（电力电子与电力传动专业论文）12kw+28vdc125vdc变换器的研制.pdf

1 2 k w2 9 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 a b s t r a c t h i g h p o w e ra n dl o w - i n p u tv o l t a g ed c d cc o n v e r t e ri sr e q u i r e di no n e “8 6 3 p r o g r a m ”p r o j e c t b a s e do nc o m p a r i s o no f d i f f e r e n td c d cc o n v e r t e r s p u s h p u l l f o r w a r dc o n v e n e r ( p p f ) i ss e l e c t e da sm a i nc i r c u i tp r o t o t y p e f o rh i g hp o w e r s y s t e m ，p a r a l l e lt e c h n o l o g yo f m a n y d c d cm o d u l e si sa d a p t e d i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ep p fi si n t r o d u c e d t h ep r o b l e m so f f r e e w h e e l i n gc u r r e n ta r ed e t a i l e d a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d ，w i t ht h e r e s u l t s t h a t ，t h ep r o p e r s e l e c t i o no fc l a m p i n g c a p a c i t o r t r a n s f o r m e rl e a k a g e i n d u c t a n c ea r ec r i t i c a lt ot h ep r o p e rw o r k i n go ft h ec o n v e n e r t h e n ，t h i sp a p e r d e s i g n sp r o t o t y p eo f 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d cm o d u l ea n da n a l y z e sp o w e rl o s s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp p fi ss e tu pt oo p t i m i z ec o n t r o lp a r a m e t e r s i no r d e rt oi m p r o 【! f et h ea e e 砒a c yo fc u r r e n ts h a r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t s an e wc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d - - - d i r e c tc u r r e n ts h a r i n gi nc u r r e n tl o o p ，t h i sm e t h o d i s a d a p t e dt oa p p l yi n 1 2 k w2 8 v d c 12 5 v d cc o n v e r t e rs y s t e mc o n s i s t e do fs i x 2 k w2 8 v d c 12 5 v d cm o d u l e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h a tt h i sc u r r e n t s h a r i n gm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sh i 【g h a c c u r a c y , f l e x i b l yd y n a m i c p e r f o r m a n c e ，s i m p l ec o m m u n i c a t i o na m o n ge v e r y m o d u l ea n d h i 。曲r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：p u s h p u l lf o r w a r d ， p a r a l l e lo p e r a t i o n ， d c d cc o n v e n e gc u r r e n ts h a r i n g ， m a t h e m a t i c a lm o d e l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 2 丝 巡惜 7 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 注释表 输入电源电压 输入电压 输出电流 电容x 推挽正激变换器 电流环误差电压 均流母线 变压器初级绕组匝数 变压器次级绕组匝数 变压器副边绕组和原边绕组匝比 变压器初级绕组 变压器次级绕组 推挽正激变换器拓扑箝位电容 m o s 管寄生的反并二极管 m o s 管寄生的结电容 二极管x m o s 管漏源极间的电压 箱位电容电压 滤波电感 滤波电容 变压器励磁电感 变压器漏感 开关周期 m o s 管每个周期开通时间 工作的占空比 环流 电流 厶g阱她瞩聍l c矾g陂巩h g k b疋d厶 。 南京航空航天大学硕 ：学位论文 电源输入能量 电源输出能量 一个工作周期内，电感电流最小值 一个工作周期内，电感电流最大值 箝位电容电压脉动量 箝位电容电压脉动量最大值 电容寄生等效电阻 效率 变换器输出限流值 工作频率 铁的填充系数 变压器绕组填充系数 变压器工作磁密 电流密度 磁心窗口面积 磁心有效面积 整流二极管导通压降 输出滤波电感在额定输出时引起的导通电压 实际工作的最大占空比 实际工作的最小占空比 变压器原边绕组的电流有效值 变压器副边绕组的电流有效值 原边铜皮的截面积 副边铜皮的截面积 铜皮的宽度 穿透深度 原边铜带的厚度 副边铜带的厚度 电感电流临界连续工作电流 电感电流有效值 气隙的长度 k觚瞰刁恐衄，也哳枷梳k嚷 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 输出电压纹波 环境温度 m o s 管导通电阻 整流管上的反向电压 整流管的电流有效值 快恢复外延型二极管 线路上的杂散电感 变压器副边的漏感 输入电流的瞬态变量 二极管整流后脉冲电压的瞬态变量 输入电压的瞬态变量 变量x 在一个开关周期内的平均值 电感电流采样系数 输出电压采样系数 相角裕度 幅值裕度 截止频率 三角波峰峰值 m o s 管导通损耗 驱动损耗 m o s 管驱动上升时间 m o s 管驱动下降时间 绕组等效的直流电阻 铜的电阻率 铜带绕组的长度 磁心单位体积损耗 变压器的总损耗 整流电路的损耗 电感的总损耗 线路上总的损耗 系统计算效率 批lh o：瓢蜀凰：未乏篆k 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 某飞行器演示样机研制及试验的项目需要将某型飞机的2 8 v 直流电变换成 1 2 5 v 直流电供电动机等负载使用，功率等级：1 2 k w 。在低压输入大功率的系 统中，单个d c d c 变换器模块很难做到1 2 k w 的功率等级，因此，本文采用了 多个d c d c 变换器模块并联的方案实现。 1 2 目前常用的几 # d c d 0 变换器拓扑结构 a 单端反激电路 如图1 1 的单端反激电路多用于输出电路与输入电路电气绝缘，或者希望多 路输出的场合p , 2 l 。反激式变换器中的变压器起着电感和变压器的双重作用。在 主功率管导通时，将能量储存在变压器中。在主功率管关断期间，变压器储存 的能量通过整流二极管传递给输出端。但是，这种间接传送能量的变换器不适 合大功率的场合中。 b 单端正激电路 如图1 2 的单端正激电路形式上与反激类似。和单端反激电路的不同点是： 该拓扑是直接传送能量，可以应用的功率场合较反激电路大。但是，当主功率 管关断时必须给变压器提供能量释放回路，这也带来了各种磁复位的问题3 6 】。 单端正激电路变压器的磁利用率低、开关管电压应力高等缺点也限制了它在大 功率场合中的应用。 c 、半桥电路 如图1 3 的半桥电路可以做为单相逆变器或直流变换器主电路拓扑。半桥电 路相对于单端正激电路而言，开关管电压应力减小为输入电压u i 。，变压器磁芯 利用率提高了一倍。但是，半桥电路的缺点是：c 【、c 2 电容电压不对称可能引 起变压器偏磁。 d 全桥电路 1 2 k w2 8 v d c ，1 2 5 v d c 变换罂的研制 如图1 4 ，全桥电路的优点：( 1 ) 主功率管电压应力较小，为输入电压u ( 2 ) 相同的功率等级流过功率管的电流是半桥电路的一半；( 3 ) 变压器磁芯 利用率高。缺点：( i ) 开关管的压降或驱动脉冲的不对称，会引起变压器铁一【= 的偏磁；( 2 ) 相当于两个功率管串联使用，导通损耗大；( 3 ) 存在功率管直 通问题。总之，全桥电路比较适用于高压输入的大功率场合。 t 图1 1 单端反激电路图1 2 单端正激电路 + 叫d 1 j _一= c l 一 l 、 u i 。i 屯 叫 l 一 = c一 雌 图1 3 半桥电路图1 4 全桥电路 e 双管正激电路 如图1 5 ，双管正激电路的优点：( 1 ) 主功率管的电压应力较单端正激电 路小：( 2 ) 桥臂上串联的二极管具有筘位主功率管电压尖峰和为变压器提供磁 复位通路的作用；( 3 ) 从结构上消除了桥臂直通现象，可靠性高。当然这种电 路拓扑也存在缺点：( 1 ) 为了保证可靠的磁复位，其工作占空比只能小于0 5 ； ( 2 ) 为保证获得更高的输出电压，须提高变压器的变比，从而使变压器副边续 流二极管的电压应力增大。所以，它特别适用于输入电压较高，输出电压不太 高的中大功率场合。 f 推挽电路 如图1 6 ，推挽电路拓扑的优点：( 1 ) 结构简单，只需要两个主功率管； ( 2 ) 驱动电路不要隔离，电路简单；( 3 ) 原边绕组可以自动磁复位。缺点：( 1 ) 对变压器绕制的对称性和功率器件参数及其驱动脉冲宽度的一致性要求较高， + t l 一 矿亡 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 5 双管正激电路图16 推挽电路 容易产生磁：苍饱和现象；( 2 ) 在开关管关断时，漏感能量在开关管上会引起高 的电压尖峰。上述缺点限制了推挽电路的应用场合。 豢 u 。弃) u o 。f 2 u o 。f 6 ，其 4 2 k w 2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 图4 1 电流内环直接平均值均流原理图 它参数影响忽略不计。 2 ) 所有运算放大电路的供电电压为c 。 3 ) 满载时，输出电流给定值一般不会超过u 。2 ，我们假设设定：u c c 2 。 为了说明问题的方便，我们只阐述系统在空载和满载时的工作情况。 a 空载时 考虑到输出电容寄生电阻和模块假负载的影响，空载时输出电感电流为基 本为零，均流母线上的信号很小。稳态工作时，模块1 、2 、3 的电压环输出为 正饱和状态u o 。i = u o 。2 = 【，0 c 3 = + 魄c ；模块5 、6 的电压环输出为负的饱和状态 u o 。5 = k 6 = 一u c c 。只有模块4 的电压环调节工作，输出电压为模块4 的输出电 压。 b 满载时 满载时，均流母线上的电流给定信号较高u i o r c f = u 。2 。稳态工作时，模 块1 、2 、3 、4 电压环正向饱和输出砜。1 = u o 。2 = u o 。3 = u o 。4 - 十c ，模块6 电压 环输出l k 6 = u c c 。只有模块5 的电压环对输出电压进行调节，系统总的输出 电压就是孑模块5 的输出电压。 南京腕空航天大学硕士学位论文 由此可见，在并联系统工作的过程中，只有个电压环在起调节作用来控 制系统的输出电压值。这种方法带来的优点是所有的电压环没有主、从的区别， 可以提高系统的可靠性和冗余度。缺点是使输出电压外特性变软。解决这个问 题的方法是，在避免干扰的情况下尽量减小满载时母线上的信号值。 本文只是从输出电压给定不同的角度来分析新的均流技术的工作原理。类 似的，也可以从采样、控制电路参数的不同来分析它的工作原理。同样可以拓 展到n 个模块并联系统中，工作原理是一样的。 4 2 1 2 特点 a 均流精度高 所有模块的输出电流均跟踪一个相同的给定信号研。f ，因而，每个模块电 流采样电路参数的一致性决定了整个系统的均流度。在实际应用中可以采用高 精度电阻构成电流采样电路，因而均流精度较高。 b 可靠性高 传统的平均值均流法在某个模块不工作时，均流母线上的电压会自动降低， 其他模块的输出电流也会降低，可能使输出达到下限，从而造成系统故障。而 新的均流技术克服了这种缺点，它在某个甚至几个模块故障不工作时仍能保证 系统的正常输出。假设模块3 出现故障静止工作，模块3 的电压环输出有两种 状态：当控制电路故障时，u o e 3 = o ；当主电路故障导致系统保护时。该模 块的输出电压降低，则。3 - + c 。当u o 。3 = 0 使得均流母线上的电压降低， 其他模块的电压环输出自动调高使得均流母线上的电压和故障前的值相等，从 而保证了输出正常工作：当。3 = + c 时，均流母线上的电压增加，其他模块 电压环输出自动调低使得均流母线电压回到正常值，也能保证系统的正常输出。 另外，如果某个甚至几个模块的电压给定过高或者过低时，系统可以通过调节 其他模块的电压环输出来保证均流母线电压稳定，从而保证系统的正常运行。 可见，电流内环直接均流技术的可靠性较传统平均值均流法大大提高了。 c 模块间通讯简单 如果每个模块的控制电路地线和输出地线均相连时，每个模块只需要一根 均流母线。若每个子模块的控制地和输出地线隔离，也只需要增加一根控制地 线即可。 d 动态响应速度快 2 k w 2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 每个子模块的电流输出直接跟踪均流母线上的给定信号，母线上给定信号 的改变可以直接通过单个电流内环直接调节来改变每个模块的输出电流值。因 此，这种均流法可以获得较快的动态响应速度。 4 2 2 最大值法 ，、 将图1 4 2 冲的均流电阻r 1 、r 2 、r 6 换成二极管就构成了电流内环直接 最大值均流法。它的工作原理和平均法类似，只是每个时刻只有一个电压环在 起作用工作，系统输出电压是各个模块输出电压的最大值。这种方法的特点是： 输出电压跟随所有子模块输出电压的最高值，输出电压的外特性较平均法硬。 但是，当某个模块因为主电路故障而出现保护并且导致故障模块电压环输出 + u c c ，均流母线上的电压为最大值，可能引起系统失效的危险。 综合以上两种电流内环直接均流法的优缺点，本系统采用的是电流内环直 接平均值均流法。实际测试获得了优良的动静态性能。 4 。3 仿真分析 为了验证上文理论分析的正确性，我们进行了系统仿真。仿真参数如下： 输入电压：u i 。= 2 8 v d c ；输出滤波器：l f = 1 6 0 u h ，c f = 6 8 0 u f 2 ；负载：空 载变化到满载：六个模块独立运行时的输出电压分别调到：u o i = 1 3 0 v ；u 0 2 = 1 2 8 v ；u 0 3 = 1 2 6 v ；= 1 2 4 v ；u 0 5 = 1 2 2 v ；u 0 6 = 1 2 0 v 。 图4 2 为平均值均流系统空载仿真波形图。图4 2 ( a ) 为输出电压仿真波形 图，输出电压稳态值为1 2 4 v 。图4 。2 ( b ) 为6 个子模块电压环输出仿真波形图。 由仿真波形可见，空载时，模块1 、2 、3 的电压环输出为正饱和值+ 15 v ，模块 5 、6 的电压环输出为负饱和值1 5 v ，只有模块4 的电压环起作用，并联系统输 出电压为模块4 的输出电压。 图4 3 为平均值均流系统满载工作时的仿真波形图。图4 3 ( a ) 为满载输 出电压仿真波形图，由波形可得输出电压稳态值为1 2 2 v 。图4 3 ( b ) 为满载时 6 个子模块电压环的输出仿真波形图。由仿真波形可见，在满载时，模块1 、2 、 3 、4 电压环输出电压为+ 1 5 v ，模块6 的电压环输出为一1 5 v ，只有模块5 的电 压环对输出电压进行调节工作，并联系统输出电压为模块5 的输出电压。 图4 4 为模块5 的输出电压给定值偏高时并联系统动态响应仿真波形图， 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 2 ( a ) 空载输出电压仿真波形图图4 2 ( b ) 空载时模块电压环输出仿真波形图 图4 2 平均值均流系统空载仿真波形图 图4 3 ( a ) 满载输出电压仿真波形图图4 3 ( b ) 满载时模块电压环输出仿真波形图 图4 3 平均值法均流系统满载仿真波形图 其中从上到下依次为：6 个电压环输出电压波形图；均流母线电压波形图；并 联系统输出电压波形图。从仿真结果可见，当模块5 因故障导致电压环给定偏 高时，该模块的电压环输出正向饱和，模块4 的电压环输出下降，均流母线电 压经过一个动态调节过程回到故障前的值，输出电压由故障前模块5 的+ 1 2 2 v 变为模块4 的电压值+ 1 2 4 v 。 图4 2 、图4 3 、图4 4 的仿真波形图验证了4 2 1 节理论分析的正确性，也 说明了系统方案选取的合理性。 图4 5 为最大值法均流系统空载满载仿真波形图，虚线为满载波形图、实 线为空载波形图。其中图4 5 ( a ) 为输出电压仿真波形图；图4 5 ( b ) 为模块 4 5 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 图4 4 子模块输出电压给定偏高时并联系统动态响应仿真波形图 图( a ) 输出电压仿真波形圈圈( b ) 模块1 电压环输出仿真波形圉 图4 5 最大值法均流系统空载、满载仿真波形图 1 的电压环输出仿真波形。仿真波形表明，最大值均流法在负载变化时，只有 输出电压最大的模块的电压环调节控制系统输出电压，输出电压外特性较优。 仿真结果证明了4 ，2 2 节理论分析的正确性。 4 4 本章小结 南京航空航天大学硕士学位论文 本章在传统的均流技术基础上，提出了一种新型的电流内环直接均流法。 将其分为平均值和最大值法两种，对它们的工作原理和特点进行了详细的分析。 根据研制系统的特点，我们采用了电流内环直接平均值均流法作为系统的优选 方案。最后，通过系统仿真验证了理论分析的正确性和方案选取的合理性。 4 7 2 k w2 8 v d c ，1 2 5 v d c 变换器的研制 5 1 前言 第五章实验结果与讨论 在前面几章介绍的电路和设计的参数基础上，研制了1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器，本章给出了相关实测结果。首先，给出了系统的技术指标和总体框架 结构图；其次，给出了2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器子模块的实验结果并进行了分 析；再次，给出了1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 整机并联系统的实验结果并进行了讨论： 最后，给出了研制产品的实物照片和鉴定意见。实验结果也验证了前文所述理 论的正确性。 5 2 系统技术指标及总体框架 1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 直流变换器的技术指标： 输入电压u 。：2 8 v d c ，品质满足g j b l 8 1 8 6 标准b 类负载 输出电压瓯u 1 1 2 5 v d c 2 输出功率：额定不小于1 2 k w 输出电流：最大值不小于1 0 5 a 效率r ：不小于9 0 重量：不大于5 0 千克 体积：6 5 0 m m 4 0 0 m m 3 i o m m 冷却方式：自冷却 我们研制的电源系统是由6 个2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 电源子模块并联组合 而成的，主要部分包括：输入e m i 滤波器、6 个d c d c 电源子模块、并联接 口及其电路、故障检测及显示电路、输出e m i 滤波器。系统总体框架如图5 1 ， 其中：f o l f 0 6 为输入滤波器；f 0 7 、f 0 8 为输出滤波器；d o l 、d 0 2 、d 0 3 为防止输 入电压反向的反并二极管；d 0 4 一d 0 9 为输出隔离二极管，防止故障模块输出短路 而影响系统输出。由于输入输出e m i 滤波器均采用的是成品件，故障检测及显 示电路采用的是传统方法，所以本文对这些部分就不再赘述了。 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 系统总体框架图 5 32 k w2 8 v d 0 12 5 v d o 子模块实验结果 发 出 故 瞳 信 号 根据有关技术要求，研制出了一台输入2 4 - - 3 2 v d c ，输出1 2 5 v d c 的2 k w d c d c 变换器。变换器参数：开关频率= a = 5 0 k h z ；主功率开关管：i x t k l 8 0 n 1 5 3 ：整流二极管：d s e p i o - - i o a ；箝位电容c = 7 0 u f ；滤波电感厶= 1 6 0 u h ；滤 波电容c f = 6 8 0 u f 4 0 0 v 2 ；主功率变压器匝比：月= 6 ；磁心：e e 5 5 2 。 5 3 1 稳态实验结果 图5 2 为额定负载下实测波形图，其中图5 2 ( a ) 是原边绕组电流波形图 4 9 1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 c h l ：主功率管v l 驱动信号波形，c h 2 ：主功率管v 2 驱动信号波形，c h 3 ：绕组 t 。l 电流波形i l ，c h 4 ：绕组t p 2 电流波形i 2 。由图中可见，在上下主功率管均关 断时，流过绕组上的电流有个明显的环流过程。图5 2 ( b ) 为主功率管漏源 极波形图：c h l ：主功率管v l 的驱动信号，o h 2 ：主功率管v 2 源漏极电压波形， c h 3 ：主功率管v 2 的驱动信号，o h 4 ：主功率管v 2 源漏极电压波形。在功率管 关断时，功率管的电压尖峰超过了2 u 。，这主要是由于线路寄生电感和功率管 姻唆 ：一：二兰番趣：矿 、。- 侧l 二 c h l ：1 0 v 格e l o ：1 0 v 格c h 31 5 a ，格e m ：1 5 a ，格 图5 2 ( a ) 驱动和原边绕组电流波形图 一 i ： bt l 一一 | ： t 1 7 ； 飞。二善一毒一 畦：嘲二：嘲 一忡p 十一一一* 卜t 肆时叶- + 卜一j 。? 诳j 厂飞：二j ：f ! 二；跨。蚪 e b t ：5 0 v 格c b 2 ：5 0 v 懈tc l d ：5 0 v ! 格c h 4 ：5 0 v 格 图5 2 ( b ) 功率管漏源极电压波形图 c h 2 ：5 m 格m1 0 u s 图5 2 ( c ) 输出电压脉动波形图图5 , 2 ( d ) 输出电感电流波形图 图5 2 额定工作波形图 一产0 ：囊3 1 广 ： 。i ： 掣= 沁霉蔫 ： 。冀o 寸? 拳孥孥寸 飞：悯! 黼， ：= = = 战蕊# 鞴。掣 。 l 旷? ，遵旁t _ 、妒 o - 叫e 咄一“口一般5 e h 3 ：9 0 a 格，e h 4 ：9 0 a 格, g h l ：5 a 格 c h 3 8 0 a 格，c h 4 ：8 0 a 格，e b t ：s v 格 图5 3 ( a ) u 。= 2 4 v ，i o 1 6 a ，1 9 = 0 4 5图5 3 ( b ) u i 。= 3 2 v ti o = 1 6 a ，d = 0 3 2 5 图5 3d 不同时原边环流和箝位电容脉动波形图 南京航空航天大学硕士学位论文 的结电容谐振引起的。图5 2 ( c ) 是输出电压脉动波形图：c h l 、c h 2 ：主功率 管v l 、v 2 驱动信号波形。由此可见，输出电压的脉动较小u o m a x = 4 0 m v 。图 5 2 ( d ) 是滤波电感电流波形图。实验波形表明，电感电流每个开关周期2 0 u s 内脉动两次，这样可以有效的减小电感体积。 图5 3 为工作占空比d 不同，输出电流o = 1 6 a 时原边绕组电流和箝位电 容电压脉动波形图：c h 3 ：绕组t p l 电流波形i i ，c h 4 ：绕组t p 2 电流波形i 2 ，c h l ： 箝位电容电压脉动u 波形。实验波形充分说明了第二章环流分析结论和第三 章中箝位电容选取原则理论的正确性。 经实验测试，该变换器的效率最高可达9 3 2 。图5 4 为该变换器的效率 曲线图。实验结果显示，输入电压低时变换器的效率较输入电压高时的高。其 主要原因是：输入电压高时，工作占空比较小，环流时间长使得变换器的损耗 增加，从而导致效率下降。 ”o9 4 09 3 09 2 0 9 l 0 9 0 08 9 o 8 8 08 7 08 6 杉多二。三一 ? ( 乃， 一 驴 一7 一= = i = 一一 _一：2 8 v 。”“”。” 7 0 0 ol d 5 0ol3 5 0nl7 0 0o2 0 0 0 op 。 2 k w d c d c 子模块效率曲线图 53 2 动态实验波形 图5 5 为2 k w d c d c 子模块突加、突卸2 3 额定负载时输出电压和输出电 1 0 _ 攀蠢睁瑶蝣 jj i。_ ： i ： 7 一i ，一 。 ：皇m b j 予”p 一一 ”7 7 。_ 1 一。蕊0 ， ；l - 一 c b 2 ：5 m 格c h i ；5 0 v 格- m ：f o m s d i vc h 2 ：s m 格c h l ：5 0 v f , 恪m ：5 0 m s d i v 图5 5 ( a ) 从空载突 j i 】2 3 额定负载图5 5 ( b ) 2 3 额定负载突卸至空载 图5 52 k wd c d c 子模块突加、突卸2 3 额定负载时输出电压、电感电流实验波形 1 2 k w 2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 图5 6 ( a ) 从空载突然短路图5 6 ( b ) 从短路突卸到空载工作 圈5 62 k wd c d c 子模块突然短路工作时输出电压和电感电流实验波形 感电流实验波形，其中图5 5 ( a ) 是从空载突加到2 3 额定负载实验波形图： o h 2 ：输出电压波形，c h l ：电感电流波形；图5 5 ( b ) 为2 3 额定负载突卸到空 载实验波形图：c h 2 ：输出电压波形，c h l ：电感电流波形。 突然短路实验波形如图5 6 ，其中图5 6 ( a ) 为空载突然短路的实验波形图： e h 3 ：输出电压波形，e h l ：电感电流波形；图5 6 ( b ) 从短路到空载实验波形 图：c h 3 ：输出电压波形，c h l ：电感电流波形。 动态实验结果表明，该变换器的动态响应较快，可以达到从空载到突然短 路能正常工作而不误保护的性能要求。 5 3 3 实际达到的性能指标 测试结果表明，2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 子模块实际达到的性能指标： 输入电压：“。= 2 8 6 v d c 系统正常工作； 输出电压：【，伽t = 1 2 5 v d c l ； 输出电压脉动：t 4 0 m v ； 满载效率刀：9 2 5 u i 。= 2 8 v ； 输出限流，l 州t c d ：1 8 a ，短路工作5 s 内解除短路故障，系统可自动恢复正常工 作： 最大输出功率：p o = 2 2 5 0 w 。 5 412 k w2 8 v d 0 12 5 v d c 变换器整机实验结果 5 4 1 稳态实验结果 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 7 为不均流度随负载变化的曲线图，其中不均流度定义为：6 个模块 输出电流的最大值减去最小值除以2 与输出电流平均值的比例。 弧1 9 - n o s h a r m g 2 每孝堋 q 1 20 溉 1 0o o 80 ( 】 6o 慨 40 饿 2o 。 00 0 * 一 弋 一 、。 t 7 7 09 3 o - 9 2 o 9 1 0 9 08 9 08 8 旺8 7 i 一 r、 ，。 i 。一一 ； 图5 7 不均流度随负载变化曲线图图5 8 整机效率曲线图 由实验结果可见，整机中6 个模块的均流精度较高，不均流度随着输出功 率的增加而减小，满载不均流度仅为1 9 。结果表明电流内环直接平均值均 流法稳态性能较高。 输入电压u 。= 2 8 v 的整机效率曲线如图5 8 。结果表明，整机效率满载时 达到9 1 6 比单个模块低，主要是由于并联系统中的子模块输出端的隔离二极 管导通压降增加了系统的损耗。 5 4 2 动态实验波形 图5 9 为整机突加、突卸2 3 额定负载时输出电压和电感电流实验波形图。 其中，c h l ：输出电压波形；c h 2 、c h 3 、c h 4 ：其中三个模块的输出电流实验波 形。从实验结果可见，整机系统的动态均流效率较好，在负载突变时输出电流 c h l ：i o o w 格c h 2 、c h 3 、c h 4 ：2 0 m , g rm ：2 0 m s d v 图5 9 ( a ) 整机突力【 2 3 负载实验波形图5 9 ( b ) 整机突卸2 3 负载实验波形 图5 9 整机突加、突卸2 1 3 额定负载输出电压和电感电流实验波形 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 基本同步变化。验证了采用这种新的均流法的动态性能较快，完全可以满足系 统的要求。 5 4 3 温度实验结果 高低温实验结果如图5 1 0 ，其中图5 t o ( a ) 是在环境温度分别为t 。= + t e = ；o 口c 一1 色斟2 口c + t e = + 6 0 0 c r 7 = ：= = r 1 一丛一 图5 1 0 ( a ) 输出电压实验曲线图5 1 0 ( b ) 效率曲线 图5 1 0 温度不同时输出电压及效率曲线 5 0 0 c 、t 。= + 2 0 0 c 、t c = + 6 0 0 c 时输出电压变化曲线图：图5 1 0 ( b ) 为在低温、 常温、高温时整机工作的效率曲线。由实验曲线图可见，( 1 ) 随着温度的升高 输出电压增大，但是变化量较小，电压调整率小于2 ( 2 ) 环境温度较低时， 整机效率整体偏低，但是在满载时效率较常温条件下高0 2 。造成输出特性 微小变化的主要原因有：控制环中参数随温度的变化有所改变，从而造成输出 电压的漂移；磁性元件的损耗随着温度的改变而变化，导致系统效率的变化。 5 4 4 实际达到的指标 测试结果表明，1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器实际达到的性能指标： 输入电压：孤。= 2 8 4 - 6 v d c 系统正常工作； 输出电压：。t = 1 2 5 v d c ，电压调整率小于4 - l ； 输出电压脉动：au o u 【 5 0 m v ； 满载效率：町= 9 1 6 u i 。= 2 8 v ： 输出限流： m 。d = 1 0 8 a ，短路工作5 s 内解除短路故障，系统可恢复正常工作 满载不均流度：1 9 ； 最大输出功率：r = 1 2 5 k w m蛳m；毫m灿m 南京航空航天大学硕士学位呛文 54 5 实物图 图5 1 l 为变换器的实物照片图：图5 1 l ( a ) 为变换器整机外形图；图5 1 l ( b ) 为变换器内部结构图 图5 1 1 ( a ) 变换器整机外形图 图5 1 2 ( b ) 变换器内部结构图 图5 1 1 变换器的实物照片图 1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 5 46 技术鉴定结果 本变换器已于2 0 0 4 年1 2 月通过国防科学技术委员会组织的技术鉴定，技 术成果鉴定意见见附录。 5 5 本章小结 本章是对上几章所述理论和设计的实验验证。主要内容是单模块和整机系 统的测试实验结果和分析。实验结果表明，单模块和整机性能均达到了系统要 求。 南京航空航天大学硕士学位论文 6 1 本文的主要工作 第六章总结与展望 本文对推挽正激电路进行了深入的研究，提出了一种电流内环直接均流法， 完成了“1 2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器研制”项目的研发工作。具体工作如下： 1 ) 对推挽正激电路的工作原理和主要电路参数对系统工作的影响进行了详细 的分析，给出了箝位电容的选取方法，并进行了仿真分析； 2 ) 给出了2 k w2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器子模块主电路和控制电路参数设计过程， 并对变换器进行了小信号建模及分析，介绍了变换器的损耗分析和热设计方 法； 3 ) 为了克服传统的均流技术的缺点，本文采用了一种电流内环直接均流法，指 出了它的优缺点，给出仿真分析； 4 ) 将推挽正激电路及电流内环直接均流法应用到我们开发的工程项目中，进行 了系统测试，结果表明该均流法具有良好的动、静态性能。于2 0 0 4 年1 2 月通过国防科学技术委员会组织的技术鉴定，并于2 0 0 5 年1 月通过某工程 产品验收评审。 6 2 下一步要做的工作 由于时问和水平有限，本课题还有待进一步完善： 1 ) 采用磁集成技术，将功率变压器和输出电感集成一体，进一步减小变换器体 积，提高功率密度； 2 ) 进一步优化并联接口方式，实现并联系统的热插拔功能。 2 k w 2 8 v d c 1 2 5 v d c 变换器的研制 参考文献 1 丁道宏，电力电子技术，航空_ 丁业出版社，1 9 9 8 年：1 8 8 2 陈坚，电力电子学电力电子变换和控制技术，高等教育出版社2 0 0 l - l ：9 5 3 x i n g s h e n gz h o u a n dd a n c h e r t ，c j a m e r s o n “l e a d i n g e d g em o d u l a t i o nv o l t a g e m o d e c o n t r o lw i t hf l u xu n b a l a n c ec o r r e c t i o nf o rp u s h - p u l lc o n v e n e r a p e c 0 0 ，n e wo r l e a n s u s a ，2 0 0 0 ：3 2 7 3 3 3 4 石健将，敢管正激变换器组合研究， 南京航空航天大学博士学位论文】，2 0 0 3 6 ：4 5 阮新波，严仰光，直流开关电源的软开关技术，北京科学出版社，2 0 0 0 1 ：3 4 3 8 6 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计( 第一版) 。广州，电子工业出版社，1 9 9 8 7 e h e r b e r t ，a n a l y s i so f t h en e a rz e r oi n p u tc u r r e n tr i p p l ec o n d i t i o n i na s y m m e t r i c a lp u s h - p u l lp o w e r c o n v e r t e r h f p c 8 9 ：3 5 7 3 7l 8 c h i n g s h a nl e u ，j i n n - b i nh w a n g ab u i l t i ni n p u tf i l t e rf o r w a r dc o n v e r t e r ，p e s c 9 4 ： 9 1 7 - 9 2 1 9 蔡宣三，并联开关电源的均流技术，电工电能新技术，1 9 9 5 年3 期：1 2 。1 6 1 0 i s a a cz a f r a n ya n ds a mb e n - y a a k o v ，a v e r a g em o d e l i n g ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f c u r r e n t s h a r e dd c - d c c o n v e r t e r s ，i e e e19 9 8 ，p p6 4 0 - 6 4 6 1 1 d a v i dm a l i n i a d ，l o a d - s h a r i n gs c h e m eb o o s t sd c d cc o n v e r t e rr e l i a b i l i t y ，e l e c t r o n i c d e s i g nj a n1 9 9 3 1 2 邢岩，逆变器并联运行的研究， 南京航空航天大学博士学位论文】，1 9 9 9 年1 2 月 1 3 j t a m o t s un i n o m i y a , r e n - h u aw ue t a l ，n o v e lc o n t r o ls 打a t e g yf o rp a r a l l e lo p e r a t i o no f p o w e r s u p p l ym o d u l e s ，p r o c e e d i n g s o f p o w e rc o n v e r s i o nc o n f e r e n c e ( y o k o h a m a ) 1 9 9 3 i e e e ：l 5 9 一1 6 4 1 4 f a n g h u az h a n g ，h a i h o n gq i n ，h u i z h e nw a n g a n d y a n g g u a n gy a n ，f r e e w h e e l i n g c u 仃e 眦 i np u s h - p u l lf o r w a r d c o n v e n e r ， e e e 2 0 0 3 ：3 5 3 3 5 8 1 5 x u n w e i z h o u ，b o y a n g ，l u c a a m o r o s oe t a l a n o v e l h i g h - i n p u t - v o l t a g e ，h i g h e f f i c i e n c y a n df a s tt r a n s i e n tv o l t a g er e g u l a t o rm o d u l - - p u s h - p u l lf o r w a r dc o n v e r t e r i e e et r a n s o n p o w e re l e c t r o n i c s 1 9 9 9 ：2 7 9 - - 2 8 3 1 6 m a r y e ，p e n g x u ，b o y a n g a n df r e d c l e e ，i n v e s t i g a t i o no f t o p o l o g b c a n d i d a t e s f o r 4 8 v 5 8 南京航空航天大学硕十学位论丈 v r m ，a p e c2 0 0 2 ，6 9 9 7 0 5 1 7 杨正龙，王慧贞，一种新型推挽正激变换器，电力电子技术，v o t ，3 6 n o 1 ，2 0 0 2 年2 月： 1 8 张方华，严仰光，王慧贞，刘军，推挽正激电路的研究及工程实现，全国第二届特种 电源与元器件学术年会论文集： 1 4 8 1 5 2 1 9 张方华，王慧贞，严仰光，正激推挽电路的z c s 方案，电力电子技术，第3 7 卷第2 期，2 0 0 3 年4 月： 2 0 张方华，双向d c d c 变换器的研究， 南京航空航天大学博士学位论文 2 0 0 4 年6 月：1 7 2 1 赵修科，实用电源技术手册磁性元件分珊，辽宁科学技术出版社，2 0 0 2 年8 月： 1 3 l