一款基于多谐振拓扑的数字开关电源设计

摘要

当今社会环境污染日趋严重，能源供应日趋紧张，温室效应的危害也日趋显现。为解决这些与人类生活息息相关的问题，政府耗费了大量的人力物力。许多城市的重污染、高耗能企业搬迁甚至停工，各大城市也相继出台了私家车限行令等，这些都显示着当今国家低碳节能、提高能效等要求的迫切性。随着生活水平迅速提高，汽车数量迅速增加。减少汽车的能源消耗和对环境的污染，已经成为一个迫在眉睫的事情。电能必将会成为国家大力发展的清洁能源之一。用电动汽车替代燃油车是减少环境污染的一个重要途径，也将会是现代社会发展的一个重要趋势。
　　长期以来，电动汽车由于电池技术等因素的限制，导致其续航里程较短，充电时间过长，无法满足现代社会人们高效的生活需求。近几年美国的特斯拉汽车公司以其优秀的电池管理系统技术将电动汽车的续航里程提高到了500公里以上，而且高效的换电模式也解决了电动汽车充电时间长的问题，因此电动汽车必将迎来一个快速的繁荣时期。电动汽车充电电源是电动汽车的“供血站”，因此电动汽车充电电源的数量也将迅速增加，其对能源的损耗也必然急剧增大。因此设计一款高效的电动汽车充电电源，对国家现阶段的节能减排，防治污染有着重大的意义。
　　基于以上情况，本论文设计了一款应用于电动汽车充电站的多谐振拓扑数字开关电源，并对设计的电源提出了高工作效率，高稳定性和高功率密度等要求。现在开关电源所使用的拓扑众多，考虑到负载的用电安全、不共地、减少相互干扰等因素，舍弃了Buck和Boost等非隔离拓扑。软开关技术不仅可以较大的提升电源的工作效率，而且减少了对外界的电磁干扰，因此在此设计中舍弃了传统的正激拓扑和反激拓扑等硬开关拓扑。针对移相全桥软开关拓扑存在的副边占空比丢失、软开关丧失和可靠性差等问题进行了拓扑优化后，设计采用了多谐振零压软开关拓扑。
　　本文首先对多谐振拓扑的工作过程和DC特性曲线进行了详细的分析，其电流自限，偏磁纠正和副边整流二极管零流截至等优点，提高了电源的整机效率和可靠性，大大减弱了电磁兼容的设计难度。接着在基于零压软开关多谐振拓扑的基础上，设计了一款输出电压400-500VDC可调，最大输出电流20A的多谐振拓扑网络参数，并进行了验证，以保证其符合软开关工作条件。
　　其次，基于DSP芯片TMS320F2808，设计了相应的主控电路。为了形成一个完整的电源系统，本文还对输入输出保护电路，延时启动电路和辅助电源等外围的辅助电路进行了详细的原理图和参数设计。
　　最后，本文进行了电源系统的结构设计和实物制作。在PCB的设计中采用了主功率电路的“U”型回路设计，其结构设计采用了经典的隧道式风冷结构。这样既减少了电路对外界的干扰也使电源具有良好的散热效果，提高了其功率密度。经过实际测试，电源达到了预期的设计期望。此设计的电源模块已经在临沂等多地电动汽车充换电场站中实际的应用，其系统运行稳定，各方面性能良好。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景

1．2 开关电源的现状及发展趋势

1．3 本课题主要内容

第2章 多谐振拓扑的分析及参数设计

2．1 常见拓扑简介

2．1．1 非隔离型拓扑

2．1．2 隔离型拓扑

2．2 移相全桥电路拓扑工作过程及其存在的问题

2．2．1 移相全桥拓扑结构和工作过程

2．2．2 移相全桥拓扑存在的问题

2．3 多谐振拓扑分析

2．3．1 多谐振拓扑结构和工作过程

2．3．2 多谐振拓扑的优点

2．3．3 多谐振拓扑的特性分析

2．4 一款10KW电源的多谐振拓扑网络参数设计

2．4．1 多谐振拓扑设计要求

2．4．2 多谐振拓扑网络参数设计

2．4．3 多谐振拓扑软开关验证

2．4．4 多谐振拓扑网络参数的计算结果

2．4．5 多谐振拓扑输出电容参数计算

2．4．6 多谐振拓扑的测试结果

2．5 本章小结

第3章 数字化控制设计

3．1 主控芯片TMS320F2808简介

3．2 TMS320F2808最小系统设计

3．2．1 电源管理电路

3．2．2 最小系统设计

3．3 数字控制软件流程图

3．4 驱动电路设计

3．5 谐振双环控制设计

3．6 采样电路设计

3．6．1 电流采样电路

3．6．2 电压采样电路

3．7 主控制电路板的PCB设计

3．8 本章小结

第4章 外围电路的设计

4．1．2 辅助电源的电路设计

4．1．3 辅助电源的频率设计

4．1．4 辅助电源的变压器设计

4．1．5 辅助电源的实物图

4．2 电磁兼容设计

4．3 直流并机均流技术

4．4 输入端保护电路设计

4．4．1 输入过压和输入欠压的保护电路设计

4．4．2 延时启动电路设计

4．5 输出端保护电路设计

4．5．1 输出电压检测电路

4．5．2 输出电流检测电路

4．5．3 输出短路保护电路

4．5．4 过温保护电路

4．6 本章小结

第5章 电源系统设计及测试

5．1 电源系统的设计输入要求

5．2 电源系统的实现方案

5．3 电源系统的结构设计

5．3．1 主功率电路U型环路设计

5．3．2 隧道式风冷结构设计

5．3．3 PCB设计

5．3．4 电源系统的实物制作

5．4 电源系统的测试

5．4．1 电器性能和绝缘耐压测试

5．4．2 稳压精度、稳流精度和纹波电压测试

5．5 电源系统设计过程的问题与收获

5．5．1 调试过程中的干扰问题

5．5．2 主功率器件温升过高问题

5．5．3 电流采样问题

5．5．4 短路损坏问题

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．2 电源系统设计展望

参考文献

致谢