大功率高频高压开关电源拓扑结构的研究

摘要

本文针对大功率工业应用场合，对高频高压直流开关电源和高频高压直流脉冲电源进行了主电路拓扑和控制方式的相关研究。针对改进型倍流整流方式ZVS PWM全桥直流变换器拓扑结构主开关管电压应力高而相应的半桥三电平电路拓扑功率等级低的问题，提出了新型倍流整流方式ZVS PWM全桥三电平直流变换器拓扑结构，详细分析了该变换器的工作原理，进行了参数设计和仿真验证。 相关研究表明，倍流整流电路并不适合于高压小电流工艺场合，为此本文对辅助网络ZVS PWM全桥三电平直流变换器及其改进型拓扑结构和不同控制方式下的拓扑族进行了研究，详细分析了该类变换器的工作原理和控制方式，进行了参数设计和仿真验证。为了进一步简化辅助网络的结构，并解决轻载时，超前桥臂实现软开关困难的问题，提出了一种新型宽负载范围辅助电感ZVS PWM三电平全桥直流变换器，它在基本拓扑结构的基础上只需增加一个辅助电感，利用辅助电感的能量就可以实现宽负载范围内所有开关管的软开关，详细分析了该变换器的工作原理，进行了参数设计和仿真验证。 由于变压器漏感会与输出整流二极管的结电容发生谐振，出现电压尖峰和振荡，必须引入相应的吸收网络。传统的RC和RCD网络的吸收效果很好，但是存在电阻上损耗大致使变换器效率低的问题。本文在变换器中引入了无损钳位吸收网络，大大的减小了变换器损耗，提高了工作效率。直流脉冲电源可以分为逆变型和斩波型。根据磁控溅射工艺要求，本文提出了一种新型的直流脉冲电源系统拓扑，很好地解决了软开关和输出波形工整性的问题。详细分析了这种变换器的工作原理，进行了参数设计和仿真验证。

目录

摘要

ABSTRACT

1. 概述

1.1 高压直流开关电源和高压直流脉冲电源概述

1.2 高压直流开关电源和直流脉冲电源发展动态

1.3 课题的主要研究内容

1.4 小结

2. 倍流整流方式 ZVS PWM全桥三电平直流变换器

2.1 倍流整流方式 ZVS PWM全桥三电平直流变换器分析

2.1.1 主电路工作原理

2.1.2 超前管和滞后管实现 ZVS的分析

2.1.3 主电路关键元件参数设计要求

2.2 仿真实验结果

2.3 小结

3. 辅助网络 ZVS PWM全桥三电平直流变换器

3.1 辅助网络 ZVS PWM全桥三电平直流变换器分析

3.1.1 主电路工作原理

3.1.2 辅助网络参数设计

3.1.3 主电路关键元件参数设计要求

3.2 仿真实验结果

3.3 辅助网络的其他形式

3.4 小结

4. 采用其他控制方式的辅助网络 ZVS PWM全桥三电平直流变换器及改进型拓扑结构

4.1 采用其他控制方式的辅助网络 ZVS PWM全桥三电平直流变换器

4.1.1 主电路工作原理

4.1.2 辅助网络参数的设计

4.1.3 仿真实验结果

4.2 一种改进型拓扑结构

4.2.1 主电路工作原理

4.2.2 仿真实验结果

4.3 其他控制方式下的改进型拓扑结构

4.4 小结

5. 新型辅助电感 ZVS PWM全桥三电平直流变换器

5.1 二次侧钳位吸收网络

5.1.1 两种二次侧钳位吸收网络的结构

5.1.2 钳位效果对比仿真分析

5.2 新型辅助电感 ZVS PWM全桥三电平直流变换器分析

5.2.1 主电路工作原理

5.2.2 无损钳位吸收网络和辅助电感参数设计

5.2.3 主电路关键元件参数设计要求

5.3 仿真实验结果

5.4 无损钳位吸收网络在其他拓扑中的应用

5.5 小结

6. 直流脉冲电源系统的研究

6.1 新型复合式斩波 ZVS直流脉冲电源系统的研究

6.1.1 主电路拓扑结构和工作原理

6.1.2 斩波部分主开关管软开关的实现

6.1.3 辅助电感参数设计

6.1.4 频率和占空比调节问题

6.2 仿真实验结果

6.3 小结

7. 全文总结

致谢

参考文献

论文发表情况

附录