带输出饱和电感的中功率PS-ZVS-FB变换器研究

摘要

锂电池充电试验柜是用来测试手机电池性能的一种中功率电源设备,内部由一台12～15V直流电源供电,其功率一般为3～20kW。由于市场对这种设备的需求量小,其内部电源很少有人研究,目前主要还是采用传统的相控电源或线性电源。 随着高频开关电源技术的飞速发展,高频开关电源的频率越来越高,体积越来越小,而且其性能也得到大幅度提升,高频开关电源在很多场合已经替代了传统的相控电源和线性电源。 为此,本文针对锂电池充电试验柜内部电源的要求,在对中功率开关变换器拓扑进行系统的分析、比较基础上,开展了一种带输出饱和电感的移相全桥中功率充电器的设计和研制工作。提出的充电器拓扑利用饱和电感的特性既能实现原边开关管的宽负载范围零电压软开关,又能实现输出整流二极管在全负载范围内的零电流软开关。利用这种技术研制的充电器输出功率较大,开关损耗大大减小,达到了减小电源体积、提高电源功率密度的设计目的。 文中具体提出了以下几种新的技术： (1)主电路设计中,主开关管采用双MOSFET并联技术,克服了高压MOSFET电流容量不足的问题； (2)针对桥式电路中开关管的驱动波形容易受到干扰的特性,提出了一种改进型脉冲变压器隔离式驱动电路； (3)主变压器采用新式的线饼叠加式结构,能够满足低压大电流输出的要求,其结构散热效果好、分布参数小,且产生的电磁干扰小； (4)设计了一种简易结构的饱和电感,散热效果好,解决了饱和电感不能在大电流电路中使用的问题； (5)详细的分析了中功率变换器电磁干扰产生的机理,提出了一整套电磁兼容设计的方法,并在试验中验证了其可行性； (6)在控制电路方面,以UCC3895为控制核心,并根据充电器的工作特点,采用电压环控制策略设计闭环补偿电路；(7)设计基于最大电流自动均流法的多机并联控制电路。 最后,研制出一台三相交流380V(-10％～+10％)输入,输出直流12～15V可调、最大输出电流200A的样机。通过对试验波形和试验数据的分析,验证了本文理论分析的正确性和技术的有效性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2中功率开关电源拓扑结构的回顾

1.2.1正激DC/DC拓扑

1.2.2半桥DC/DC变换器拓扑

1.2.3全桥DC/DC变换器拓扑

1.2.4多电平DC/DC变换器拓扑

1.2.5基于矩阵变换器技术的AC/DC拓扑

1.3本文主要工作和研究内容

1.4本章小结

第二章带输出饱和电感的PS-ZVS-FB变换器性能分析

2.1中功率拓扑的比较

2.2典型PS-ZVS-FB变换器存在问题的讨论

2.3带输出饱和电感的PS-ZVS-FB变换器的分析

2.3.1工作过程

2.3.2拓扑特性

2.3.3变换器小信号模型

2.4控制策略

2.5仿真与分析

2.6本章小结

第三章主电路设计中几个关键问题分析

3.1磁性元器件设计的问题

3.1.1功率变压器

3.1.2饱和电感

3.2桥式驱动功率MOSFET的电磁干扰与抑制问题

3.2.1功率MOSFET开关过程分析

3.2.2振荡产生的机理

3.2.3改进型驱动电路

3.3中功率系统电磁兼容问题

3.3.1开关电源电磁干扰(EMI)源分析

3.3.2开关电源电磁兼容(EMC)设计

3.4本章小结

第四章带输出饱和电感的中功率PS-ZVS-FB变换器设计

4.1主电路参数计算与设计

4.1.1输入整流桥和输入滤波器的设计

4.1.2隔直电容的选取

4.1.3功率MOSFET和整流二极管的选取

4.1.4输出滤波器的设计

4.2控制电路设计

4.2.1控制芯片简介和参数设计

4.2.2死区时间的设定

4.2.3并联控制电路的设计

4.3保护电路和辅助电源的设计

4.3.1过压、欠压、过流保护电路

4.3.2热保护电路

4.3.3软启动电路

4.3.4辅助电源

4.4本章小结

第五章试验研究

5.1试验与分析

5.1.1样机

5.1.2软开关特性

5.1.3稳态特性

5.1.4动态特性

5.1.5效率

5.1.6其它试验

5.2本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士期间取得的成果

致谢