可并联开关型直流电源模块研究

摘要

真空自耗电弧炉是熔炼精密合金及贵重金属的重要设备，其核心部分之一是直流电源。随着全控型电力电子器件的容量不断增加，性能不断完善及应用技术不断突破，开关型直流电源必将应用于真空电弧炉系统中。由于传统的晶闸管调压电源和饱和电抗器调压电源存在体积大、效率低、噪音高、输出纹波大、动态响应慢等缺点，传统的模拟控制的高频硬开关直流电源又存在开关损耗高、稳定性差、可靠性及功率密度低等缺点，因此，研制高品质的直流电源模块显得尤为重要。
　　本文通过分析国内外开关电源的研究现状，比较多种主电路拓扑及控制方式，并根据可并联开关型直流电源模块的主要性能指标，确定了系统的总体结构，选取结构简单技术成熟的移相ZVS-PWM DC-DC全桥变换器为主电路，并详细阐述了其工作原理。不但详细设计了电源模块硬件参数，建立了系统的数学模型，而且设计了恒流/恒压控制器、基于虚拟内阻的并联均流方式、基于DSP TMS320F2812的数字化系统控制方案。结合移相全桥软开关技术、数字化控制技术和数字化并联均流技术、设计了可并联开关型直流电源模块，其输出功率为3000A/50V，开关频率为24kHz。通过Matlab/Simulink搭建了系统的仿真模型，进而搭建了实验平台。通过仿真及实验分析验证了理论分析与方案设计的正确性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 课题研究现状

1．3 可并联开关型直流电源模块主要性能指标

1．4 本文主要内容及章节安排

第二章 可并联开关型直流电源模块方案设计

2．1 电源模块主电路拓扑的选择

2．2 全桥变换器控制方式的选择

2．3 电源模块整体结构以及散热设计

2．4 电源模块并联均流方式设计

2．5 本章小结

第三章 移相ZVS-PWM DC-DC全桥变换器

3．1 移相ZVS-PWM DC-DC全桥变换器结构

3．2 移相ZVS-PWM DC-DC全桥变换器原理

3．3 移相ZVS-PWM DC-DC全桥变换器两个问题分析

3．3．1 超前臂与滞后臂实现ZVS的条件

3．3．2 变压器Tr二次占空比丢失

3．4 本章小结

第四章 可并联开关型直流电源模块硬件设计

4．1 主功率电路器件选择与参数计算

4．1．1 三相不可控整流桥的选择

4．1．2 直流母线滤波电容的选择

4．1．3 逆变桥全控型电力电子器件的选择

4．1．4 高频变压器的设计

4．1．5 隔直电容的选择

4．1．6 谐振电容与谐振电感的设计

4．1．7 变压器二次全波整流及滤波电路设计

4．2 浪涌电流抑制电路设计

4．3 IGBT驱动设计

4．3．1 IGBT驱动电路

4．3．2 DC-DC隔离电源

4．4 检测和保护电路设计

4．4．1 电压检测电路

4．4．2 电流检测电路

4．4．3 过流检测电路

4．4．4 故障封锁电路

4．5 本章小结

第五章 移相全桥变换器数字控制设计

5．1 移相ZVS-PWM DC-DC全桥变换器的数学模型

5．2 恒流／恒压控制器的设计

5．2．1 电流环PI调节器的设计

5．2．2 电压环PI调节器的设计

5．3 基于虚拟内阻的并联均流方式

5．4 DSP芯片及CCS软件概述

5．4．1 TMS320F2812的介绍

5．4．2 CCS软件概述

5．5 系统软件设计

5．5．1 主程序流程图

5．5．2 恒压／恒流输出模式实现及流程图

5．5．3 PI调节器离散化

5．5．4 PWM移相脉冲的产生

5．6 本章小结

第六章 仿真与实验

6．1 电源模块的仿真

6．2 仿真波形分析

6．3 开环实验验证

6．3．1 IGBT驱动电路实验

6．3．2 软开关实验

6．3．3 负载实验

6．3．4 电源模块性能实验

6．3．5 过流保护实验

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文