（电力电子与电力传动专业论文）特种dcdc变换器的研究与应用.pdf

s p e c i a ld c d cc o n v e r t e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n d o n gs h u f a ( p o w e r e l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd c d cc o n v e r t e rt e c h n o l o g y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p u b l i c b u sv o l t a g eo ft h ep u m p i n gf r e q u e n c yg r o u pc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ed e m a n d sf o rp o w e r r a t i n ga n dt h en u m b e ro fl o o p sf r o mt h ew h o l es y s t e m ，ak i n do fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s p e c i a lf o rt h i so c c a s i o ni sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d f i r s t l y , t h er e s e a r c hi sl a u n c h e do nt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h ef l y b a c kc o n v e r t e r , a n dp o w e rs u p p l ys u i t a b l ef o rt h i so c c a s i o ni sd e s i g n e du s i n gt h i sl 【i n do fs t r u c t u r e i t d e t e r m i n e st h ec o m p e n s a t i o nn e t w o r kp a r a m e t e r st oa c h i e v eo p t i m a lb ya n a l y z i n gt h e t r a n s f e rf u n c t i o no fe a c hl o o p ，c o n s i d e r i n gt h ea c c u r a t em o d e lo ft h ep e a kc u r r e n tc o n t r o l a n d l i g h t c o u p l e rs m a l ls i g n a l ，a n du s i n gm a t l a b ，t h u sg e t t i n gf a s td y n a m i cr e s p o n s e t h e d e s i g no ft h ef l y b a c kc o n v e r t e ra n dt h es e l e c t i o np r o c e s so ft h er c d g r o u n d - c l a m pc i r c u i t p a r a m e t e r si sg i v e n , a sw e l la si tg i v e st h es p e c i f i cm e a s u r e st or e d u c eo ft h ep e d p h e r a l c i r c u i t se l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef r o mt h ep o w e ri nt h ep c b l a y o u t s e c o n d l y , ah n do fp o w e rs u p p l y , w h i c hh a sam i x e dc a s c a d et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d c a nr e a l i z em u l t i w a yv o l t a g eo u t p u ti sd e s i g n e d ，w h o s eb a s i ct h o u g h ti st oc o n v e r tt h e v o l t a g ea f t e rs t a b l i n gi t t h ef o r m e rl e v e lc o n v e r t e ru s e sb u c kt lc i r c u i t ，w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e sc o m p a r i n gt ot h eo r d i n a r yb u c kc i r c u i t ，f o re x a m p l e ，i tc a nr e d u c ef i l t e r i n g i n d u c t a n c e sa n dt h ec a p a c i t o r s v o l u m e ，a n dh a ss m a l lr i p p l ev o l t a g e ，e t c i no r d e rt oa c h i e v e ab e t t e rr e s u l t ，s t a t es p a c em o d e li sb u i l ta n dm a t l a bi su s e dt od e t e r m i n et h eo u t e rc i r c u i t c o m p e n s a t i o nn e t w o r kp a r a m e t e r s t h el a t e rl e v e lc i r c u i tu s e saf o r w a r dc o n v e r t e rs t r u c t u r e ， w h i c ha d o p t sa na c t i v eg r o u n d - c l a m ps t r a t e g y , t h u ss a v i n gt h et h i r df o r w a r d - t y p et r a n s f o r m e r w i n d i n g s t h ew h o l es y s t e ms t a r tc i r c u i tt a k e sa d v a n t a g eo ft h ed cc i r c u i tc o n t r o lr e l a y c o n t a c t s 、析t ht h es t a r tc i r c u i to ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , w h i c hi ss i m p l ea n df e a s i b l e f i n a l l y , i ts t u d yt h ei s o l a t e dp o w e rs u p p l yf o rt h es p e c i a lh i g h - v o l t a g es y s t e m - b a s e d o np u b l i ch i 曲- f r e q u e n c ya l t e r n a t i n gc u r r e n tb u sp r o g r a m t h em a i nc i r c u i tc o n s t a n t sc u r r e n t i i s o u r c eg e n e r a t i n gc i r c u i tw h i c hi sad u a l b u c kc i r c u i t , t h r o u g ht h ef u l l b r i d g ei n v e r t e ra n dt h e c lf i l t e rn e t w o r k , t h eh i g h f r e q u e n c ys i n u s o i d a lc u r r e n t , s i g n a li s g o t t h eh i g h f r e q u e n e y c u r r e n tb u sl o o p st h r o u g ht h eh i g hm a g n e t i cr i n gt h r o u g ht h es e c o n d a r ys i d er e c t i f i c a t i o na n d f i l t e rt h eo u t p u tv o l t a g ec a l lb eg o t , a n dt h r o u g hd o u b l e - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h eo u t p u t v o l t a g es t a b i l i t y , i no r d e rt op r e v e n th i g h - v o l t a g ei td e s i g n st h eo v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n c i r c u i t t h i ss t u d yd e v e l o p st h es w i t c h i n gp o w e rf o rt h ep u b l i cb u sv o l t a g eo ft h ep u m p i n g f r e q u e n c yg r o u pc o n t r o ls y s t e ma n dc a r r i e so u tal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o t y p ei s r u n n i n gs t a b l e & r e l i a b l ea n dt h et e s tt a r g e t sm e e tt h e r e q u i r e m e n t st op r o v et h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo ft h ef o r m u l a k e y w o r d s ：f l y b a c kc o n v e r t e r , m i x e d c a s c a d ec o n v e r t e r , u g h f r e q u e n c yc u r r e n tb u s ， s t a t e - s p a c em o d e l i i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垂曼笙 日期：沙卢年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：矽力年多月多日 日期：劫加年6 月7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 特种开关电源的概述 第1 章前言 随着电子技术的高速发展，电子系统已应用于工业、交通、电力、通信、计算机、 家用电器等各领域，其种类也越来越多，与人们的日常生活关系日益密切，而任何电子 设备能正常工作的前提必须有一稳定、可靠的电源，可以说是电子系统的“心脏”【1 1 。 电源一般可分为一次性电源和二次性电源，次性电源主要指的是化学电源和发电机， 往往不能被电子设备直接利用；二次电源是经过处理后得到的电源，又可分为线性电源 和开关电源。 在过去的电子系统中，常常利用的是线性电源，其工作机理：利用调整管串联调压。 这种电源技术比较成熟，并且市场上已有大量、集成化的电源模块，具有输出电压纹波 小、稳定性好、使用安全可靠等优点。在实际的应用中，线性电源通常要用到工频变压 器。如果电源的功率较大，往往采用的变压器体积较大、质量也比较笨重，一些对电压 纹波要求比较严格的场合还往往需要采用体积和质量都很大的电感进行滤波。在线性电 源中，调整管工作于线性放大状态集电极和发射极之间要承受很大的电压，导致调整管 损耗大，发热严重，电源效率低，一般只有4 5 。鉴于调整管要消耗较大的功率，发热 严重，为保证电源能正常工作，需要采用更大功率调整管并装有大体积的散热器，以上 因素都无形中增加了电源的体积及成本，有悖于现代电子产品的发展方向，难以满足现 代小型化电子系统的实现【2 】。 2 0 世纪5 0 年代，美国宇航局为搭载火箭以小型化、重量轻为目标，开发了开关电源。 经过近半多个世纪的发展，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定 等优点而逐渐取代了传统的线性电源，并广泛应用于电子、电气设备中。2 0 世纪8 0 年代， 开关电源已广泛应用于计算机，率先完成了计算机的电源换代。2 0 世纪9 0 年代，开关电 源已广泛的应用于国防、工业生产、生活中的各个领域。工作机理是利用功率半导体器 件作为开关元件，利用电感、电容作为储能元件，导通时给储能元件充能，关断时向输 出侧释放能量，通过控制开关管的脉冲信号的宽度来调整输出电压。当开关管导通时， 管压降接近为零；当开关管截止时，其流过的电流为零。开关管要么处于导通要么处于 关断这两种状态，故其功耗也小，效率可达7 0 0 0 - - - 9 5 ，对于开关管的散热可选用较小的 散热器。 第1 章前言 特种开关电源是指应用于某些特殊的场合以满足某种要求而设计的开关电源，其种 类也较为多样，但按输入、输出的电压及电流的大小可分为两大类：低压输入高压输出 的电源，高压输入低压输出的电源。低电压输入高压输出这类的开关电源除了在电力方 面得到广泛的应用以外，还在复印机、绘图仪、静电吸附等很多方面得到应用。这种类 型的开关电源往往输出的电流不是很大，一般都在十微安到数十毫安之间，但输出电压 幅值较高，一般都在上千至数万伏以上。而高电压输入低压输出的这种类型的电源在电 焊、电镀、阴极防腐常常用到，往往要求输出的电压不是很高，但电流较大。在变频控 制系统中，往往要求电源的输出路数较多，输出电压等级较低，且各路输出电压是相互 隔离的，功率要求不是很高，一般在5 0 - 1 0 0 w 之间。 1 2d c d c 变换器的研究现状 1 2 1d c d c 变换器相关技术的发展 一、高频化技术【3 】 高频化技术是以电力电子器件的高速化为基础的，开关频率的升高为开关电源的小 型化提供了可能，推动了高新技术产品的小型化，同时也致使人们研究更为高速、低耗 的开关器件和新型的d c d c 变换器拓扑结构，以减少开关损耗，提高效率。 二、软开关技术 通常p w m 型d c d c 变换器是按硬开关模式工作，在开关过程中，开关器件两端的 电压和流过的电流波形有交叠，因此开关损耗大。软开关技术【4 】实际上是利用电容与电 感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦的规律变化，使开关两端的电压 与流过的电流波形不交叠的技术。按照其控制方式：可分为脉冲频率调制( p f m ) 方式、 脉冲宽度调制( p w m ) 方式和脉冲移相控制( p s ) 方式。软开关技术是变换器提高开 关频率、效率、减小变换器的电磁干扰与体积的有效途径。 三、控制技术 d c d c 变换器的强非线性、离散和变结构的特点，且负载性质的多样性，对系统的 动态性要求较高，这些因素使变换器的控制问题及控制器的设计变得较为复杂。采用传 统的电压控制5 1 、均值及峰值电流控制策略【6 】，已很难达到要求了。因此，许多学者致 力于研究更好的控制方法，如电荷控制、单周期控制【7 1 、h o o 控制、最优二次型控制【8 】、 数字d s p 控制技术、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、最优非线性控制【9 】、滑模 变结构控制1 0 1 、准周期积分函数控制等。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 四、有源功率因数校正技术 在很多电子设备中的常常都用到电力电子开关器件，整流管采用普通二极管整流， 造成电网侧功率因数很低仅为0 6 5 。因此，通常在d c d c 变换器前加一级变换器有 源高功率因数校正技术【1 1 1 ( a p f c ) ，利用此技术可将功率因数提高到o 9 5 o 9 9 ，既 治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。单相a p f c 国内外开发比较早，技 术比较成熟，而三相a p f c 则还有待进一步研究与发展。 五、高频磁元件技术 磁性元件在开关电源中是必不可少的部件。传统的变压器已阻碍着现代开关电源发 展，这两年出现了平面变压器，与常规的变压器不同，绕组采用铜箔或板型印制电路， 省去绕组骨架，有利于散热，减少漏感，肌肤效应等损耗；采用集成t l 磁元件，即将多 个磁元件集成到一个磁芯上，可以减少变换器体积、降低损耗；采用压电变压器，其简 称p e t ，是利用“压电陶瓷 材料的电压机械振动电压变换性质传递能量。 六、分布式电源技术 分布式电源技术【1 2 】是将电源模块化，通过2 5 0 4 2 5 v 4 8 v 的d c d c 变换器得至u 4 8 v 母线电压加至负载板，再通过负载板上若干个并联的d c d c 变换器，将4 8 v 的母线电压 变换为负载所需的3 5 v 电压，并且是可并联的。分布式电源技术适用于超高速集成电 路组成的大型工作站、大型数字电子交换系统等场合，其优点是：可降低母线上的电流 和电压降；容易实现n + i 冗余，提高了系统的可靠性，易于扩增负载容量，瞬态响应好， 减少了电解电容的数量，可实现模块化。 1 2 2d c d c 变换器建模的方法 d c d c 变换器的建模【1 3 】是研究d c d c 变换器的拓扑结构、控制方法及设计的基础， 一般可分为数值法和解析法。数值法是根据数学算法运算处理得到d c d c 变换器的数 值解，它不能反应电路的工作机理，其物理意义不明确。在实际中应用的较少。解析法 是利用解析表达式的形式来描述d c d c 变换器特性的建模方法，着眼于工作机理的分 析，在满足一定精度条件下，简单通用，能为设计提供较明了的依据。解析法又可分为 离散解析法和连续解析法。离散解析法是在一周期内若干个点上，利用差分方程求解， 其计算复杂，因而难以指导实际工程设计，离散模型的研究基本陷于停滞阶段。连续解 析法的实质为平均，把一个周期内有两个或几个不同拓扑的电路结构列出各自的方程， 利用数学知识在某种意义上取平均，得到能够描述该电路特性的方程，并利用线性电路 第1 章前言 理论和经典控制理论来分析的方法。它表达式简单，物理概念明确，成为d c d c 变换 器建模理论中最为重要的建模方法，它对工程设计有重要的指导意义，其中最具代表性 的是状态空间平均法。 状态空间平均法是在一个开关周期内对d c d c 变换器将各个状态变量取平均和线 性化处理，得到解析结果的分析方法，适用于稳态和动态小信号的解析分析。但通常要 满足两个假设条件即低频假设与小纹波假设：开关频率远大于交流小信号的频率和变换 器的转折频率远小于开关频率。状态空间平均法不适用于分析谐振变换器；若变换器中 含有较多的开关器件即存在着较多的开关状态、电容和电感动态元件时，每种开关状态 都有一组状态方程，若采用状态空间平均法需要进行大量的数学运算，建模过程复杂， 分析繁琐。目前，该方法主要用以分析理想、开关状态不多的p w m 开关变换器。 1 2 3 电路仿真软件的发展概况 在d c d c 变换器中，常常含有电感、电容等储能元件，而电力电子器件通常又处在 开关状态，当开关管导通、关断时电流、电压的上升率大，导致而开关管应力较大；高 频化技术的出现使得开关管损耗变大，尤其在密封的工作环境中，如果散热设计处理不 好，导致内部工作环境恶化，易损坏开关器件；现在市场上新型开关器件类型繁多、参 数复杂，造成设计时选择器件的困难，如果都采用高质量、高精度的元件会造成成本提 高，市场竞争力下降，对于这些复杂的问题，传统的设计方法很难设计出高质量的电路。 故在实际的应用中，常常先利用计算机仿真技术【3 】进行辅助设计，给实际的设计提供参 考，便于电路参数的选取，可以减少产品的开发周期，节约成本等。利用计算机仿真技 术，便于读取电路中任意一条支路或流过某一器件的电流及各个点之间的电位差，并且 还方便地完成在现实实验中所不能完成或者完成较为困难的特性参数分析，如频率响应 参数变化分析、噪声分析、最坏情况分析、容差分析、蒙特卡罗分析等等。 从6 0 年代计算机应用以来，提出过很多分析方法，但是对于开关状态工作的电路与 系统的分析仿真软件，直到7 0 年代才出现，其中应用比较普遍并且对工作电路仿真产生 影响的有如下几种： 1 、基于状态变量法而开发的c o s m i r 软件，它将半导体开关器件理想化，变换器 的每一运行模式都有一组线性时不变状态方程描述，利用直接数字积分法或解析法求 解，得到稳态响应或大信号瞬态响应。其缺点是兼容性不好，并且对开关元件的理想化， 不能分析器件开通或关断瞬间开关器件的电应力变化。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 、基于节点分析法而开发的e m t p ，a t p ，p e c a n 等程序，可应用于电力系统等 大系统的仿真。其主要缺点是：处理源不够充分，不能包含与电流有关的元件，不便得 到支路电流；难以实现有效的数字积分；分析线性电路的零、极点要用特殊技术，难以 快速分析电力电子电路的稳态特性。 3 、基于改进的节点分析法而开发的s p i c e 通用电路仿真程序及其派生软件p s p i c e ， h s p i c e 等。其主要缺点：分析电力电子电路的稳态费时较多；分析线性电路的零、极 点要用特殊技术，且需要很多的电路变量。香港理大学y s l e e 等人将p s p i c e 和m a t l a b 结合，开发了电力电子电路优化用的c a d 程序，称之为m a t s p i c e 。 4 、基于状态空间平均法而开发的s c a p ，它基于状态空间平均电路模型而开发的， 可进行大信号瞬态分析，并可决定其小信号传递函数及零、极点配置。 1 3 课题提出的背景及意义 1 3 1 油井变频群控技术 早在上个世纪8 0 年代，已将变频群控系统应用于多传动控制系统如轧钢、造纸、化 纤等行业。直到近期，才在石油行业得到广泛应用。油井变频群控技术是将抽油机较为 集中的地区对多个电机都采用变频调速，采用了公用的整流滤波装置为多个变频装置提 供能量，将所有的变频装置的都接于共同的直流母线上，这样可以减少整流装置的重新 配置，节省了成本，并且可以减小变压器的容量。当电机工作于电动状态时，逆变器从 直流母线上获取能量；当电机工作在发电状态时，其他电机可以充分利用此能量，通过 公共直流母线实现能量之间互馈共享，以达到节能的目的，并且可以提高设备运行可靠 性、减少设备维护量和设备占地面积。 图1 1 为油井群控系统的框图。可看出，它通常包括高压低压电力变压器、整流滤 波环节、公共直流母线、变频控制终端。采用了公共直流母线技术，存在着诸多优点： 不用对每个变频终端都装有整流滤波装置，节省了整流环节；可实现各个抽油机之间能 量的相互利用；采用直流母线技术还可防止老百姓偷电现象。整流滤波单元实现的功能 是把工频输入的交流转换为的直流。常采用的整流方式有二极管不可控整流、可控硅半 控整流和i g b t 全控整流三种方式。在实际的控制系统中，往往为了减小整个系统的成 本及电路的复杂程度，提高系统的可靠性采用的是三相不可控整流。滤波部分采用电感、 电容滤波，可以减小电网侧的电流谐波，提高了功率因数。变频控制终端实现的功能是 将直流电压转化为电机需要的电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目的， 5 第1 章前言 它是整个系统的核心部分 图1 - 1 群控系统配置方案示意图 f i 9 1 - 1g r o u pc o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o nd i a g r a m 13 2 抽油机变频群控系统直流母线电压的特点 抽油机变频群控系统直流母线电压具有幅值大、大幅度波动等特点。当游梁式抽油 机的电动机下常工作时：由于电动机的载荷是周期性变化的，致使电动机的运行于两种 状态。上冲程时，电动机通过连杆之间的相互作用提起抽油杆柱和液柱，电动机就要付 出很大的能量束提升做功，此阶段电动机处于电动状态。而在下冲程时，抽油机油杆柱 反拉对电动机进行做功，使电动机处于发电的运行状态【i q 。目前，在较多的游梁式抽油 机中，都采用了加平衡配重模块的工作方式，但还是在抽油机的一个工作循环中，电动 机出现了电动运行状态和发电运行状态。对于采用变频控制的电机，电动机在下冲程时 负载对电机做功，产生的能量通过变频装置中与i g b t 反并联的二极管，流至整流侧t 而整流环节通常采用的是三相全桥不可控整流，能量无法反馈至电网侧，直接给支撑电 容充能导致直流母线电压骤然升高。在实际的控制系统中为防止电压过高，能量的累 积过多常设有制动环节，当母线达到一定幅值后，通过检测、控制电路将母线上多余 的能量通过电阻迅速地释放掉，使直流母线电压稳定在某一个范围内，故造成直流母线 电压在某一范围内波动。 1 33d c d c 变换器在变频控制终端实现的意义 在抽油机变频群控系统【。1 i s l 中，要用到+ 5 v ，+ 1 0 v ，1 2 v ，- + 1 5 v ，- i - 2 4 v 的电压，除 此之外还有i g b t 的驱动电路所需要的5 路电源。此前单井变频控制中，常采用较为传统 的方法。将电网3 8 0 v i 频交流电压经过一个含有多组副垃、体积大、质量重的工频变压 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 器后，再经过整流、滤波、稳压电路得到所需的多路输出电压。整个电源没有采用闭环 调节，直接利用变压器各绕组之间的匝比得到输出电压。若电网电压出现波动时，导致 变压器输出经整流、滤波后三端线性稳压器的输入端电压将有所变化，为保证整个系统 在电网电压过低时系统能可靠、平稳地工作，设计变压器要求在输入电压最低时，输出 电压达到要求。因此，当电网电压偏高时三端线性稳压器输入、输出之间存在着很大的 电压差，造成很大的功率损耗，稳压器发热较为严重，常常采用一个较大的散热片，造 成效率降低，且电源体积大不利于变频控制装置的小型化。在抽油机变频群控系统中， 多口油井的变频终端共用直流母线，没有了3 8 0 v 工频交流电输入，故就无法采用工频变 压器这一方案了，必须利用直流母线上的电压，采用d c d c 变换技术得到各种输出电压 以满足整个系统的需要。直流母线的电压为三相电压整流后而得到的电压值较高，在现 今市场没有这种输入电压比较高，输出电压等级及输出路数多，正好符合这种应用场合 的开关电源，同时还必须考虑到该电源工作的场合的特殊性，直流母线电压的特点。因 此，设计的电源必须具有较好的动态响应。 在当今市场上的变频器也大都利用直流母线电压采用d c d c 变换技术而得到控制 电路及驱动电路所需要的各种电压，且一般采用的是反激式变换器结构，对于变频器中 开关管的散热装置一般都利用了交流2 2 0 v 轴流风扇，通过3 8 0 v 2 2 0 v i 频变压器得到， 其体积相对来说较大。针对变频群控系统中，无法采用交流2 2 0 v 轴流风扇，而采用直流 2 4 v 的轴流风扇，故也只能从直流侧获得，致使设计的d c d c 变换器的容量也有了相应 的增加；整个变频装置是在户外工作，环境较为恶劣，四季温度不同，故要求设计的电 源能低温与高温下都能正常工作。 1 4 本论文的主要工作 本课题来源于抽油机区块变频群控配置组态的研究与系统开发中的电源系统设计， 采用d c d c 变换技术从高压直流母线上获得控制电路、驱动电路、检测电路所需的各 种电压。因此，本文研究的内容如下： 一、阐述了d c d c 变换器的分析方法，介绍d c d c 变换器的建模、控制策略的研究 动态及未来发展趋势，分析了研究现状，明确了本课题的实际背景及研究意义。 二、介绍d c d c 变换器整个控制系统的基本工作原理，常用的d c d c 变换器的拓扑 结构及状态空间平均法，为以后的章节打下基础。 三、采用f l y b a c k 变换器结构设计出适合于变频控制终端的电源。由于采用了峰值 7 第l 章前言 电流型控制造成次谐波振荡，设计了斜坡补偿电路；为了使整个系统的动态特性较好， 建立反激式变换器、峰值电流控制及光耦的精确小信号模型，并利用m a t l a b 软件确 定补偿网络的参数；分析了反激式变换器中r c d 缓冲电路的重要性，选择了r c d 缓冲 电路的参数；设计了反激式变压器；最后给出p c b 布线中注意的问题及实验波形。 四、采用混合级联结构设计适用于变频控制终端的电源。由于输入电压高，且波动 厉害，故采用了先稳压，再变换的方案。前一级电路采用的是b u c k 三电平结构，主要 是起到降压、稳压的功能，后一级采用单端正激式变换器得到变频器控制系统所需的多 路电源。了解b u c k 三电平电路的工作特点，对其建立了状态空间模型，利用m a t l a b 软件选择合适的补偿网络结构及参数；结合其电路的特点，对单端正激式变换器采用了 一种新颖的有源箝位的方式，没有采用传统的第三绕组方案，使变压器磁通复位，并给 出高频变压器的设计流程；整个系统的启动电路采用的是直流继电接触控制配合开关电 源白启动的设计方案，简单可行，最后给出了实验波形及整个系统的性能分析。 五、对于特高压系统开关管驱动电路的电源隔离等级较高，研究了高频电流母线结 构这种拓扑结构。介绍了高频电压母线与高频电流母线的各自的特点及应用场合，设计 了主电路并分析了各部分环节的组成及实现的功能；由于加入c l 滤波网路后，电路的 工作过程状态变多，给出了理论分析的过程、采用p s p i c e 仿真软件的仿真波形、启动 电路、驱动电路及输出整流及过压保护电路；最后给出实验结果及相关波形分析。 六、对本文研究的主要内容、取得的成果进行简要的总结，给出了需要进一步解决 的问题。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章d c d c 变换器的工作原理及模型 2 1d c d c 变换器控制系统概述 d c d c 变换器是在开关器件交替导通与关断时，将输入侧的能量以磁场形式储存在 电感中，然后再经过电感、电容滤波的得到连续的电能量并传递给负载侧，将直流电压 转化成实际所需要的直流电压【1 6 1 。 理想的d c d c 变换器从电特性上可认为是一个“直流理想变压器 ，用来实现直流 变直流的功能1 9 1 ，如图2 1 所示，d ( f ) 为控制量，两端的伏安特性关系为： l 圪= d k k 去t q 4 式( 2 - 1 ) 中圪，圪，厶分别是输入、输出电压和电流的平均值，d 是开关器 件的占空比，是以d ( f ) 为参数的变量。 + 虼 一 图2 - 1d c d c 变换器的二端口伏安特性图 f i 9 2 1 v - ic h a r a c t e r i s t i co ft h eo u to fd c d cc o n v e r t e r 为了有效地实现电能之间的变换功能，并使系统安全、可靠地运行，d c d c 变换器 必须与其他功能模块相互配合，组成一个完整的控制系统，共同完成电能的变换与调节。 一个典型的d c d c 变换器控制系统的结构图【2 0 】，如图2 2 所示。它包括输入、输出整流 滤波电路、电压采样网络、p w m 调节器、驱动电路。由控制理论知识可知，整个系统 的静态和动态性能的好坏与闭环反馈控制器设计的好坏密切相关。当某一时刻系统的输 入电压，负载发生变化或系统受到其他外部因素干扰时，导致输出电压发生变化，这时 可通过负反馈回路调节d c d c 变换器中开关器件在一个开关周期内的导通时间，使输出 电压稳定。具体工作过程为：输出电压k 经采样网路得到能反映输出电压信号，与参考 9 第2 章d c d c 变换器的工作原理及模型 电压相比较，所得的偏差信号经补偿网路后得到电压信号，经过p w m 调节器得到控 制作用的脉冲序列艿( f ) ，并通过驱动器将脉冲放大，控制开关器件的导通与关断的时间， 便可使输出电压圪稳定于给定值上。控制输入d ( ，) 代表开关元件在一个周期内的占空 比，是脉冲序列艿( f ) 的函数，改变了d ( t ) 即可调节输出电压圪，被称为控制量。通常一 个完整的d c d c 变换器控制系统中还应包括a p f 环节、滤波、过压保护、过流保护、欠 压保护、启动电路、缓冲电路等辅助环节。 图2 - 2d c d c 变换器控制系统结构原理图 f i 9 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd c d cc o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m 2 2d c d c 变换器的基本拓扑结构 d c d c 变换器的拓扑结构是指用于转换、控制和调节输入电压，通过功率开关器 件与存储器件的不同配置而组成的电路结构。在实现上可分为两种基本类型：非隔离型， 在工作期间输入源和输出负载共用一个电流通路；隔离型，能量的转换是利用相互耦合 的磁性元件实现的，且从电源到负载借助于磁通耦合而不是共同的电流通路。 2 2 1 非隔离型变换器的拓扑结构 四种非隔离型d c d c 变换器有b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k b o o s t 变换器、 c u k 变换器，如图2 3 所示： 1 、b u c k 姗，其输出平均电压圪等于或小于输入电压，如图2 3 ( a ) 所示。输入 输出关系为：等= d ，d 为开关管的占空比。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 sl i il d 2 【 c 牛r | i1 ( a ) b u c k sd d ( b ) b o o s t ( c ) b u c k - b o o s t ( d ) c u k 图2 - 3 非隔离型d c d c 变换器的拓扑结构 f i 9 2 - 3t o p o l o g yo fn o n - i s o l a t e dd c d cc o n v e r t e r 2 、b o o s t 燃，其输出电压圪大于输入电压圪，如图2 3 ( b ) 所示。输入输出关系 为：毒。1 - 1 一d ，。为开关管的占空比。从b o o s t 变换器输入输出关系可知，对占空比。 必须限制，否则会造成输出电压太高。 3 、b u c k b o o s t 变换器是一种可降压、升压斩波电路，如图2 - 3 ( c ) 。输入输出关系为 琶= i d 历，。为开关管的占空比，当。 。 。5 时为降压，当o 5 。 1 时为升压，与 b o o s t 变换器相似对占空比d 必须限制。 4 、c u k 变换器是一种可降压、升压斩波电路，如图2 - 3 ( d ) 。与前面三种变换器比较， c u k 变换器是利用电容作为传送能量的元件，输入输出关系为毒2 而d ，d 为开关管 的占空比，当0 d 0 5 时为降压，当0 5 d 1 时为升压，对占空比必须限制。 2 2 2 隔离型d c d c 变换器的拓扑结构 隔离d c d c 变换器的拓扑结构是通过一个高频变压器或其他磁通耦合磁性元件实 现能量的传递。 1 、推挽型变换器与半桥型变换器，其电路结构如图2 4 所示，两只开关管交替导 通，通过变压器传递能量，负载侧经二极管d l 、d 2 全波整流后得到直流，工作原理和 第2 章d c d c 变换器的工作原理及模型 b u c k 变换器完全相同，输出电压与输入电压关系为：圪= 弓孝圪，其中m 、2 为变压 器的一次、二次侧绕组匝数，d 为开关管的占空比。 三他锄 一 a 旭毋 2 ；mb 叫 厂- 净易 + ( a ) 推挽式变换器( b ) 半桥式变换器 图2 - 4 推挽式与半桥式变换器电路 f i 9 2 - 4p u s h - p u l la n dh a l f - b r i d g ec o n v e r t e rc i r c u i t 2 、正激式变换器，如图2 5 所示。由b u c k 推演而得到的，通过变压器耦合的降压 型变换器。当开关管s 导通，通过变压器向负载侧传递能量，副边通过二极管日、d 2 全 波整流得到直流电压，输出电压与输入电压关系为：圪= 弓等k ，其中l 、2 为变压 器的一次、二次侧绕组匝数，d 为开关管的占空比。当开关管s 关断时，变压器释放能 量，二极管b 和绕组3 为此设计，将励磁能量通过它反馈到输入侧，绕组m 的能量就 转移到m 中，为防止变压器磁通饱和，对其磁通复位。 j a lj 沁l 仑牟刷 仍 l11 r l i 易井曩 l ! m 2 l 图2 - 5 正激式变换器电路 图2 - 6 隔离式c u k 变换器电路 f i 9 2 5 f o r w a r dc o n v e r t e rc i r c u i t f i 9 2 6 i s o l a t e dc u kc o n v e r t e rc i r c u i t 3 、隔离型c u k 变换器电路，如图2 - 6 所示。当开关s 断开时，流过电感厶的电流 给电容c l 充电，同时g 也充电。开关s 导通时，二极管d 变为截止状态，c 2 通过电感厶 向负载r 释放能量。 4 、电流变换器电路，如图2 7 所示，它是逆变整流型变换器。图2 7 ( a ) 所示为 能量反馈方式，开关s ( ) 导通时，电感器l 的一次侧的电压为一n u , ，其中 以= l 2 。电感三励磁并储存能量，最( 岛) 断开时，存储在电感三中的能量通过二极 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 岛s i 沁” h c 三他伤 e 他 叫 ， 手他幺 一 c ( a ) 能量反馈型( b ) 升压型 图2 7 电流型变换器电路 f i 9 2 - 7 c u r r e n t - m o d ec o n v e r t e rc i r c u i t 管d 3 反馈到输入侧。图2 7 ( b ) 所示为升压型变换器，当两只开关管同时导通时，加 在电感三上的电压为k ，电感三励磁并储存能量，任意一只开关管关断时，反向电压为 玎虬一圪，其中n = n l 2 ，加到电感三上， 电感三释放能量，其工作原理与b o o s t 变换 器相似。 5 、全桥变换器，如图2 8 所示。s l 、岛 及岛、& 两对开关重复交互通断，不允许上 手mb 叫 ，- 粤 他m 图2 8 全桥式变换器 f i 9 2 - 8f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r 下桥臂存在直通现象，经变压器传递能量，二次侧经过二极管整流、滤波得到直流电压， 工作原理与b u c k 变换器完全相同。 2 3d c d c 变换器的状态空间平均模型 d c d c 变换器控制系统是一个高阶、离散、非线性、时变的系统，主要表现在【2 1 】： 1 、主电路的时间常数远远大于控制电路的时间常数，从数学的角度看整个系统它 是一个病态系统，即描述系统方程的各个特征根实部相差甚大。 2 、在d c d c 变换器中，电力电子器件交替工作于导通与关断状态，主电路是分段 线性时变网络，主电路与控制电路组成的整个调节系统往往是一个高阶非线性系统。 3 、控制电路含有脉宽调制器，它是一个模数变换器，将连续变化的误差信号转变 为脉冲序列，通过驱动电路控制电路功率开关管的通与断，也是一个离散系统。 当d c d c 变换器运行在某一个稳态的工作点附近时，电路状态变量的小信号扰动量 之间的关系成线性的特性。在1 9 7 6 年，r dm i d d l e b r o o k 和s l o b o d a nc u k 提出了状态空间 平均法，一直被国际公认的p w m 控制的d c d c 变换器主要的建模、分析方法。对于连 续工作模式( c c m ) 下理想的d c d 变换器，不考虑寄生参数的理想p w