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基于并联谐振变换器的长脉冲调制器研究

孙鹏  
【摘要】:在X射线断层摄影、加速器、材料表面改性、射频功率源等领域,高电压脉冲应用广泛。传统的高电压脉冲调制方法多种多样,从总的原理上来说它们都是在电容储能条件下来获得高电压脉冲。在某些特殊的应用场合比如X射线断层摄影和部分射频功率源中,常常需要持续时间毫秒至秒的重复频率长脉冲电压,同时满足现代电力电子技术低储能的趋势和要求,此时传统的长脉冲调制方法受到各种各样的限制。国外有人提出了一种基于高压电源调制的改进方案,省去大储能电容和高压开关,将负载直接接在高压电源的输出端,通过控制电源中功率变换器的启动和停止来实现对长脉冲电压的直接调制。 在上述背景下,本文首先阐述了软开关的意义和谐振变换器的分类,引出了电压型负载并联谐振变换器,并采用该变换器作为研究主体实现长脉冲电压输出。然后对于变换器的基本工作原理和控制策略展开分析,采用基波分析法推导了变换器电路的稳态模型并进一步计算了软开关的实现条件;并针对频率控制、移相控制和频率加移相控制三种不同的控制策略,对每种控制策略的软开关实现情况进行了定性分析,并分别推导了每种控制策略的实现条件。通过理论分析和计算得到了三相全桥无源整流直流母线电压波动和DC-link电容容量之间的关系,在此基础上仿真实现基于前馈控制的长脉冲电压输出,并针对前馈控制的不足提出了前馈加反馈控制的解决方案。采用DQ变换的方法推导了单相电压型负载并联谐振变换器的DQ等效电路模型,求解了等效电路的传递函数,并利用仿真手段证明了所求解传递函数的准确性。然后采用Matlab中的SISO工具设计了满足闭环系统稳定性要求的PI控制器,在此基础上设计了前馈加反馈的闭环控制器;针对脉冲下降沿时间过长的缺点对闭环控制器进行了改进,在380V三相全桥整流条件下仿真实现持续时间2ms、占空比50%的5kV/20kW长脉冲输出,脉冲上升沿323μS、顶部纹波1.8%、脉冲下降沿83μS。 最后,基于Texas Instrument公司型号为TMS320F28027的DSP控制芯片搭建了单相并联谐振变换器实验平台,编写了相应的控制程序,通过实验验证了频率加移相增益控制方式的正确性,同时也验证了软开关实现原理的正确性。


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