（模式识别与智能系统专业论文）半桥slr变换器的建模与参数优化.pdf

摘要近几年来，软开关电路系统非线性建模及动力学行为研究已逐渐成为电力电子领域研究的热点。因为软开关电路系统中的非线性现象研究不仅有助子揭示系统工作不规则现象的成因，保障系统的工作性能稳定，而且还可以促使产生相应的临界点控制方案，提高系统动态响应能力。然而，由于软开关电路系统普遍为高阶、多模态、工作频率负载依赖的系统，使适用于硬开关电路系统的基于固定周期的离散映射建模方法具有相当的局限性。本文主要研究了三个方面的内容：半桥s l r 变换器的稳定性分析和研究一种新的方法对软开关电路进行建模并对电路参数进行优化。谐振型开关调节系统是一种强非线性、离散的系统，要精确地建立其数学模型并从理论上得到系统的瞬态解和稳态解是较为困难的，更不能用经典控制理论设计控制器并研究其稳定性。本文从实际工程中遇到的难以设计谐振电感程谐振电容的问题出发，在分析了半桥s l r 变换器的工作方式及模态的基础上，推导出了电流断续工作方式下的输出电压与电路参数的关系表达式，从而得出了谐振参数的稳定区间，并在s i m u l i n k 中进行了仿真验证。所获研究结果与仿真结果一致。支持向量机是统计学习理论的重要组成部分，在研究小样本情况下表现出了极好的性能。支持向量机回归算法是一个新的算法，它具有很好的推广特性和非线性建模的能力，因而适合解决菲线性、大时延以及不易建模的系统的控制问题，因此本文首先介绍了支持向量机理论及其回归算法，从s i m u l i n k 模型仿真中提取了数据样本，运用s v m r 算法建立了半桥s l r 变换器输入一输出参数的黑箱模型。建模过程简单扼要，等效电路模型简明，便于实际工程中电路的分析和控制系统的设计。s v m 测试的结果验证了此方法建模的精确性和可行性。最后本文介绍了开关电源的优化设计的基本概念，讨论了最优化方法，并对半桥s l r 变换电路的参数进行了优化，优化后输出电压的波动很小，满足工程设计的要求。关键词半桥，串联负载谐振变换器，支持向量机回归，仿真建模，参数优化a b s t r a c tr e c e n t l y ，t h er e s e a r c ho nt h en o n - l i n e a rm o d e l i n ga n dd y n a m i c si nt h es o f t - s w i t c h i n gc i r c u f fs y s t e mh a sb e c o m et h eh o t s p o to nt h ep o w e re l e c t r o n i cf i e l d b e c a u s et h e ya r en o to n l yh e l p f u lt or e v e a lt h er e a s o no ft h es y s t e m si r r e g u l a rp h e n o m e n o n ，a n de n s n r et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m so p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，b u ta l s ou r g et op r o d u c et h ec o r r e s p o n d i n gc r i t i c a lp o i n tc o n t r o lm e t h o da n de n h a n c et h es y s t e m sd y n a m i cr e s p o n s ea b i l i 够h o w e v e r , t h ed i s c r e t e - m a pm o d e l i n gm e t h o db a s e do nf i x e dp e r i o di sl i m i t e d t h i sp a p e rm a i n l yc o n t a i n st h r e ea s p e c t s ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，m o d e l i n gw i t han e wm e t h o da n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no f h a l f - b r i d g es l rc o n v e r t e r t h er e s o n a n c es w i t c h i n gs y s t e mi san o n - l i n e a ra n dd i s c r e t es y s t e m i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hi t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dg a i nt h es y s t e m st r a n s i e n ta n ds t e a d ys t a t es o l u t i o nt h e o r e t i c a l l y w ec a l l tu s et h ec l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r yt od e s i g nc o n t r o l l e ra n ds t u d yi t ss t a b i l i t y p r o c e e d i n gf r o mp r a c t i c a lp r o b l e m st h a ti sd i f f i c u l tt od e s i g nr e s o l l a n c ei n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ev a l u e s ，a n do nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h ew o r k i n gm e d ea n dm o d e so fh a l f - b r i d g es l rc o n v e r t e r , t h i sp a p e rd e d u c e sr e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e no u t p u tv o l t a g ea n dc i r c u i tp a r a m e t e r si nt h ed i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，a n do b t a i n st h es t a b i l i t yi n t e r v a l so fr e s o n a n tp a r a m e t e r s ，t h e nv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s s 、v i ms i m u l i n k 耽es t u d i e da n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ei sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y , a n dd i s p l a y sa l le x t r e m e l yg o o dp e r f o r m a n c es t u d i e di nt h es m a l ls a m p l es i t u a t i o n s u p p o r tv e c t o rm a c h i n er e g r e s s i o ni san e wa l g o r i t h m ，a n dh a sav e r yg o o dp r o m o t e dc h a r a c t e r i s t i ca n dn o n - l i n e a rm o d e l i n ga b i l i t y t h e r e f o r e ，i tc a ns o l v et h ec o n t r o lp r o b l e mo fn o n - l i n e a r , b i gt i m e l a p s ea sw e l la st h en o te a s ym o d e l i n gs y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n et h e o r ya n dr e g r e s s i o na l g o r i t h m , a n dt h e ne s t a b l i s h e sa ni n p u t - o u t p u tb l a c kb o xm o d e lo fh a l f - b r i d g es l rc o n v e r t e rw i t ht h ed a t as a m p l ep i c k e df r o mf o r m e rs i m u l a t i o nb a s e do ns v m ra l g o r i t h mf o rt h ef i r s tt i m e m o d e l i n gp r o c e s si ss i m p l e ，a n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li sc o n c i s e ，a n di ti sc o n v e n i e n tf o rc i r c u i ta n a l y s i sa n dt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g ni nt h ea c t u a lp r o j e c t t h es v mt e s tr e s u l t sv a l i d a t et h a tt h em o d e l i n gb a s e do ns v 瓜i sa c c u r a t ea n df e a s i b l e f i n a l l yt h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo p t i m i z e dc o n c e p t sa n dm e t h o d so ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , a n dt h e no p t i m i z e dt h eh a l f - b r i d g es l rc o n v e r t e rp a r a m e t e r t h er e s u l t so ft h eo p t i m i z a t i o na r et h a tt h eo u t p u tv o l t a g er i p p l ei sv e r ys m a l l ，a n ds a t i s f yt h er e q u e s t so ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d sh a l f - b r i d g e ，s e r i e sl o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n er e g r e s s i o n ，s i m u l a t i o na n dm o d e l i n g ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：童4 丝日期：二吐年上月屋日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。期：2 画年立月卫日硕士学位论文第一章绪论1 1 软开关技术第一章绪论1 1 1 软开关技术的提出开关电源技术早在上世纪6 0 年代就出现了，后来，随着电力电子技术迅猛发展，广泛应用于工业装置、计算机、航空航天、通信系统、交通运输等领域。硬开关的开关方式是通过控制门极来控制的，开通电压或关断电流相当大，造成很大的开关损耗。由于现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化发展，为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性、体积小和重量轻，必须实现开关电源的高频化。开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积。增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的音频噪声，从而己成为新的发展趋势。然而功率变换器开关频率的进一步提高将受以下因素的限制：在通断瞬间切换过程中，功率器件的开关应力、开关损耗、剧烈的d i d t 和d u d t 冲击及其产生的电磁干扰( e m i ) i t l 。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用电感和电容谐振的原理，使开关器件中的电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断( 即零电流关断) 或电压为零时，使器件开通( 即零电压导通) 。开关器件在零电压或零电流条件下完成的导通与关断过程，开关损耗理论上为零【2 】。因此，它可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题。软开关技术的应用使电力电子变换器具有更高的效率一自身损耗大大降低，更高的功率密度一自身体积、重量大大减小，以及更高的可靠性，并可以有效地减小电能变换装置引起的电磁污染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) 问题，为在2 l 世纪大力发展绿色( 无公害或低公害) 电力电子产品提供了有效的方式和方法。1 1 2 软开关技术的发展历程直流开关电源的软开关技术的发展经历了以下四个阶段1 3 1 1 4 1 ：( 1 ) 谐振变换器谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 实际上是负载谐振变换器，在2 0 世纪7 0 年代最早被提出来，它能够通过在标准p w m 变换器结构上简单地附加谐振网络的方法来整定电压和电流的波形，使大电压和大电流不能同时出现，这样就大大减少了开关应力和功率损耗。按照谐振元件的谐振方式，谐振变换器可分为串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n t硕士学位论文第一章绪论c o n v e r t e r ，s r c ) 和并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，p r c ) 两类；按负载与谐振电路的连接关系，又可分为串联负载谐振变换器( s e r i e sl o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s l r c ) 和并联负载谐振变换器( p a r a l l e ll o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p l r c ) 。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振，使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形，开关元件在电流或电压的过零处开通或关断，实现软开关过程。( 2 ) 准谐振变换器和多谐振变换器2 0 世纪8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心( u p e c ) 的李泽元教授等研究人员提出了谐振开关，即在标准p w m 变换器结构上简单地附加谐振网络的方法而得到，它也是准谐振变换器中最关键的部分。因电路工作在谐振的时间只占一个开关周期中的一部分，故称为准谐振。准谐振变换器通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦变化，从而创造出零电流或零电压开关条件，极大地减小了变换器地开关损耗和开关噪音。由于准谐振变换器不能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件，因此，之后又提出了多谐振变换器。因电路中谐振拓扑和参数不止一个，故称为多谐振。( 3 ) 零开关p 删变换器谐振变换器能够通过谐振来整定电压和电流的波形，使大电压和大电流不能同时出现，大大减少了开关应力和功率损耗。但也存在缺点：谐振使电压峰值很高，要求所用的器件耐压性能好；电流的有效值很大；另外，在准谐振变换器和多谐振变换器中，输出电压的调节是通过调节开关频率来实现的，当负载和输入电压变化范围很大时，开关频率也需要大范围变化，变化的频率为变压器和滤波器的设计造成了困难。为此，又提出了零开关p 删变换器。零开关p 雕变换器包括零电压( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ，z v s ) p 删变换器和零电流( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ，z c s ) p 咖变换器。零开关p w m 变换器是在准谐振软开关的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现p w m 控制。它只利用谐振实现换相，换相完毕后仍采用p 哪工作方式，从而既能克服硬开关p 删在开关过程中的几大缺陷，又能保留硬开关p w m变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。( 4 ) 零转换p 删变换器在零开关p e v l 变换器中，谐振电感串联在主功率回路中，因此，电路总是存在着很大的环流能量，增加了电路的导通损耗；另外，电感储能与输入电压和输出负载有很大的关系，使得电路的软开关条件极大地依赖于输入电源和输出负载的变化。为了解决这些问题，零转换p w m 变换器被提出了。零转换p w m 变换器包括零电压转换z v t - p 删变换器和零电流转换z c t - p i n i 变换器。2硕士学位论文第一章绪论在开关转换期间，并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后，电路又恢复到正常的p w l v l t _ 作方式。其谐振网络与主开关并联，不需要处理很大的环流能量，从而减小了辅助电路的损耗，且软开关条件与输入电源和输出负载的变化无关。因此，零转换p w m 变换器既克服了硬开关p w m 和谐振技术的缺点，又综合了它们的优点，在中大功率场合得到广泛应用。近年来研究人员对零转换技术大为关注，出现了许多零转换电路拓扑结构，但各种电路拓扑总是存在不同形式的缺陷。以上各种软开关变换技术在实际的d e - d ep w m 变换器的设计中的应用越来越广泛，比较典型的有：零开关的正激、反激或正反激组合式变换电路，全桥移相式z v s变换电路，全桥移相式z v z c s 变换电路以及采用z v t 、z c t 技术的有源功率因数校正电路等，可见，软开关技术在d c - d cp w m 变换电路中的良好应用前景。1 2 非线性系统的建模1 2 1 直流开关变换器的建模方法直流开关变换器的建模方法经历了由数值法到解析法，由离散解析法到连续解析法( 平均法) 的不断发展的过程。数值法所得的结果，物理概念不明确，很难提供电路工作机理的信息而且计算量过大。离散解析法精确，但所得结果的表达式比较复杂，物理概念不明确，难以处理非理想元件，不便于设计，很难在工程实际中广泛应用讲平均法一直是d c d c 开关变换器建模理论中最为重要的建模方法，主要有状态空间平均法和电路平均法嘲。状态空间平均法是开关变换器的基本分析方法，可进行稳态和动态小信号的解析分析，此方法有着重要的实用价值，至今仍受欢迎。但在进行状态空间平均变换处理时要求开关变换器的开关频率远远大于电路谐振频率且状态方程中输入变量为常数或缓慢变化量，因此只能用在扰动频率比开关频率低很多的情况，不适用于谐振变换器。电路平均法是从变换器的电路出发，对电路中的非线性开关元件进行平均和线性化处理，得到线性等效电路模型，其最大优点是等效电路模型与原电路拓扑一致。但该方法只用于理想开关器件的建模分析川。综上所述，随着d c - i ) c 开关变换器的发展，其建模方法的发展趋势是：1 状态空间平均法在考虑寄生参数的非理想p w md c - d c 开关变换器的建模分析中的推广应用：2 电路平均法的非理想d c - i ) c 开关变换器的建模，考虑寄生参数，等效电路模型与开关变换器的拓扑结构保持不变，并保留原电路的全部信息：3 建模过程要简单扼要；4 等效电路模型要简明、有效、实用；5 物理意义要清晰，便于设计。3硕士学位论文第一章绪论1 2 2 非线性建模理论研究现状经典的控制理论都是以线性模型为基础的，线性系统建模的理论和方法比较成熟。而实际系统的模型大多是非线性的，因此，非线性模型更具有一般的表达能力，可以更精确地表达真实系统的模型。非线性系统没有统一的建模方法，建立系统模型是非常困难的，有时甚至是不可能的。传统的基于建立数学模型的控制系统的设计方法，无法满足非线性系统的控制要求。因此如何摆脱对受控系统数学模型的依赖对受控系统的影响，也即如何仅用系统的输入和输出的关系数据来设计控制系统，实现系统的不依赖受控系统数学模型或者实现未知非线性系统的黑箱无模型的控制理论的研究，不仅在理论上，也对控制理论在实际中的应用都具有重要的意义1 8 j 。黑箱建模方式，在理论上突破了现代控制理论一直沿用至今的思考方式，摆脱了现代控制理论的“孪生”问题，使得现代控制理论变成了真正的控制论而非模型论。在实际应用中，使工程师们更容易设计控制系统，因而容易接受。传统的非线性黑箱模型的建模方法有泛函级数法、多值非线性法、双线性系统法、参数估计等方法。泛函级数法是v o l t e r r a 在研究非线性解析泛函将非线性输入一输出关系表示成v o l t e r r a 级数的非线性建模方法。这种方法的优点是能用此展开近似表示很大的一类非线性系统。然而这种算法具体实现时难以产生独立输入及协调验前信息，被估计的结果很难与物理系统相联系。双线性系统是最近几年受到重视的非线性建模方法，但这种方法大多很难执行，或者仅适用于简单的双线性系统。非线性系统的参数估计方法在模型结构先验知识己知的系统中研究相当广泛，但在先验知识较少或不知道的情况下，模型结构和输入输出数据的选取却很困难，影响辨识模型的精度【9 j 。神经网络是近十几年来迅速发展的一种建模方法。它依据被控系统的输入输出数据对，通过学习得到一个描述系统输入输出关系的非线性映射。给定一个输入即可得到一个输出，而不需要知道输入和输出之间存在怎样的数学关系，因此是目前非线性系统建模中受欢迎的一种建模方法。神经网络中的前馈神经网络和r b f 神经网络是用得比较多的方法。神经网络具有对任意非线性映射的任意逼近能力，利用这种性质来模拟实际系统的输入一输出关系；神经网络具有自学习、自适应能力，利用这一性质可以方便地给出工程上易于实现的学习算法。与传统的非线性辨识方法不同的是，神经网络建模不受非线性模型的限制。但神经网络在也存在一些严重的问题，如对不同的非线性对象如何选择合适的模型，如何确定神经网络的结构( 神经网络类型、隐层层数等) 、隐节点的个数等过分依赖经验模型；模型对应物理对象的意义不明确，对象的物理特性如何与神经网络模型的参数相对应；其他还有诸如存在局部极小点问题、过学习问题等。这些缺陷严重降低了其应用和发展的效果。支持向量机与神经网络相比具有如下优点：1 结构固定。采用固定的三层结构，隐节点个数由支持向量确定。4硕士学位论文第一章绪论2 具有完备的理论基础。采用优化方法确定支持向量，因而具有完备的理论基础。3 具有全局最优解。训练算法最终将转化为一个二次型寻优问题，从理论上说，得到的将是全局最优解，解决了神经元网络方法中存在的局部极值问题。4 结构风险最小解决了神经网络等学习算法的过学习问题。支持向量算法是基于统计学习理论的结构风险最小化原则的，与传统的算法不同，它不仅优化经验风险，而且通过最大化分界面来控制模型的复杂度，从而有效地避免了过学习现象，为模型选择问题提供了很好的思路。5 针对小样本的建模问题。它是专门针对有限样本情况的，其目标是得到现有信息下的最优解而不仅仅是样本数趋于无穷大时的最优值，而传统的建模方法实质是针对样本无穷的建模方法，造成了实际实现的困难。6 算法将输入空间中的训练样本通过非线性变换转换到高维的特征空间中，在高维空问中构造线性判别函数来实现原空间中的非线性判别函数，并能保证机器有较好的泛化能力，同时它巧妙地解决了维数问题，其算法复杂度与样本维数无关。因此，采用支持向量机回归建模是非线性建模中理想的方法，支持向量机回归算法建模的研究是一个新颖且具有发展前途的研究方向。1 3 课题来源及研究意义本课题来源于湖南省机械健康维护重点实验室开放基金项目( 2 0 0 4 ) 一电力机车动车用d cl l o v 大功率开关电源。现在广泛采用的电力机车和电动车组用l l o v 控制电源是1 9 7 0 年代从s s i 一1 3 1号机车开始研制生产的，该电源虽经不断改进，但由于原理性的问题，仍然存在下述主要缺点：电源稳压性能差，反应速度低，动态性能不好；输出谐波大，易对其他设备形成干扰；功耗大，效率低；体积大、重量大；可靠性差；容易造成机车微机系统死机。具有效率高、体积小、重量轻等特点的开关电源在航空航天、通信、计算机等各个领域得到了广泛的应用。开关电源的核心是开关变换器，近年来，开关变换器的研究在国际国内形成热潮，而当前研究热点之一是开关变换器的建模及其控制方法，这是电路分析设计的关键环节。在建模方面，由于大多数开关电源开关变换器在闭环工作时是属于时变非线性周期性工作的系统，传统的经典分析方法( 如拉氏变换等) 已经无法直接应用，这就要求运用新的方法来进行建模分析，并使分析方法更加趋于简化、准确、全面和完善。谐振型软开关逆变电路自1 9 8 6 年以来，受到了国际传动界的广泛关注，它与传统的硬开关逆变电路相比，虽然有很多明显的优势，但软开关逆变器目前还远未达硕士学位论文第一章绪论到成熟的程度，在实际中也还未像软开关d c d cp w m 变换器那样得到广泛应用，还有许多问题需要作进一步的研究。如：如何通过比较简单的拓扑结构实现逆变器的软开关，同时并不增加开关器件的电压或电流应力；什么样的控制方式更适合软开关逆变器；怎样设计高频谐振电感更合理、更有效；怎样制作大功率、高频率下的工作电容等。对于软开关逆变器，大多数关于谐振电路的原理和拓扑已经建立，今后所面临的挑战将是如何减少谐振电路中元器件的数量，并简化谐振变换器的结构1 1 0 i 。各国的专家学者们目前在这一研究领域仍在做着不懈的努力。人们公认，这种类型的逆变器将是下一代逆变器的发展主流。串联负载谐振逆变电路输出的电压是方波，而输入电压是恒压源，所以该逆变电路称为电压型【l ”。逆变发生在谐振频率或谐振频率附近时，可以获得正弦或接近正弦的输出电流。半桥的特点是结构简单、效率高，与全桥逆变电路相比少用两个功率开关管，在中小功率应用范围内是非常实用的基本电路之一，研究该电路对掌握电力电子技术有重要意义。本文在电力机车动车用d cl l o v 大功率开关电源项目的基础上，主要研究d cf l o g谐振变换器的建模和电路参数的优化问题。用于回归估计的支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，s v 吣方法可以任意精度逼近任意非线性函数，因而可以将其用于复杂非线性系统建模和控制。d c d c 开关变换器的建模研究是当前电力电子技术领域的研究方向之一，是电路分析设计的基础。因此，运用s v m 理论来研究半桥串联负载谐振( s l r ) 逆变电路的建模可以使电路分析设计准确方便，对开关电源技术发展的具有重要的理论和实践指导意义。1 4 本文的研究内容本文给出了半桥串联负载谐振变换器工作的稳定区间，及变换器稳定工作时谐振电容、谐振电感的工作条件。然后在s i m u l i n k 仿真环境下建立s l i i 变换器的模型并仿真，分析了仿真结果与理论分析的一致性。最后运用支持向量机回归算法建立了系统的黑箱模型，并在文中最后讨论了电路参数优化问题。第二章首先给出了半桥逆变的基本电路拓扑结构，分析其工作原理及工作波形。并简要介绍半桥逆变电路的两种控制方式。第三章详细分析了半桥s l r 逆变电路拓扑的构成原理，它的工作过程分析是主要内容。并给出理论推算得到的不同，：与正比值情况下，电路的两类软开关实现方式，还总结了s l r 电路的特点和设计方法。第四章先给出了谐振变换电路的控制方式，然后通过对断流工作方式及其模态的分析，推导出了输出电压与电路各参数之间的关系，给出了电路的稳态区间。最6硕士学位论文第一章绪论后对工具软件m a t l a b s i m u l i n k 作简单介绍，给出根据基本半桥s l r 逆变电路建立仿真模型。依据前期理论分析，通过计算和实际情况预设定初始参数，得到期望波形；修改关键参数，得到频率变化时波形变动，从而分析半桥s l r 电路工作环境及其稳定性。第五章是论文的重要部分。统计学习理论是研究关于小样本的学习理论，支持向量机理论是统计学习理论最核心的部分。本章系统地介绍了学习机器的一般方法、复杂性、推广性能的有关理论以及关于统计学习理论的特点、内容的介绍，其目的是为了说明支持向量机与支持向量机回归所具有的特点。在其后对支持向量机和支持向量机回归的基本概念和学习的机理进行了深入地探讨。最后在前面支持向量机回归算法的基础上，根据支持向量机在非线性系统建模领域的优势，建立了半桥串联负载谐振电路的黑箱模型，并对模型中的参数优化的方法进行了总结。第六章在s v m 模型的基础上讨论了开关电源的优化设计的原理及最优化方法，最后对半桥s l r 变换电路的参数进行优化。第七章对全文进行总结，并对今后工作做出展望。7硕士学位论文第二章半桥逆变技术的基本原理第二章半桥逆变技术的基本原理半桥变换器开关管承受的电压为电源电压，故可应用在电源电压较高的场合。半桥变换器是由半桥逆变器、高频变压器，输出整流和滤波电路组成的，因此也属于直流一交流一直流变换器。2 1 开关型逆变器的概念2 i 1 概述开关型直一交逆变器将直流电源变换为幅值及频率均可控制的正弦交流输出，用来驱动交流电机或作为交流不问断电源。开关型直一交逆变器用于驱动交流电机的方框图如图2 - i 所示。它对输入的交流电源进行整流和滤波，得到的直流电压作为直一交逆变器的输入，再通过逆变器产生交流负载所需的幅值和频率都可调的交流电压输出【12 】【1 3 l 。二极管滤波开关型整流器电容器变换器图2 - 1 驱动交流电机的开关型变换器二极管滤波开关型整流嚣电容器变换器图2 - 2 可再生制动的交流电机j 驱动装置图2 - 1 所示的是一个功率方向可反转的变换器。但在大部分时间内，变换器工作在逆变器方式，功率从直流侧流向交流侧的电机。因此，这种开关型变换器通常被称为开关型逆变器。交流电机再生制动时，电机转子以及负载中的动能被转换成电能，电机运行在发电机状态，电机转速下降。在电机制动过程中，功率从开关型变换器的交流侧流向直流侧，变换器工作在整流方式。电机制动工程中再生的能量可消耗在电阻上，但更好的制动方法是回馈制动，即将电机及负载中的惯性动能反馈回电源。在实际应用中制动过程是频繁发生的，显然，采用回馈更为经济。为了实现回馈制动，连接直一交逆变器与电网的变换器必须是电流可反向、两象限运行的。在电动机正常运行时，变换器工作于整流器方式，而当电动机制动时，变换器工作于逆变器方式。这种电流可反向的二象限变换器既可采用背靠背反并联的工频可控硅变换器实现，也可用如图2 - 2 所示的开关型变换器实现。8硕士学位论文第二章半桥逆变技术的基本原理根据逆变器输入端直流电源的性质，直一交逆变器可分为电压源型逆变器( v s i ) 和电流源型逆变器( c s l ) 。在本章中，将主要讨论目前广泛应用的单相及三相电压源型逆变器。电流源型逆变器目前的应用范围较窄，一般仅用于容量极大的交流电机驱动。电压源型逆变器又可以进一步分成以下三种基本类型 1 4 1 ；1 脉宽调制( p r o ) 逆变器。在这种逆变器中，加在逆变器输入端的直流电压基本不变。逆变器通过对开关元件进行脉宽调制，控制其输出的交流电压幅值和频率。为了使逆变器的输出电压尽可能接近正弦波，有多种可供选择的控制方式。2 方波逆变器。这种逆变器的输出电压近似为方波，方波逆变器一般控制输出电压的频率，输出电压的幅值通过控制输入直流电压的大小来控制。因而，要求连接交流电网与逆变器的整流器是可控的。3 单相电压对消型逆交器。在单相逆交器中，可以结合上述两种逆交器的特点，在逆变器的输入为恒定直流电压且逆变器输出为方波时，通过对逆变器中开关的控制，使得逆变器输出电压的幅值( 基波分量) 及频率都是可控的。这种控制方法不能直接用于三相逆变器，但可采用三个单相电压对消型逆变器用于三相场合。2 1 2 主电路中逆变电路形式几种功率变换电路及其特点如下( 见表2 1 ) ：1 单端正激式直流一直流变换器( 1 ) 两个正激式变换电路并联，功率增大1 倍，输出频率增加1 倍，纹波及动态相应得到改善。( 2 ) 取消了反馈绕组，降低了变压器的制作工艺要求。( 3 ) 具有死区限制特性，两部分电路不存在共态导通问题，可靠性高。( 4 ) 导通时输入馈电给负载，截止时副边侧电感供电给负载。( 5 ) 单管正激，开关管的最大电压为两倍输入电压值。( 6 ) 变压器利用率不高( 仅使用磁滞回线的第一象限) ，制作上要加馈能绕组。( 7 ) 由于双管正激并联电路具有输出功率大、输出方波频率加倍、易于滤波、开关管耐压值减半约等于输入电压、取消了变压器馈能绕组等优点，因此广泛应用于大功率变换电路中，被认为是目前可靠性较高，制造不复杂的主要电路之一。2 单端反激式变换电路( 1 ) 在开关导通期间，副边二极管反偏；截止时，二极管正偏，供给负载功率。( 2 ) 开关管集电极承受的最大电压值为输入电压与输出电压峰值折算到原边9硕士学位论文第二章半桥逆变技术的基本原理的和。( 3 ) 利用率不高( 单方向) 。( 4 ) 一般用在小功率输出场合。3 推挽式功率变换电路( 1 ) 由于功率开关器件的发射极是共地的，所以无需隔离基极驱动电路，从而使驱动电路简化。( 2 ) 使用两个功率开关器件可获得较大的功率输出。 瞒闭厶，一孚么椭朴骗7 7 aaaaa fv ；vvvvvw 惮鞘v v 卜l i锻。( ) l徘网10 00 几一u0400 【ji 蒯挫= | 吐托l ；图2 - 5 脉宽调制( p 啪由于两个开关不会同时关断，输出电压。在圪，2 和一，2 之间交替变化。它的基波分量如图2 - s ( b ) 中的虚线所示。的频谱如图2 - 6 所示，图中给出了主要谐波电压的标幺值( n l ( 以1 2 ) ，# i l l a = 吃吃为幅值调制率，_ = z m 为频率调制率。从图2 - 6 ( m 。1 o ) 中可得出以下三条结论：1 21 0o 8o 60 4o 2o 0图2 - 6p l l g 频谱图1 基波分量的峰值为圪2 。根据全桥直一直变换器中p 硼控制讨论知，对于给定的，变换器在一个开关周期上的平均输出电压矿m 取决于与y 0 的比值：瓦：耋肇e s 既( 2 2 )y “2在直一交p 跏逆变器中，由于所，较大，在一个开关周期中，可认为匕为常量。因此，在一个开关周期上的输出电压平均值仍可用上式求出。逆变器输出电压的硕士学位论文第二章半桥逆变技术的基本原理平均值的变化可看作是与控制电压按同样规律变化的正弦波电压，这也是选择正弦波作为控制电压的原因。一个频率为石、幅值为v 。的正弦波控制电压可表示为；v c = 免s i r i q f( 2 3 )式中v 。矿一由式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 以及前面的讨论可知，逆变器输出电压的基波分量( 。) 。按正弦规律变化，且与k 同相：心) 。：尝s i n 咿导：m a - s i n e r t 孚( - 式( 2 5 ) 表明，在正弦波输出的p 哪逆变器中，输出电压基波分量的幅值与成线性关系，而线性关系成立的条件是0 巩 9 。在这种情况下，输出电压中谐波的幅值几乎与m ，无关。脚，只影响谐波的频率。理论上，输出电压中的谐波频率可表示为：正= ( 加r | ) 石( 2 - 6 )式中下标h 为谐波次数，即；h = j r f l f j ( 2 7 )当，为奇数时，仅有k 为偶数值的谐波存在；而当_ ，为偶数时，仅有k 为奇数值的谐波存在。对于基波，可认为h = l 。3 m ，应为奇数。当m ，为奇数时，输出电压关于原点奇对称，即八一f ) = 一厂( f ) ，且半波对称，即，( r ) = - f ( t + t , 2 ) ，如图2 6 所示，其中r f t f = 1 5 。因此，v 。中仅含有奇次谐波而不含偶次谐波。在傅立叶级数展开式中，只有正弦项的系数，而余弦项的系数为零。开关频率z 的选取应考虑多种因素。从滤波的角度考虑，应选用较高的开关频率，因为高次谐波的滤波相对来说较为容易。但逆变器的开关损耗与开关频率成正比，从损耗的角度考虑，开关频率一般选择为低于6 k h z 或者超越可听范围的2 0 k h z 以上。在实际选择开关频率时，往往要在考虑多种因素的基础上权衡。例如，在某一逆变器中，从整个系统的性能考虑，开关频率的优选结果在6 k h z到2 0 k h z 之间；开关频率在2 0 k h z 以上将消除可听噪声，但这将使得开关损耗增加。最终实际采用的开关频率要根据具体情况而定。逆变器用于不间断电源时，对于输出电压的畸变有较严格的要求，一般不采1 4 ,硕士学位论文第二章半桥逆变技术的基本原理用过调制p 删控制方式；逆变器用于感应电机驱动时，经常采用过调制控制方式，以得到较大幅值的输出电压。足够大时，逆变器的输出电压波形从脉宽调制波退化为方波。( 二) 方波控制方式逆变器采用方波控制方式时，逆变器桥臂中的每个开关交替导通半个周期( a p1 8 0 。导通) 。这种控制方式下逆变器的输出电压波形也为方波。通过傅立叶分析，可得到输入电压为乃时，输出电压的基波分量峰值以及各谐波分量：以) 。：! 皂：1 2 7 3 皂( 2 8 )7 二z，o ，旷。) 。：! 华五( 2 9 )栉由前面的讨论可知，输出电压中只包含奇次谐波。因此，式( 2 - 9 ) 中谐波次数h 只取奇数值。方波控制方式实际上是正弦波p 州控制在巩取很大值时的一个特例。由于信号与三角载波仅在控制信号的过零点相交，显然，此时输出电压与巩无关。方波控制方式的主要优点，是逆变器中开关元件的动作次数较少( 在输出电压的每一周期中只动作两次) ，这在功率极大的应用场合是很重要的。大功率的电力电子开关元件的开通和关断速度通常较慢，而且，在极大功率的应用中开关损耗也是不可忽略的。方波控制方式的主要缺点，是逆变器不具备调节输出电压幅值的能力。因此，着逆变器采用方波控制方式，逆变器输入端的直流电压乃必须可调，以满足控制逆变器输出电压幅值的需要。通常可采用可控整流器。2 2 半桥逆变器的工作原理2 2 1 无回馈能量情况( 无续流电路)“) 常用电路图2 - 7 半桥逆变器( b ) 等效电路如图2 - 7 所示为半桥逆变器【1 5 l 。为了得到中点，将两个容量相等的电容器1 5硕士学位论文第二章半桥逆变技术的基本原理串联后跨接在直流输入的两端。由于电容器的电容量足够大，逆变器工作时可认为电容器两端的电压保持不变，均为2 ，从而它们的连接点“矿的电位相对于负直流母线而言保持常值。逆变器采用p w m 控制方式时，输出电压波形将与图2 5 ( a ) 所示波形完全一致1 1 6 l 。由于两电容器的电容量相等且足够大，无论逆变器中的开关元件的状态如何，输出电流总是在电容器c l 和c 2 之间均分的。在图2 7 ( b ) 半桥逆变器等效电路中，s 闭合时c l 放电、c 2 充电，闭合时c 2 放电、c l 充电。若s 闭合视为正半波，则& 闭合为负半波。对于消耗在r 上的有功功率，正负半波皆可等效为一个图2 8 所示r c 电路的零输入响应，其中：c = c + c 2 。c图2 - 8 简化等效电路图2 8 中，正半波时的v c 即为图2 7 ( b ) 中的配。，s 即为s 。同理，负半波时虬为玩：，s 为s 2 。若设c 上的电压初始值玑i ，- o = 0 。图2 7 ( b ) 中的s 闭合后，若设最大脉宽为o ，便可求得u c l 。l = u c = u e ”o t o 时屯( f ) 却( 小l ) o o s q ( h ；o ) + 孕吣)o ) = 屹一( 圪一o ) c o s c o , ( t f o ) + z r ( l o - l o ) s i n o , ( t t o )若= o ，= 厶，则：屯吐+ 孥s h l q )v c o = 屹 1 - c o s c o , ( t - t o ) 】( 3 5 )( 3 - 6 )( 3 - 7 )( 3 - o )( 3 1 0 )( 3 - 1 1 )( 3 - 1 2 )3 1 3 串联负载谐振电路图3 - 3 为串联负载谐振电路，品质因数q 是谐振回路特性的重要参数。q = 警= 去= 鲁协其中r 为负载电阻。工，cqq( a ) 串联负载谐振回路( b ) 幅额特性( c ) 相额特性图3 - 3 串联谐振电路的谐振特性2 1硕士学位论文第三章半桥s l r 变换技术保持盂不变，以q 作为参数，输入阻抗z ，随角频率国。变化的一簇幅频特性曲线如图3 - 3 ( b ) 所示。从图中可看出，当q = q 时，z j 为与r 相等的纯电阻；q 越大，五对于。的变化越敏感。电流滞后相角口( _ 日一见) 随角频率特性曲线如图3 - 3 ( c ) 所示。当角频率国。低于q 时，容抗大于感抗，电路呈容性，电流超前于电压；当角频率口，高于缉时，感抗大于容抗，电路呈感性，电流滞后于电压。3 2 半桥s l r 变换器的基本原理3 2 1 拓扑结构半桥结构的串联负载谐振( s