新型零电压开关PWM三电平直流变换器的研究

摘要

在需要高输入电压大功率电源的场合，必须选用电压定额高的开关管。但耐压高的功率MOSFET会因较大的导通损耗显著地降低变换器的效率。选用IGBT可以在同样的母线电压时，减小导通损耗。但是IGBT的“电流拖尾”现象又会限制变换器的开关频率，使得变换器的变压器和输出滤波器的体积增大。把开关管串联以满足系统容量要求是解决上述问题的一种方法，与之相比，三电平直流变换器是另一种较好的选择方案。三电平直流变换器可以把开关管电压应力降低为输入电压的一半，它和软开关结合起来，非常适用于高输入电压，中、大功率的应用场合。本文研究一种零电压软开关PWM三电平直流变换器，采用类似有限双极性方式控制变换器的运行，不仅使开关管电压应力减半和实现了零电压软开关，且因控制电路主控芯片SG3525远低于移相控制芯片LJC3875的价格，样机成本降低，当然，体积会稍微增大。 变换器的小信号建模是设计控制电路的基础。本文在SIMetrix仿真环境里建立了零电压开关三电平直流变换器的大信号平均电路模型，仿真分析了变换器的小信号行为，据此设计了电压控制补偿回路。通过和零电压软开关移相全桥变换器的小信号模型传递函数对比，得出两者具有相同的小信号响应特性。 为验证理论分析，设计了一台500W的实验样机，详细叙述了各设计环节，进行了仿真分析和实验研究，实验结果验证了理论分析的正确。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1电力电子技术发展概述

1.1.2高输入电压大功率的应用场合

1.2三电平直流变换器的产生与发展

1.3本文的研究内容

第二章新型零电压开关PWM三电平变换器的基本原理与特性分析

2.1新型三电平直流变换器拓扑的推导

2.1.1电路描述

2.1.2隔直电容Cs的作用及功率变压器直流分量的抑制

2.2新型三电平直流变换器工作模态分析

2.3工作特点

2.3.1三类工作状态、占空比损失和开关管电压应力

2.3.2开通与关断分析

2.4输出特性分析与参数设计

2.4.1输出特性分析

2.4.2参数设计

2.5本章小结

第三章基于电路平均模型的小信号建模与补偿设计

3.1开关变换器建模的思想及其方法

3.2 BUCK变换器建模——三端PWM开关模型法

3.3本文三电平直流变换器建模

3.3.1主功率级建模

3.3.2小信号特性分析

3.3.3其余三部分模型

3.4补偿设计

3.4.1设计目标

3.4.2Ⅱ型补偿器

3.4.3补偿器参数选择与控制系统性能分析

3.5本章小结

第四章变换器主电路及控制电路设计

4.1主电路(功率级)设计

4.1.1.功率MOSFET的分布电容设计考虑

4.1.2.输出整流二极管的寄生振荡设计考虑

4.1.3主功率变压器的电磁设计

4.1.4输出滤波电感Lf和谐振电感Lr设计

4.1.5输出滤波电容元件Cf选择

4.2控制电路设计

4.2.1 SG3525 PWM芯片及补偿电路接法

4.2.2延时电路设计

4.2.3死区时间电路设计

4.2.4功率MOSFET驱动电路

4.2.5控制电路原理图

4.3本章小结

第五章仿真分析与实验研究

5.1仿真分析

5.1.1功率MOSFET的仿真模型

5.1.2主电路和控制电路的仿真

5.2实验研究

5.2.1开关管的驱动实验波形

5.2.2各开关管的软开关实验波形

5.2.3谐振电感的实验波形

5.2.4功率变压器的实验波形

5.2.5变换器输出的实验波形

5.2.6谐振电感电流波形正负半周不对称的分析

5.2.7负载跳变实验波形

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见