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数字移相控制隔离型半桥双向DC/DC变换器研究

马学军  
【摘要】:隔离型双向变换器广泛应用于许多领域,其拓扑类型比较多,本文仅选择适用于中、小功率,结构简单的移相控制隔离型对称半桥和不对称半桥电压—电流型拓扑这两种类型的拓扑进行研究。本文重点研究这两种拓扑在移相控制方式下的工作状态,电路模型,工作特性及数字控制方案。 对移相控制隔离型对称双向变换器,提出结合开关函数和等效电路的简化模型建模方法,使状态方程的阶数从高价变成低阶,简化了分析与计算过程,缩短了仿真时间。推导了与简化模型对应的小信号模型,提出了按根轨迹法设计控制器的方法。基于电路拓扑的稳态直接分析法和基于小信号的稳态值分析法完全一致,表明所建模型的正确性。仿真和实验结果验证了理论分析。对称半桥中当电压变化范围较大电感能量传输两侧电压不匹配时,可以用多绕组变压器来实现电压匹配,抑制电流尖峰。 不对称半桥由对称半桥变换而来,结构更简单,所用器件更少。隔离型不对称半桥变换器中,当能量传输电感两侧电压不匹配时会在开关管中产生较大的电流尖峰。PWM 加移相控制方式可以实现该工况下对电流尖峰的抑制,降低开关管的电流应力。本文提出了PWM 加移相控制方式下结合开关函数和等效电路的状态平均模型建模方法。 移相控制隔离型对称/不对称半桥双向变换器实际运行过程中,需要考虑开关器件的电压电流应力、启动电流、偏磁、环流、效率等方面的问题。 隔离型电流—电压型双向变换器Boost 模式下开关管关断时会有较高的电压尖峰,使开关管的电压应力增大。本文分析了电压尖峰形成的机理进行,提出用无源或有源箝位方式限制电压尖峰,降低开关管的电压应力。 实验表明,Boost 模式下低压侧启动电流很大,本文提出改进型斜坡输入电压软启动和带反激电路的快速软启动两种无损软启动方式以降低启动电流。 移相控制对称半桥双向变换器中,电容均压对防止偏磁,保证电路正常工作是非常必要的。本文提出利用压差反馈或磁集成均压电路来实现分压电容均压和防止偏磁的方案。样机中采用磁集成均压电路实现了对称半桥中分压电容的良好均压。 效率测量结果表明上述二种拓扑的效率并不高。本文对效率影响因素进行了深入分析,指出无功和环流是主要原因。


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