车载24V电网电源变换器分析与改进部件研制

摘要

上海高速磁浮列车尚未实现运营列车备件备品的全面国产化，因此其维护成本高昂。其中车载24V电源变换器的损坏率较高，因此对基于半桥零电压多谐振(MRC)变换器的车载24V电源变换器进行分析和研究，对板卡故障修理和降低维护成本具有明显的意义。在此基础上，对变换器拓扑可运用LLC变换器的相关理论进行改进设计，不仅有利于进一步降低重量与成本，还可对车载24V电网设备的国产化研究起到积极作用。故本文针对车载24V电网电源变换器的改进设计进行研究。
　　首先，本文详细分析了车载电源变换器所采用的半桥多谐振变换器拓扑的主电路的各个工作状态及其理论波形，研究了下垂法均流和输入电压前馈控制的原理。由于既有电源板大量参数难以直接确定，因此本文在理论分析的基础上，对变换器主电路和控制及均流电路的参数进行重新计算和设计并据此选型器件。随后在完成电路仿真的基础上试制了一台测试样机进行实验。通过实验验证了电路设计的正确性，将有利于电源板备件的维修和深入研究。
　　鉴于原有电源设计定型时间早，因此存在重量大，硬件成本高、整流二极管可能出现占空比丢失，且二极管开关速度慢等问题，本文引入LLC变换器来替代原有拓扑。本文分析了LLC变换器的主电路工作原理和特性，并据此计算了主电路参数并完成元件选型。针对现有车载电网电源所采用的均流方式存在电路繁杂，均流误差大等问题，本文研究了最大电流法均流的原理，选用专用均流控制器UC3907，结合新型LLC控制芯片ICE2HS01G，改进了反馈与控制电路。最后本文改进了监测与保护电路结构，可为电源板提供更多保护措施和更多监测对象。本文通过PSIM软件进行了多模块并联仿真后，搭建了一个400W的LLC双模块并联实验平台，通过实验验证了理论和设计的正确性。
　　实验结果表明，使用本文所研制的基于LLC结构的电源改进板，可以实现较高的效率和均流精度。在额定输入电压和额定负载条件下，样机最高可实现92.5％的效率和2.31％的均流误差。该电源样机的研制基本达到预期目的，为车载24V电网设备的全面国产化研究打下了坚实基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 车载24V开关变换器简介

1．4 本文研究目标与内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

第2章 半桥多谐振变换器分析与实验

2．1 半桥MRC变换器主电路原理

2．1．1 模式1工作过程

2．1．2 模式3工作过程

2．2 主电路参数设计

2．2．1 开关管与谐振电感计算

2．2．2 主变压器设计

2．2．3 输出滤波电感设计

2．3 变换器控制电路原理与参数设计

2．4 反馈与均流控制电路

2．4．1 下垂法均流原理

2．4．2 实际控制电路

2．5 监测电路

2．6 仿真分析

2．6．1 仿真电路搭建

2．6．2 模块内仿真结果

2．6．3 并联模块均流仿真结果

2．7 基于半桥MRC的开关电源实验

2．7．1 主控芯片前馈电路实验

2．7．2 主电路闭环负载实验

2．7 本章小结

第3章 LLC变换器的原理分析

3．1 LLC变换器主电路原理

3．2 半桥LLC变换器工作特性

3．3 LLC变换器的稳定工作区域

3．4 本章小结

第4章 基于LLC的车载电源改进设计

4．1 主电路设计

4．1．1 主电路参数计算

4．1．2 元件选型与磁性器件设计

4．1．3 实际主电路设计

4．2 改进电源控制电路设计

4．3 反馈与均流电路设计

4．3．1 最大电流法均流原理

4．3．2 芯片周边元件参数确定

4．3．2 均流调节过程

4．4 LLC变换器监测电路改进

4．5 变换器多模块并联仿真实验

4．5．1 谐振状态仿真结果

4．5．2 额定输入电压下并联均流仿真结果

4．6 本章小结

第5章 基于LLC的开关电源板实验

5．1 电源样机实际参数与外观

5．2 并联电源模块实验

5．2．1 最低输入电压下负载实验

5．2．2 额定输入电压下负载实验

5．2．3 最高输入电压下负载实验

5．3 并联电源实测数据

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

硕士期间科研情况