软开关悬浮斩波器电流跟随控制研究

摘要

磁悬浮斩波器是磁浮列车的关键部件，其对电流的跟随性能决定着磁浮列车的稳定性和舒适性。本文针对混合EMS悬浮系统，设计并验证了一种能用于磁浮列车的四象限软开关斩波器及其控制方法。
　　磁悬浮列车目前常用的是传统的H桥硬开关斩波器，其结构简单，性能可靠，控制方便。然而，硬开关斩波器的开关损耗很大，电磁干扰比较严重，需要添加额外的缓冲电路和体积很大的散热器，不利于斩波器小型化和轻量化。因此，研究软开关斩波器很有必要，它不仅能提高能源使用效率，降低电磁干扰，还能减少开关损耗，减小或取消散热器，使斩波器更小更轻。
　　论文中首先介绍了四象限软开关斩波器的原理，详细分析了软开关的谐振过程，软开关的开关管控制时序及负载电流大小对软开关的影响，设计了一套分段式数字PID电流跟随控制方案。然后，分析了软开关斩波器中IGBT和续流二极管的损耗原理，并对软开关斩波器损耗和硬开关斩波器损耗进行对比。另外，利用仿真软件PLECS特色的热损耗仿真，对四象限硬开关斩波器和四象限软开关斩波器进行建模仿真，分析对比两者之间的IGBT热损耗、续流二极管热损耗和总热损耗，得出软开关斩波器在软开关情况下的损耗比硬开关斩波器的损耗明显降低，但四象限软开关斩波器需要负载电流达到一定的值才能实现软开关。
　　最后，设计了一个基于TMS320F28335的小功率四象限软开关斩波器实验电路板，对四象限软开关斩波器的原理和分段式数字PID电流跟随控制方案进行验证。由实验结果可以得出:分段式数字PID控制方案跟踪阶跃信号的性能表现良好，跟踪427Hz以下单相正弦信号的性能表现良好，跟踪285Hz及以下交流正弦信号的性能表现良好。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 国内外研究历史与现状

1．3 本论文的主要工作

第二章 四象限悬浮斩波器原理

2．1 四象限硬开关斩波器原理

2．2 四象限软开关斩波器原理

2．3 四象限软开关斩波器控制分析

2．3．1 悬浮斩波器稳态电流与占空比的关系

2．3．2 软开关斩波器谐振过程分析

2．3．3 软开关谐振开关管和主开关管的时序分析

2．3．4 负载电流对软开关的影响

2．4 四象限软开关斩波器的分段式数字PID控制

2．4．1 增量式离散PID和积分饱和现象

2．4．2 分段式控制方法

2．5 本章小结

第三章 四象限软开关斩波器的损耗分析

3．1 IGBT和续流二极管的损耗计算

3．1．1 单个IGBT的通态损耗

3．1．2 单个IGBT的开关损耗

3．1．3 续流二极管的损耗分析

3．2 软开关斩波器和硬开关斩波器的损耗对比

3．2．1 四象限硬开关斩波器损耗

3．2．2 四象限软开关斩波器谐振回路不工作时的损耗

3．2．3 四象限软开关斩波器谐振回路工作时的损耗

3．3 软开关斩波器和硬开关斩波器损耗仿真分析

3．3．1 PLECS仿真软件简介

3．3．2 硬开关和软开关的IGBT、续流二极管损耗比较

3．3．3 四象限斩波器软开关和硬开关的损耗比较

3．3．4 软开关斩波器的损耗与负载电流的关系

3．4 本章小结

第四章 实验设计

4．1 谐振参数选择

4．2 IGBT及其驱动电路

4．3 DSP数字控制板

4．4 ADC采集电路

4．5 本章小结

第五章 四象限软开关斩波器实验分析

5．1 控制电路与驱动电路的调试

5．2 软开关谐振网络相应波形

5．2．1 谐振电容的电压波形

5．2．2 IGBT的栅极信号和电压波形

5．3 四象限软开关斩波器的阶跃响应

5．4 四象限软开关斩波器电流跟随控制实验波形

5．4．1 斩波器一、四象限的电流跟随实验波形

5．4．2 斩波器二、三象限的电流跟随实验波形

5．4．3 斩波器工作在四象限时的电流跟随实验波形

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献