;一种软开关航空静止交流器的分析与实现[J];电力电子技术;1996年04期

8 张波;高频软开关技术及其应用[J];新技术新工艺;1999年02期

9 黄宇清;谢运祥;周炼;;软开关技术发展现状述评[J];电气自动化;2001年01期

10 何西凤,黄念慈;新型软开关BoostZCT-PWM变换器[J];现代电子技术;2004年23期

中国重要会议论文全文数据库 前8条

1 杨铭泽;陈锦云;;软开关技术综述[A];中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集[C];2002年

2 王京梅;兰中文;余忠;王豪才;;全桥结构中的无源、无损耗软开关技术[A];中国仪器仪表学会第五届青年学术会议论文集[C];2003年

3 张勇;马铁军;陈刚;杨思乾;刘金合;;拓扑参数对点焊逆变电源软开关的影响[A];陕西省焊接学术会议论文集[C];2006年

4 赵智江;段红海;李力;武佩轩;;大容量谐振软开关弧焊逆变电源的设计[A];第六届21世纪中国焊接技术研讨会暨第四届计算机在焊接中的应用交流会论文专刊[C];2004年

5 王慧贞;童永胜;严仰光;;250VA 400Hz软开关逆变电源研制[A];第二届全国特种电源与元器件年会论文集[C];2002年

6 赵鹏;李昶志;杨明皓;;软开关技术在BUCK电路中的应用[A];中国农业工程学会电气信息与自动化专业委员会、中国电机工程学会农村电气化分会科技与教育专委会2010年学术年会论文摘要[C];2010年

7 舒欣梅;张代润;;ZVT PWM软开关功率变换器的改进及仿真分析[A];展望新世纪——’02学术年会论文集[C];2002年

8 王文倩;徐德鸿;陈敏;;单相boost型有源功率因数校正电路软开关技术的综述[A];浙江省电源学会第九届学术年会论文集[C];2004年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张炯;无接触供电变流控制及系统设计关键技术研究[D];南京航空航天大学;2015年

2 唐春森;非接触电能传输系统软开关工作点研究及应用[D];重庆大学;2009年

3 陈刚;软开关双向DC-DC变换器的研究[D];浙江大学;2001年

4 姚刚;Boost型功率变流器有源软开关拓扑技术研究[D];浙江大学;2007年

5 周飞;IZCT/ARCP ZVT软开关变流器的研究[D];北京交通大学;2014年

6 张勇;点焊逆变电源软开关及模糊神经网络控制研究[D];西北工业大学;2006年

7 屈克庆;软开关三相PWM变流技术研究[D];上海大学;2005年

8 姚修远;T-NPC三电平逆变器的软开关及并联技术研究[D];北京交通大学;2015年

9 冯波;软开关功率因数校正技术的研究[D];浙江大学;2005年

10 贺昱曜;谐振软开关PWM功率变换器及其非线性特性分析[D];西北工业大学;1999年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 詹玉香;基于记忆元件的软开关技术研究[D];华南理工大学;2015年

2 张文鼎;用于EPS的12V/48V软开关电源变换器研究[D];湖南工业大学;2015年

3 李宏超;基于软开关技术的PWM变换器的研究与设计[D];长春工业大学;2016年

4 王森;基于全桥逆变感应加热的软开关控制研究[D];郑州大学;2016年

5 吴乐茂;一种新型大功率电源软开关技术研究[D];华南理工大学;2016年

6 陈燕武;基于软开关技术的无电解电容大功率LED驱动电路的研究[D];电子科技大学;2016年

7 卢刚菊;基于半桥谐振软开关技术的DC/DC电源的研究[D];电子科技大学;2016年

8 张子英;基于新型谐振软开关的DC/AC光伏控制研究与应用[D];电子科技大学;2016年

9 赵伟钦;记忆元件及其在电力电子软开关中的应用[D];广西大学;2016年

10 周攀亮;单相高效率、高功率因数PWM整流器的研究[D];西安科技大学;2015年

，

本文编号：757735