带功率因数校正的移相全桥ZVS开关电源的研究

发布时间：2016-08-31 07:00

第一章 绪论

1.1  开关电源的发展概述 
开关电源起源于上个世纪 50 代初，美国宇航局因火箭运行的需要而设计了小体积轻质量的开关电源，其为开关电源的雏形。时至今日，开关电源已有近 60 年的发展历程。随着各种控制技术和电力电子技术的不断发展和进步，小型轻量化的开关电源陆续面世，因具有高效率、高稳定性等特点，在许多领域其都得到了很好的应用和推广，逐渐取代了基于传统技术制造的连续工作电源[3-4]。 开关电源的发展过程主要分为三个重要阶段：（1）在 20 世纪 80 年代前，由于电力电子技术的发展，所以功率半导体器件从双极型器件（BPT 、SCR 和GTO）发展为 MOS型器件（MOSFET 、IGBT 和 IGCT 等），此时的电源主要是线性稳压电源，其反应速度快，输出纹波小，工作噪声低，应用十分广泛。但由于其调整管一般工作在线性放大区，所以当负载电流较大时，其调整管的集电极损耗会很大，造成了线性稳压电源效率低的问题，而且其输出电压一般普遍低于输入电压。（2）在 20 世纪 80 年代至 90 年代，高频化和软开关技术逐步发展，此类技术的应用使功率变换器性能优越，功率损耗降低，质量轻，体积小，而且可以应用在高频和大功率的场合。此时开关电源逐渐彰显了其性能的优点，渐渐取代了线性稳压电源。（3）在 20 世纪 90 年代中期，集成电力系统和集成电力电子模块（IPWM ）技术已有了很好的发展，其推动着开关电源的逐渐革新，在新的社会发展形势和社会需求下，集成模块化的开关电源需要进一步发展和研究。 在 1997 年，国外率先成功推出PWM（脉宽调制）控制器集成电路芯片，如美国的Motorola 公司、 Silicon General 公司和 Unitrode 公司等。随着时代和技术的发展，集成电路芯片已有了很大的发展，尤其是近些年，国外又相继研制了数兆赫兹的高速、高频PWM 和 PFM 芯片。相比较之下，由于开关电源的研究和发展在国内起步比较晚、技术相对比较落后，所以发达国家品牌的模块电源占据了国内开关电源很大的市场，尤其是大功率、高频模块电源和近乎一半的中小功率的模块电源。
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1.2  选题的意义
随着研究的不断深入，研究者们对开关电源主电路的设计进行了优化和设计，先后出现了许多功能模块的拓扑结构，如前级 EMI 滤波结构、可控或不可控整流结构、PFC功率因数校正结构和 DC-DC 变换结构，不同拓扑结构都有着各自适用的频率和功率场合。开关电源拓扑结构的选择至关重要，合适的拓扑结构不仅可以提高开关电源的效率和传输功率，还可以减少电源本身的电磁干扰和设计生产时的成本。开关电源的控制策略虽有许多学者进行了研究，但对于成品电源而言多采用的是较简单的 PID 控制，即便是在理论研究方面，大多数依然停留在模糊PID 控制的研究。另外，开关电源最重要的DC-DC 变换器环节长期存在着许多棘手的问题，如变压器副边占空比较严重的丢失，系统数学模型精确建立的困难性，外部干扰和开关电源系统的非线性化对系统本身的影响等困扰。基于以上存在的问题，本课题在选择了合适的拓扑结构的基础上，对于带功率因数校正技术 的开关电源进行了深入的研究，尤其是其前级 PFC 变换器和后级移相全桥 ZVS DC-DC 变换器，包括其拓扑结构的选择、改进和结构参数的选取，数学模型的建立和控制策略，最后通过仿真实验结果去验证开关电源设计的合理性。 
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第二章  开关电源的主电路拓扑结构与原理

对开关电源组成部分的了解和认识是设计开关电源的基础。首先，明确开关电源的主电路拓扑结构，主要有哪几部分组成；其次，对开关电源各组成部分进行深入学习和认识，包括其工作原理、常用拓扑结构、器件参数选取和不同结构需要注意哪些问题等等。本章主要介绍了开关电源的总体组成，并对各结构部分的原理、基本问题等进行了深入的研究。 

2.1  开关电源的整体设计 

开关电源的总体设计方案需根据其技术指标的要求来设计，需详细了解开关电源的基本组成结构和功能模块之间的关联。图 2.1(a)为开关电源的总体组成结构，其主电路由单相交流输入电压、单级Boost 型PFC 电路和后级DC-DC 直流变换电路组成；控制回路主要由电压电流采样电路和 DSP 控制器和辅助电源组成。采用电压、电流双闭环PI 控制算法为单级 Boost 型PFC 电路设计了独立的控制器；后级DC-DC 电路在采用了软开关技术的移相全桥结构的基础上，设计了基于系统辨识的自校正PID 控制器。这些模块电路结构共同构成了一个完整的开关电源系统 。为了更好地了解开关电源的工作情况和各组成结构之间的内部联系，采用主电路中电压波形的变化来进行描述和说明。图 2.1(b)给出了开关电源主电路电压的变化，交流输入电压经不控整流电路和PFC 电路后变成脉动较小或没有脉动的直流稳定电压；直流电压在移相全桥 ZVS DC-DC 变换器的作用下，由直流电压逆变成交流电压，再经变压器副边整流电路输出稳定的直流电压。 

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2.2 开关电源的 PFC 电路
交流输入电压经开关电源整流、滤波后，非线性负载会使得输入电流波形发生畸变，造成输入电流中会含有许多谐波分量，进而致使功率因数降低，从而影响开关电源整体的效率[14-16]。开关电源中功率因数校正的基本方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种，由于无源功率因数校正使用了许多电感和电容，不仅使开关电源体积很大、电路笨重，而且很难使开关电源得到更高的功率因数，所以在实际应用中有源功率因数校正的应用较为广泛。常见的直流变换器主要有降压式Buck 、升压式Boost 电路、反激式Flyback 电路和升降压式Boost-Buck 电路等，其性能的优缺点如表 2-1 所示。 
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第三章  开关电源的建模与参数选取 .... 27 
3.1  数学模型的建立 ...... 27 
3.1.1  有源 PFC 的建模 .......... 27 
3.1.2  后级 DC-DC 变换器的小信号建模 ........... 29 
3.2  开关电源主电路参数的选取 .... 32 
3.3  本章小结 ........ 37 
第四章  开关电源的控制器设计 ............ 39 
4.1 PFC 控制环节的性能分析与优化 ...... 39
4.2  自校正控制 .... 44 
4.3  自校正 PID 控制 ..... 44 
4.4  自校正 PID 控制实现的步骤和流程 .......... 48 
4.4.1  自校正 PID 控制实现的步骤 .......... 48 
4.4.2  自校正 PID 控制实现的流程图 ...... 49 
4.5  本章小结 ........ 50 
第五章  开关电源系统的仿真 ...... 51 
5.1 BOOST 型 PFC 环节的仿真 ........ 51 
5.2  移相全桥 ZVS DC-DC 变换器的仿真 ........ 52
5.3  开关电源系统的整体仿真 ........ 56 
5.4  本章小结 ........ 58 

第五章  开关电源系统的仿真 

仿真分析用来验证开关电源的控制效果和其控制器设计的良好与否，本章采用MATLAB 仿真软件对开关电源的 PFC 环节、移相全桥 ZVS DC-DC 变换器分别进行仿真分析，最后组合 PFC 和后级 DC-DC 变换器对开关电源整体系统进行仿真并对仿真结果进行分析。 

5.1 Boost 型 PFC 环节的仿真 
在对 PFC 电路进行原理分析和控制器设计之后，可以在 MATLAB/simulink 下搭建功率因数正环节的仿真模型。由 3.2.2 节和技术指标可知Boost PFC电路的仿真参数：单相交流输入 220V ，输入频率为 50Hz ，图 5.2（a）、（b）、（c）和（d）分别为单级 Boost 型PFC 的输出电压波形、电压局部放大波形、输出电流波形和电流局部放大波形。从图中可知在额定负载下输出电压、电流响应快、稳定性强，大约在0.25s 时电压稳定在400V ，电流稳定在5.32A ，此时PFC的输出功率大约为 2127W ，，效率大约为 0.94 。由图（b）可知输出电压平均值约等于400V ，其脉动小，输出范围大约在 (400 0.3)V ；由图（d）可知输出直流电流平均值约等于5.32A ，其脉动较小，能够为后级DC-DC 变换器提供稳定的工作电压和电流， 符合设计的要求。 根据自校正 PID 控制的工作原理，在MATLAB 中搭建自校正PID 控制模型，如图5.3 所示。控制器主要由参数估计模块（用递推最小二乘法）、 PID 参数计算模块（极点配置法）和PID 控制器组成。其中，U in(t)?为控制输入量端口，u0(t)为当前 DC-DC变换器的输出电压量端口，ur(t) 为参考电压给定端口；u(t)为控制输出量端口（联结PWM 脉冲发生器），ID params 为观测参数辨识端口。为了参数辨识的效果，仿真时应将U in(t)?与u(t)连接，但又为了防止u(t)超限，两者间加入饱和模块。 
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总结 

本文从开关电源的基本组成出发，分别对其组成模块—PFC 电路和后级 DC-DC 变换 器 进 行 了 研 究 。 重 点 设 计 了 Boost PFC 的 双 闭 环 PI 控 制 器 和 后 级 移 相 全 桥ZVS DC-DC 变换器带参数估计的自校正 PID 控制器。本文把基于递推最小二乘法的参数估计、自校正控制与传统 PID 控制相结合，应用在 DC-DC 变换器中；参数估计的数据经极点配置后计算出适当的 PID 参数，然后利用PID 控制器对 DC-DC 变换电路进行控制，使输出电压更加稳定，系统抗干扰性更强。 本文工作重点总结如下： 
1.  针对本文开关电源的技术指标，选取了单级 Boost PFC 电路，分析了其工作原理并给出了参数的选取，同时又利用开关周期平均模型法对其建立了数学模型。最后设计了电压、电流双闭环PI 控制器，利用MATLAB 仿真验证了其作用的效果。 
2.  鉴于 DC-DC 变换器是开关电源的最重要部分，其是本文的研究重点。对传统移相全桥 DC-DC 变换器的工作原理和存在的问题进行了分析，针对滞后臂难以实现 ZVS变换的问题，在原拓扑上增设了辅助谐振网络，并给出了 ZVS的解决、和占空比丢失的抑制方法，最后利用空间状态平均法对带辅助网络的移相全桥 ZVS DC-DC 变换器进行了建模，同时选取了变换器的参数。根据开关电源技术指标和对开关电源的要求，在传统 PID 控制的基础上引入了系统辨识和自校正控制，最后建立了自校正 PID 控制器对DC-DC 变换器进行控制，且利用 MATLAB 仿真验证了此控制策略使变换器的输出更加稳定，响应速度更快，动态性能更好，由此验证了设计的合理性和优越性。 
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参考文献(略)

本文编号：106451