基于双管正激变换器的高压电容器充电电源研究

摘要

近年来，脉冲功率技术发展迅速，在军工领域和民用领域的应用越来越广泛，如激光工程、粒子加速器、新型武器、污水处理等。脉冲功率技术中应用最多的储能系统是电容器储能系统，而电容器充电电源是电容器储能系统不可或缺的一部分。随着脉冲功率技术在特殊环境下应用的推广，如强电磁干扰、高能粒子辐射、剧烈振动等环境，特殊环境下的电容器充电电源的拓扑和控制方法的研究变得至关重要。在强电磁干扰、高能粒子辐射环境下，充电电源的驱动信号可能受到干扰，造成开关管误导通，因此应该避免选用存在桥臂直通隐患的变换器拓扑，如最常用的谐振型变换器。单端正激变换器和单端反激变换器能够避免桥臂直通的危险，但是它们的输出功率不大。相比而言，双管正激变换器不仅能够避免桥臂直通，而且输出功率是单端正激变换器的两倍，因此本文选取双管正激变换器作为充电电源的拓扑结构。
　　本文首先分析了双管正激变换器充电电源的工作过程，给出了每个开关模态中变换器输入电流、充电电流、占空比的详细表达式。然后详细分析了不同充电电压下，变压器磁通复位对开关管导通时间的限制，充电电流与开关频率、开关管导通时间的关系。依据以上分析结果，给出了基于脉宽调制的恒流充电控制策略和电压保持控制策略；为了缩短充电时间，进而提出了基于开关频率调节的恒流充电控制策略，并分析了两种控制策略的优缺点和适用范围。建立了基于脉宽调制的系统小信号模型，根据系统在恒流充电过程中和电压保持阶段的开环传递函数，分析了系统的闭环控制的性能，并分别设计了闭环控制系统的PI控制器。然后根据基于开关频率调节的恒流充电控制系统结构，构建了开关频率调节内环，设计了频率调节算法，建立了系统内环的小信号模型，并设计了电压外环的PI控制器。通过在MATLAB/Simulink中搭建模型，进行仿真分析，对以上控制策略和设计的PI控制器进行了验证。最后，对充电电源主要器件进行了设计和选型并在搭建的样机上进行了验证实验，验证了理论分析、控制策略和控制器设计的正确性和有效性。

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1绪论

1.1课题背景

1.2电容器充电电源概述

1.3充电电源拓扑选取

1.4双管正激变换器充电电源的研究现状

1.5本文研究内容

2主电路工作原理及控制策略分析

2.1主电路拓扑描述

2.2各个开关模态及其等效电路

2.3工作特性分析

2.4控制策略分析

2.5本章小结

3充电电源小信号分析与控制器设计

3.1基于脉宽调制的充电电源小信号分析

3.2基于脉宽调制的恒流充电控制器设计

3.3基于脉宽调制的电压保持控制器设计

3.4基于开关频率调节的充电电源小信号分析

3.5基于开关频率调节的恒流充电控制器设计

3.6仿真分析

3.7本章小结

4实验设计和验证分析

4.1电容器充电电源主要参数设计

4.2实验验证

4.3本章小结

5总结与展望

5.1本文工作总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文