【畢業(yè)學(xué)位論文】一種新型DSP的PFC數(shù)字開(kāi)關(guān)電源研究-控制理論與控制工程

廈門(mén)大學(xué)碩士學(xué)位論文一種新型松濤申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專(zhuān)業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：彭俠夫20080501摘 要減小電力電子裝置尤其是傳統(tǒng)的高裝置的功率因數(shù)，只益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注。伴隨著數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化控制電源已成為當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的潮流。本文在平均電流模式控制的有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種主電路采用新型半橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制電路基于數(shù)字信號(hào)處理器(單相功率因數(shù)校正器。論文首先對(duì)新型單相半橋電路的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，建立了系統(tǒng)的簡(jiǎn)化平均小信號(hào)數(shù)學(xué)模型。本文中控制策略采用電流環(huán)和電壓環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制算法采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化平均小信號(hào)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)研究了雙閉環(huán)系統(tǒng)中出了控制系統(tǒng)主要的硬件設(shè)計(jì)、部分軟件設(shè)計(jì)以及程序流程圖。最后，本文采用計(jì)完成了一套平均電流控制的終使得整個(gè)系統(tǒng)具有輸入功率因數(shù)接近于1，低電流紋波以及輸出電壓穩(wěn)定的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性和控制方案的可行性，取得了預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；平均電流控制；字信號(hào)處理器CDC in of FC in by tO in on of of a he is At of is he of he is in FC I on I in he t is he to of of I 廈門(mén)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。本人在論文寫(xiě)作中參考的其他個(gè)人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標(biāo)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。聲明人(簽名)：黝瞻蜘年廈門(mén)大學(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明本人完全了解廈門(mén)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。廈門(mén)大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家主管部門(mén)或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版，有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書(shū)館被查閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定。本學(xué)位論文屬于1、保密( )，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。2、不保密(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)括號(hào)內(nèi)打“)作者簽名：導(dǎo)師簽名：砂：旃日期：護(hù)簿期d p 13彬期：年月日第一章緒論11 引言第一章緒論電子電源是對(duì)公用電網(wǎng)或某種電能進(jìn)行變換和控制，并向各種用電負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備。它可分為線性電源和丌關(guān)電源兩種，應(yīng)用大功率半導(dǎo)體器件，在一個(gè)電路中運(yùn)行于“開(kāi)關(guān)狀態(tài)”，按一定規(guī)律控制開(kāi)關(guān)，對(duì)電能進(jìn)行處理變換而構(gòu)成的電源，被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)電源”。在實(shí)際應(yīng)用中同時(shí)具備三個(gè)條件的電源可稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電源，這三個(gè)條件就是：開(kāi)關(guān)(電路中的電力電子器件工作在丌關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài))，高頻(電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻)和直流(電源輸出是直流而不是交流)。廣義地說(shuō)，凡用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一形態(tài)的主電路都叫做開(kāi)關(guān)變換電路，轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)的則稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源(。12開(kāi)關(guān)電源的歷史隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類(lèi)也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展從來(lái)都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)，高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁器件。因此開(kāi)關(guān)電源可以按照作為開(kāi)關(guān)元件的半導(dǎo)體功率器件分成幾個(gè)階段：最早的半導(dǎo)體功率器件，起始于1958年的晶閘管，又稱(chēng)第一個(gè)階段：60年代出現(xiàn)快速晶閘管，到70年代又研制成功了高壓大電流的門(mén)級(jí)可關(guān)斷晶閘管(電力巨型晶體管(它們都是雙極型電力半導(dǎo)體器件，逐漸取代了傳統(tǒng)的些大功率器件與微處理機(jī)相互結(jié)合，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入了“自關(guān)斷器件”的第二個(gè)階段；由于微電子學(xué)科的快速發(fā)展，70年代中后期又出現(xiàn)了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特別是80年代問(wèn)世的功率場(chǎng)效應(yīng)管率“，以及派生的其特性和功能更新發(fā)展使功率變換和穩(wěn)壓技術(shù)發(fā)生了新的飛躍，使開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)生了高頻化、智能化的第三階段乜3。復(fù)門(mén)人學(xué)頒l：學(xué)位論文 一種新型控制開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)由于目前丌關(guān)電源離人們的要求、應(yīng)用價(jià)值還差得比較遠(yuǎn)，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用的安全性都不能說(shuō)是十分完美。目前要解決的問(wèn)題有：1、器件問(wèn)題。電源控制集成度不高，這就影響了電源的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)對(duì)電源的體積和效率來(lái)說(shuō)也是一個(gè)大問(wèn)題。2、材料問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管都很笨重，也是耗能的主要根源。3、能源變換問(wèn)題，按照習(xí)慣，交換有這樣幾個(gè)形式：C現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎(chǔ)，以改變電壓為目的的，工藝復(fù)雜，控制難度大，始終難以大規(guī)模生產(chǎn)。4、生產(chǎn)工藝問(wèn)題。往往在實(shí)驗(yàn)室中能達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但在生產(chǎn)上會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。未來(lái)的開(kāi)關(guān)電源體積很小，工作頻率達(dá)到110率達(dá)到95，功率密度為3率因數(shù)高達(dá)099，長(zhǎng)期使用完好，壽命在80000就是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。所謂高標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)未來(lái)開(kāi)關(guān)電源的挑戰(zhàn)；第一，能不能全面通過(guò)電磁兼容性的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；第二，在企業(yè)罩面能不能大規(guī)模地、穩(wěn)定地生產(chǎn)，或快捷地進(jìn)行單項(xiàng)生產(chǎn)；第三，按照人們的需要，能不能組裝大容量、高效率的電源；第四，能不能實(shí)現(xiàn)更小的電源模塊13J。14有源功率因數(shù)校正技術(shù)(現(xiàn)狀與發(fā)展最早采用電感器和電容器構(gòu)成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率因數(shù)校正。最簡(jiǎn)單的無(wú)源功率因數(shù)校正器是在二極管整流橋前添加一個(gè)電感器。進(jìn)一步改善輸入電流波形的無(wú)源功率因數(shù)校正電路如圖卜2所示圖1著功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)變換技術(shù)突飛猛進(jìn)，到80年代，現(xiàn)代有源于變換器工作在高頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，這種有源功率技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)可接近1等優(yōu)點(diǎn)。80年代的有源功率因數(shù)校時(shí)代。在此期1日的類(lèi)變換器的工作控制模式主要基于所謂“乘法器(；連續(xù)導(dǎo)電模式功率因數(shù)可以獲得很大的功率轉(zhuǎn)換容量，但是由于往往需要較為復(fù)雜的控制電路，因而不適合2000年代術(shù)期提出了利用工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(的變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正技術(shù)，由于其輸入電流自動(dòng)跟隨輸入電壓，因而可以實(shí)現(xiàn)接近0年代是現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，這一時(shí)期提出的一些基本技術(shù)是有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基礎(chǔ)0年代以來(lái)，有源功率因數(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。1992年立了單相功率因數(shù)專(zhuān)題，這被看作有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的里程碑。這次會(huì)議上，有關(guān)電壓跟隨型功率因數(shù)校正的技術(shù)報(bào)道占了幾乎一半，有關(guān)軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正技術(shù)也是這個(gè)專(zhuān)題內(nèi)用的一項(xiàng)主要內(nèi)容。隨后的幾次會(huì)議報(bào)道的主要內(nèi)容就是把軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和通常的功率因數(shù)校近幾年研究熱點(diǎn)主要是兩個(gè)：功率的的進(jìn)一步完善和控制的簡(jiǎn)化。有源功率因數(shù)校正的損耗主要集中在功率此最大的問(wèn)題是如何減小或者消除這兩個(gè)損耗。相應(yīng)的就有許多軟開(kāi)關(guān)較有代表性的就有兩種技術(shù)：(1)有源吸收技術(shù)。采用附加的一些有源開(kāi)關(guān)，例如輔助過(guò)控制開(kāi)關(guān)的時(shí)序使得類(lèi)技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，例如源鉗位源鉗位技術(shù)雖然能比較好地解決主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題，但輸助開(kāi)關(guān)往往自己是硬開(kāi)關(guān)，仍然會(huì)產(chǎn)生很大的損耗。再加上復(fù)雜的時(shí)序控制，使得變換器成本增加、可靠性降低，實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中并不經(jīng)常采用這種技術(shù)；(2)無(wú)源吸收技術(shù)。主要是采用由無(wú)源元件種新型控制開(kāi)關(guān)T，從而減小開(kāi)通損耗的反向恢復(fù)損耗。其成本低廉，控制簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，獲得飛速的發(fā)展_1。在控制技術(shù)的研究上，一方面在不斷的完善目前最常用的三種技術(shù)：電流峰值控制、平均電流、電流滯環(huán)控制。另一方面在不斷的研究新型的控制模式(雖然這些模式可能很早就被提出來(lái)了)，比如預(yù)測(cè)電流控制、單周期控制、誤差帶控制，滑模(結(jié)構(gòu)控制、占空比控制等。同時(shí)也不斷的在提出新型的控制模式，比如2006年3月在美國(guó)召開(kāi)的程師們提出了沒(méi)有整流橋的且已經(jīng)迅速的實(shí)際應(yīng)用。預(yù)計(jì)，最近功率因數(shù)校1)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出。基于已經(jīng)有的原理，或者新原理下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如磁放大2)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和開(kāi)關(guān)電容功率網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到3)新的控制方案(基與以有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新控制方法)，大功率需要優(yōu)良控制技術(shù)構(gòu)成的高性能功率因數(shù)校正電源，小功率電器來(lái)卻更喜歡控制簡(jiǎn)單的低成本電路。特別是限制諧波標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制實(shí)施，使得眾多原來(lái)不需要功率因數(shù)校正小功率電路必須采用，使得適合中小型功率引用的控制方案更加飛速的發(fā)展；(4)單級(jí)用單級(jí)機(jī)構(gòu)后由于此有必要研究這變換器的穩(wěn)定性，以便設(shè)計(jì)達(dá)到期望指標(biāo)的開(kāi)關(guān)電源肺3?？傊?，成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、并且具有軟開(kāi)關(guān)性能、高響應(yīng)速度和低輸出紋波的單級(jí)隔離功率因數(shù)校5本課題的研究意義和主要內(nèi)容單相整流電路廣泛用于單相變頻器和其他電力電子裝置中，它是電源污染的一大來(lái)源。隨著我國(guó)對(duì)“綠色”電網(wǎng)的要求日益嚴(yán)格，各類(lèi)電器裝置的控制器由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制的今天，數(shù)字控制由于控制理論與實(shí)踐手段的不斷完善，并且具備高度集成化控制電路、精確的控制精度、以及穩(wěn)定的工作性能，如今已經(jīng)成為電力電子學(xué)的一個(gè)重要的研究方向，而且數(shù)字控制也是最終實(shí)現(xiàn)電源模塊化、集成化、數(shù)字化、綠色化的有效手段。隨著高速、廉價(jià)的數(shù)字信號(hào)處理器的問(wèn)世，高性能、低成本、數(shù)字控制的高4第一幸緒論功率因數(shù)整流器將具有廣闊的市場(chǎng)。因此，高功率因數(shù)整流器的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。主要內(nèi)容：1)輸入電壓：220)開(kāi)關(guān)頻率：1M 率：300單個(gè)中實(shí)現(xiàn))高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及主電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題：6)對(duì)電源電路電壓、電流的檢測(cè)，使電源具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能7)運(yùn)用門(mén)人學(xué)壩I：學(xué)位論文 一種新型控制開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源的原理高頻丌關(guān)電源是將交流輸入(單相或三相)電壓變成所需的直流電壓的裝置。基本的隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源的原理框圖如圖2入整流濾波器高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源等幾部分組成其基本原理是：交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一直流電壓，過(guò)高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路，將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。-_開(kāi)關(guān)電源基本原理框圖下面就圖21的每一部分的作用、原理分別簡(jiǎn)述如下：1)輸入電網(wǎng)濾波器：消除來(lái)自電網(wǎng)的各種干擾，如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，電器開(kāi)關(guān)的合閘與關(guān)斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾。同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)。2)輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，為變換器提供波紋較小的直流電壓。而且，當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)停電時(shí)，濾波電容器儲(chǔ)存的能盈尚能使開(kāi)關(guān)電源輸出維持一定的時(shí)間。3)高頻開(kāi)關(guān)變換器(C)：它是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電，經(jīng)過(guò)高頻變壓器再變成所需要的隔離輸出交流電壓。6第_二章開(kāi)關(guān)I【出整流濾波：將變換器輸出的高頻交流電壓濾波得到需要的直流電壓。同時(shí)還防止高頻噪音對(duì)負(fù)載的干擾。電路原理與輸入濾波器相同。5)控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行隔離放大，調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。一般控制電路還包括啟動(dòng)及禁止電路。輸入整濾濾波- 尚頻變壓樅洲洲輸出整漉濾波22表示了交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。22開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按電力電子技術(shù)的習(xí)慣稱(chēng)謂，括整流及離線式變換，輸出質(zhì)量較高的直流電。C括變壓)，以，廣義地說(shuō)，凡用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)的主電路叫作開(kāi)關(guān)變換器電路。轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源(開(kāi)關(guān)電源的主要部分是是轉(zhuǎn)換的核心，涉及頻率變換。值得指出，常見(jiàn)到離線式開(kāi)關(guān)變換器(稱(chēng)，是常稱(chēng)開(kāi)關(guān)整流器，它不單是整流的意義，而巨整流后又作了線是指變換器中有高頻變壓器隔離。無(wú)論是直流開(kāi)關(guān)電源還是交流丌關(guān)電源，電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理選擇非常關(guān)鍵。由于本課題屬于直流變換器的范疇，因此，有必要清楚直流變換器的分類(lèi)，也就是流變換器按輸入與輸出問(wèn)是否有電氣隔離可分為兩類(lèi)：沒(méi)有電氣隔離的稱(chēng)為不隔離的直流變換器：有電氣隔離的稱(chēng)為隔離的直流變換器。不隔離的直流變換器按所用的有源功率器件的個(gè)數(shù)，可分為單管、雙管和四管三類(lèi)。單管的直流變換器有六種，即降壓式(門(mén)人學(xué)壩學(xué)位論文 一種新型拎制開(kāi)關(guān)I【壓式(換器、升降壓式(換器、六種單管變換器中降壓式和升壓式是最基礎(chǔ)的，另外四種是派生的。雙管直流變換器有雙管串接的升降壓式(全橋直流變換器(最常用的四管直流變換器。有隔離的直流變換器也可按所用的開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量分類(lèi)。單管的有反激式(種。雙管有雙管正激(雙管反激(推挽式(半橋(種。四管直流變換器就是全橋直流變換器(有隔離的直流變換器通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴(kuò)大變換器的應(yīng)用范圍和便于實(shí)現(xiàn)多路不同電壓或多路輸出的目的。23開(kāi)關(guān)電源的主電路工作原理用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，根據(jù)這兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)，電路可工作在四種工作狀態(tài)。在電源的正半周期，電路工作在狀態(tài)1和狀態(tài)2，此時(shí)fO；在電源的負(fù)半周期，電路工作在狀態(tài)3和狀態(tài)4，此時(shí)f。0，此時(shí)圪。；2圖2)工作狀態(tài)2在電源電壓著電容C，兩端電壓的升高，電源電流f，下降。此時(shí)開(kāi)通電感L，承受電源電壓K，使得電感電流f，線性增加，此時(shí)圪。=0，電容C。和C：均放電以提供負(fù)載電流t。圖2)工作狀態(tài)3在電源電壓匕處于負(fù)半周期時(shí)，源二極管D：給t(0，此時(shí)圪。一一圖22作狀態(tài)39廈門(mén)人學(xué)碩種新型控制開(kāi)關(guān)I【)工作狀念4在電源電壓著電容C：兩端電壓的升高，電源電流f，下降。此時(shí)開(kāi)通疋，則電感，承受電源電壓圪，使得電感電流i，線性增加，此時(shí)圪。=0，電容C。和C：均放電以提供負(fù)載電流。電源電壓的正半周期，當(dāng)五導(dǎo)通時(shí)，則電感電流i，增加，當(dāng)五關(guān)斷時(shí)，則電感電流電源電壓的負(fù)半周期，當(dāng)互導(dǎo)通時(shí)，則電感電流i，反向增加，當(dāng)瓦關(guān)斷時(shí)，電感電流f，反向減小。這樣就可以得到主電路的電源電壓的正半周期，瓦始終關(guān)斷；在電源電壓的負(fù)半周期，正始終關(guān)斷。這種調(diào)制方式由于在電源電壓的任意半周總有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件處于截止?fàn)顟B(tài)，很明顯可以減小丌關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗一朝。24開(kāi)關(guān)電源的主電路數(shù)學(xué)模型分析在壓和電流變量是在兩種不同的頻率上變化：一方面按開(kāi)關(guān)頻率凡高速切換，另一方面又按輸入電壓頻率廠(工頻)緩慢變化，從系統(tǒng)的角度來(lái)看這是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變系統(tǒng)。在對(duì)這樣的復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析之前首先要解決好建立數(shù)學(xué)模型問(wèn)題。而對(duì)一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，研究起來(lái)不太容易，所以一直吸引著人們的注意力。一般來(lái)講，變換器的建模方法可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)稱(chēng)為數(shù)字仿真法，一類(lèi)稱(chēng)為解析建模法陽(yáng)3。數(shù)字仿真法是指利用各種各樣的算法以求得變換器某些特性數(shù)字解的方法執(zhí)行這類(lèi)方法常常要利用數(shù)字計(jì)算機(jī)輔助來(lái)完成，如利用計(jì)算機(jī)上仿真。這種方法優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度和精確10第一二章開(kāi)關(guān)以得到小信號(hào)擾動(dòng)和大信號(hào)激勵(lì)時(shí)的完整波形；適用范圍廣，既可進(jìn)行小信號(hào)分析，也可進(jìn)行大信號(hào)分析，用起來(lái)方便；不足之處是物理意義不甚明確，對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義不大。解析建模法，是指利用解析理論的方法以求得變換器運(yùn)行特性的解析表達(dá)式使之能對(duì)變換器進(jìn)行定性和定量分析的建模方法。這種方法由于是用解析式表達(dá)，因此物理意義明確，設(shè)計(jì)時(shí)可據(jù)此來(lái)調(diào)整參數(shù)，控制特性的變化；缺點(diǎn)是使用不太方便。解析建模法也可進(jìn)一步分為兩種，一種是離散法，一種是連續(xù)法。連續(xù)法也稱(chēng)連續(xù)平均法，是指把本來(lái)是在一個(gè)周期有兩個(gè)或三個(gè)不同電路拓?fù)涞碾娐?，?jīng)過(guò)某種意義的平均處理，變?yōu)橹挥幸粋€(gè)電路拓?fù)溥B續(xù)工作的電路，即其工作可用一個(gè)連續(xù)的微分方程式或過(guò)求解微分方程式或進(jìn)行種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，物理概念清楚，可以利用線性電路理論和控制理論來(lái)對(duì)變換器系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，對(duì)于變換器的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。因此這種方法有重要的實(shí)用價(jià)值，是目前應(yīng)用最廣泛的，最基本的方法。連續(xù)平均法也可分為兩種形式：一種是狀態(tài)空間平均法，一種是平均值等效電路法。狀態(tài)空間平均法是從變換器的不同拓?fù)湎碌臓顟B(tài)空間方程出發(fā)，經(jīng)過(guò)平均一小信號(hào)擾動(dòng)一線性化處理，得到表征變換器穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)小信號(hào)特性的數(shù)學(xué)模型，最后也給出一個(gè)統(tǒng)一的電路模型；平均值等效電路法是從原變換器出發(fā)進(jìn)行電路處理，最后得出一個(gè)等效電路模型。其實(shí)，在推導(dǎo)平均值等效電路時(shí)只是處理電路中的開(kāi)關(guān)元件如開(kāi)關(guān)晶體管和二極管等非線性元件，對(duì)它們進(jìn)行平均和線性化處理，而線性元件不變。在本文中主要是應(yīng)用狀態(tài)空間平均法對(duì)新型單相半橋種小信號(hào)模型的思想是：考慮到開(kāi)關(guān)頻率廠。遠(yuǎn)大于輸入電壓頻率廠，所以在當(dāng)分析電流內(nèi)環(huán)時(shí)，假定輸入電壓是不變的，得到基于五頻率的電流環(huán)小信號(hào)模型；當(dāng)分析電壓外環(huán)時(shí)，假定電流理想地跟隨輸入電壓變化，這樣也可以得到基于廠頻率的電壓環(huán)小信號(hào)模型。下面將推導(dǎo)出圖22所示的新型單相半橋的小信號(hào)模型n 01。由圖23以及上面的分析可以得到主電路在以下假設(shè)條件下的狀態(tài)方程。在電源電壓的正半周期，定義開(kāi)關(guān)函數(shù)廈門(mén)人學(xué)頌I：學(xué)位論文 一種新型控制開(kāi)關(guān)關(guān)互關(guān)斷s：J (21)11 開(kāi)關(guān)互導(dǎo)通在電源電壓的負(fù)半周期，定義丌關(guān)函數(shù)關(guān) (22)11 開(kāi)關(guān)做如下四種假設(shè)：(1)假設(shè)功率開(kāi)關(guān)和二極管均為理想丌關(guān)，即忽略它們的導(dǎo)通壓降和截止電流，同時(shí)認(rèn)為開(kāi)關(guān)過(guò)程是瞬時(shí)完成的；(2)假定開(kāi)關(guān)頻率無(wú)比變換器中低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率正大的多，即有正廠c；(3)假定產(chǎn)生動(dòng)態(tài)過(guò)程的擾動(dòng)信號(hào)的頻率厶遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率無(wú)，即有只；(4)假定擾動(dòng)信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)值。由于這樣的電路進(jìn)行精確的分析是很困難的。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，根據(jù)假設(shè)條件(1)，工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下的單相半橋別可以用兩個(gè)線性非時(shí)變電路來(lái)表示，分別與兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。其狀態(tài)方程分別為：在電源電壓的正半周期當(dāng)互導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)瓦關(guān)斷時(shí)，哮叱州，C，阜：一皂 (23a)1一=一一 厶一a，1出 R，一出 R，0。，c，絲=z，一一j ，c絲：一魚(yú)。，22二章開(kāi)關(guān)電源的原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電源電壓的負(fù)半周期當(dāng)瓦導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)譬叱 5C墮。一魚(yú)dvc,；一c：魯卜簧 R，0 2 222中v，為電源電壓，i。為輸入電感電流，彬y。：分別為電容C，c，上的電壓，為輸出直流電壓，(23)、式(24)、式(2和式(2示的根據(jù)假設(shè)條件(2)、(3)，即可得到描述其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)小信號(hào)特性的基本的狀態(tài)空間平均方程，這需要以下幾個(gè)步驟：(1)平均 狀態(tài)空間平均法的第一步就是把分段線性的狀態(tài)方程用一個(gè)平均值狀態(tài)方程來(lái)代替。在電源電壓的正半周期，由式(23)x d+式(24)(1一d)得：哮=v,(1噸。1一c鰹生z!寫(xiě)成矩陣形式：2門(mén)人學(xué)碩種新型控制開(kāi)關(guān)中X=啦出咖。0 1 1】，1X+x，工1一_c。-o 1 1】(2222中(2在電源電壓的正半周期，得到的基本狀態(tài)空間平均方程。在電源電壓的負(fù)半周期，由式(2-5)(2-6)x(1一d)得：哮叱+(1卅“， 一暑一一出 尺(1峨一紐 、 寫(xiě)成矩陣形式：，生旦L 1 1 1C -00(222一二章開(kāi)關(guān)中X=v。=0講，出班11】川 2X+，Y=，1=1_c=【o 1 1(222中(210)是在電源電壓的負(fù)半周期，得到的基本的狀態(tài)空間平均方程。(2)擾動(dòng) 擾動(dòng)是在穩(wěn)態(tài)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?，F(xiàn)在對(duì)基本的狀態(tài)空間平均方程(28)、 (2一11)，在某一穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行小信號(hào)擾動(dòng)，即令t=，+f，1，l+ 1，。2=，=K+V， ， 1，o t o ，d=D+d ， 式中f，l，c1，v。2，v，Yo，屹。， 以上定義式分別代入式(2式(2)，將穩(wěn)態(tài)分量與擾動(dòng)分量分離得：在電源電壓的正半周期，穩(wěn)態(tài)方程的表達(dá)式為：簡(jiǎn)記為：1一 1o 一! 一三忡川斟圳卜么3X+222門(mén)人學(xué)碩I：學(xué)位論文 一種新型摔制開(kāi)關(guān)一， 1一1尺 ! 一!尺 尺擾動(dòng)方程表達(dá)式為：d ，2出0v。=0在電源電壓的負(fù)半周簡(jiǎn)記為：式中A。=一，0=01尺 c!ZB，= ，c=0 1 1】，Y=o 工o 011惻二矧珊卜 1 12Y| 0 1一11尺 三尺 月擾動(dòng)方程的表達(dá)式為：。X=：1615a)(22222c=0 1 1，Y；一r半=第一：章開(kāi)關(guān)電源的原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)d礦。出，d二望二垡尺C 尺-o 1 115， d，、一一 0 0 0o o 魚(yú)Cs(218a)(23)線性化式(215a)和式(218a)中含有二階微小量d，訂、，故是非線性方程。為了獲得描述們根據(jù)假設(shè)條件(4)，即假定擾動(dòng)信號(hào)比其穩(wěn)態(tài)量小得多，稱(chēng)為小信號(hào)假定，亦即：l，l，娑1，堡1，旦l，旦l， K， K： 上式可知式(215a)和式(218a)中的二階微小量d，。、可忽略，從而可得描述電源電壓的正半周期，主電路動(dòng)態(tài)低頻小信號(hào)狀態(tài)空間平均方程為：d i，出d rII o-o 1 1】， d 一一 0三0 0， 電路動(dòng)態(tài)低頻小信號(hào)狀態(tài)空間平均方程為：17(2219b)廈門(mén)人學(xué)碩I：學(xué)位論文 一種新型控制開(kāi)關(guān)i，出d，0 1 O K。220b)式(2式(2是我們想要得到的描述們是線性非時(shí)變方程，由此可以求得式(2式(220)分別進(jìn)行拉氏變換，可得各傳遞函數(shù)。在電源電壓的正半周期，對(duì)式(2一19)進(jìn)行拉氏變換得到：止。rG)+(。G)+二G)屹。(1一。)如)一二(s)，一s)孟州咖。=熹，vo(s)=vd(s)+y，2(s)量劃 。旦蘭嗣?？б?。一sL+2222)第_二章開(kāi)關(guān)五(s)一，(s)+(1一O)v。：(s)+二(s)K：5c：。：(s)=)+二(s)，一s)贏=一半由此可得到：vo(s)=vd(s)+)到 ；生，習(xí)。西石d(s)上旦0。：o)。sL+r(22；旦，劃；上 (224)o)L。妃+2尺 粕b。R 、通過(guò)以上分析可知，應(yīng)用狀態(tài)空間平均法，得到了新型單相半橋的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型5本章小結(jié)本章在對(duì)單相半橋細(xì)分析了電路的工作原理，并應(yīng)用狀態(tài)空間平均法，對(duì)單相半橋后文的控制器的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。19發(fā)門(mén)人學(xué)碩I：學(xué)位論義 一種新型控制開(kāi)關(guān)l【 單相半橋入電流即電感電流采用平均電流的控制模式，通過(guò)對(duì)電感電流和輸出電壓的采樣檢測(cè)和調(diào)節(jié)，最終可以得到理想的正弦輸入電流波形和平滑穩(wěn)定的直流輸出電壓。圖3圖3出電壓較，然后經(jīng)電壓環(huán)控制器處理，得到電壓環(huán)控制信號(hào)t，到電流的基準(zhǔn)信號(hào)o，此基準(zhǔn)電流信號(hào)中不僅包含了調(diào)節(jié)輸出電壓的信號(hào)成分，而且也包含了電流所要跟隨的正弦信號(hào)成分，輸入電流較后輸入電流環(huán)控制器，得到的輸出為一個(gè)占空比電壓信號(hào)圪，此，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率比輸入電壓頻率高的多時(shí)，輸入電流具有與輸入電壓相同的波形，從輸入端來(lái)看，整個(gè)負(fù)載呈純阻性，功率因數(shù)接近于1。20第三章控制雙閉環(huán)控制算法及文中單相半橋電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制電感電流跟隨輸入電壓的變化，使得從載呈阻性。電壓外環(huán)輸出和電網(wǎng)電壓同相的正弦波信號(hào)相乘，得到電流基準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電流基準(zhǔn)信號(hào)的平均幅值，使得輸出為恒定的直流電壓。由此可知，電流內(nèi)環(huán)控制器和電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，在雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，人們提出了許多新的控制算法，如模糊控制算法、滑?？刂扑惴ǖ龋@些算法雖然能夠得到好的控制效果，但是比較復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)。這里仍采用經(jīng)典的的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，加上軟件系統(tǒng)的靈活性，而能夠滿(mǎn)足一般系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。算法結(jié)構(gòu)如圖32所示。在本文中，電壓環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)器均采用術(shù)也相當(dāng)成熟。其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按照輸入和輸出之間的比例、積分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制引。連續(xù)域中，輸入和誤差之間的關(guān)系可以表示為：比o)=kp【瓠P(t)31)若以傳遞函數(shù)的形式表示，可表示為：G一等嵋+等 (3_2)L 一一一一f)為e(f)為為積分21廈門(mén)人學(xué)碩I學(xué)位論文 一種新型控制開(kāi)關(guān)單說(shuō)來(lái)，1)比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(f)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器就立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著k。值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng)k。增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)I，正越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。通常在七。不變的情況下，互越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。總之，控制原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、并且適用性廣、魯棒性強(qiáng)、其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不是很敏感。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)了很多改進(jìn)的數(shù)字積分分離死區(qū)的于數(shù)字分為增量式文采用的是增量式輸出增量，而且不會(huì)產(chǎn)生積分失控3電壓環(huán)設(shè)計(jì)331設(shè)計(jì)目標(biāo)假設(shè)入電流為同相位的理想正弦波，則輸入功率己=L=E f=蘭生、屯表示輸入電壓，電流的瞬時(shí)值，K、，表示輸入電壓，電流的峰值，表示輸入電壓電流的角頻率。輸出功率34)中表示輸出電壓，f?？诒硎据敵鲭娏?，在不計(jì)損耗的情況下，己一弘等(135)第三章控制電路系統(tǒng)分析由此可見(jiàn)，個(gè)直流電流再加上一個(gè)二次諧波電，該直流電流為輸出平均負(fù)載電流，二次諧波電流為輸出濾波電容的充電電流，在輸出電壓上也存在二次諧波的脈動(dòng)。電壓環(huán)控制器的截止頻率必須小于兩倍的輸入頻率，這樣才可以將輸出電壓上的次紋波衰減。如果輸出電壓的二次紋波被引入控制環(huán)，則將在電感電流上產(chǎn)生三次波。在電流均值控制中，電流環(huán)的給定由乘法器給出2警啦吖I 6)其中K。，為比例常數(shù)，。為電壓調(diào)節(jié)器的輸出，匕為輸入電壓的峰值，為前饋電，在數(shù)字控制中，取為整流器后全波整流電壓的平均值，用數(shù)字方法計(jì)算就不會(huì)引入二次紋波，可以認(rèn)為是恒定值設(shè)， K。+彳防 (37)10量仃ot 入(3警”釧 8)經(jīng)積化和差等三角變換，得：=K。K。jA 。f+侈)Ais(妨)1(3中，K=KmV$，由此可見(jiàn)，如果電壓調(diào)節(jié)器的輸出含有1的二次黻在電流環(huán)給定中將含有05的三次諧波。因此，電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是：抑制輸出電壓的二次紋波，保證輸入電流失真最小I人學(xué)碩種新型t：控制開(kāi)關(guān)2電壓環(huán)功率級(jí)的數(shù)學(xué)模型im - j t j、j。|骨架，； ； j一j?j、心、二，j這望，7， ，17。、h“圖4明治繞制圖設(shè)計(jì)功率變壓器時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)知道電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作頻率、輸入輸出電壓、輸出功率或輸出電流及環(huán)境條件等。同時(shí)，變壓器的損耗也應(yīng)知道。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，總是以滿(mǎn)足最壞情況下設(shè)計(jì)，以保證設(shè)計(jì)的變壓器在規(guī)定的任何情況下都能正常工作。文獻(xiàn)介紹了一種專(zhuān)業(yè)的變壓器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要考慮的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、磁芯形狀、磁芯材料等方面的影響。本文變壓器設(shè)計(jì)的參數(shù)：電路拓?fù)洌和仆焓浇Y(jié)構(gòu)變壓器初級(jí)電壓璣：311V(10)輸出最大功率昂：3006端輸出，每端口獨(dú)立122，31磁性材料的選擇功率鐵氧體材料，在高頻下具有很高的電阻率，所以渦流損耗低、價(jià)格低，是高頻變壓器的首選材料。然而，在高頻下，可選用的鐵氧體材料十分有限，只限于少量公司的少量型號(hào)。如文轉(zhuǎn)換頻率為500據(jù)實(shí)際情況，選用的磁芯是自制的磁芯，其性能相當(dāng)于特性曲線見(jiàn)332磁芯形狀：一T：25：c；： _澎 一脅一，；誓IT=100 c；十“ ，一 毒 爹鰳謄接y ：?j 7 繇 H7l t=!二：三二，!一； ：7 。勢(shì)露 鼉薯孝萼強(qiáng)到 渤 魏垂必薯i l：影 ：j ：；：! 。諺婆盤(pán) ： ：r：+： 聰鬃： 卜一oj：一二二。-二L =一；： 一：，：二： ； ； l i!：1 一 +o 一： l+01 10 10磁通密度(4大線圈的寬度可以減少線圈的層數(shù)，使交流電阻和漏感都減少。鐵氧體磁芯形狀各異，有罐形、M、E、P、C、及新近研發(fā)的平面磁芯等，各種磁芯因形狀不同，各有各的優(yōu)點(diǎn)，部分磁芯的外形見(jiàn)圖4一奠部分磁芯元件外形47一：學(xué)位論義 一種新型控制開(kāi)關(guān)I【!源研究本文由于開(kāi)關(guān)頻率很高，而且丌關(guān)電源功率不大，為了減小電磁干擾，所以選用罐型磁芯，如圖4具有很小的窗口面積，優(yōu)點(diǎn)是骨架中心柱子上線圈幾乎完全被鐵氧體材料包圍，從而有效地減小了輻射磁場(chǎng)，減小了333變壓器設(shè)計(jì)圖4是由帶兩個(gè)初級(jí)繞組及兩個(gè)次級(jí)繞組的變壓器構(gòu)成，使用兩個(gè)幅值相等、脈寬可調(diào)、相位相差1800的脈沖驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管來(lái)控制變壓器初級(jí)繞組的導(dǎo)通與關(guān)斷。(1)變壓器次級(jí)繞組電壓u，：整流二極管選用肖特基二極管6最大正向壓降為085V，考慮濾波電感及變壓器次級(jí)繞組的壓降約為015V，所以變壓器次級(jí)繞組電壓U，=85+015 1913V(2)計(jì)算變壓器的輸入功率己：令變壓器的轉(zhuǎn)換效率q=98，將各參數(shù)代入下式中可得己。!昂。三u，。：L134098=531(W)(3)磁芯大小的選擇：高頻變壓器最常用的設(shè)計(jì)