（电力电子与电力传动专业论文）用于高压隔离分布式电源的数控谐振电流源研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h i sp r o j e c tf o c u s e so nd i g i t a l c o n t r o lr e s o n a n tc u r r e n ts o u r c ea p p l i e dh aah i g h 。v o l t a g e i n s u l a t i o nd i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l y i ti sad i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ，b a s e do nt h ea cc u r r e n t b u s ，c a p a b l eo fw o r k i n gf o rh i g h - v o l t a g ei s o l a t i o np u r p o s ea n da p p l i e dt op o w e rs y s t e m sa n d h i g h p o w e rp o w e re l e c t r o n i c s d e v i c e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n d r e l a t i v er e s e a r c hw o r k so ft h ec o n v e r t e r , d i f f e r e n tt y p e sm o d u l a t i o nm e t h o d sf o rs e r i e sr e s o n a n t c u r r e n ts o u r c e ，t h ea d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d sa n de x i s t i n gr e l a t i v er e s e a r c h r e s u l t s c o n s i d e r i n ga l lo ft h e s e , t h em a i np u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi sd e v e l o p e d ，m a i n l yf o c u s e s o nt h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s f i r s t , c h a r a c t e r i s t i c sa n do p t i m i z a t i o no ft h ea p p l i c a t i o na n dd e s i g nm e t h o da p p l y i n gt w o k i n d so ft y p i c a lm o d u l a t i o n si nt h er e s o n a n tc u r r e n ts o u r c ei so b t a i na f t e rt h ea n a l y s i so ft w o m o d u l a t i o n sb a s e do nt i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i na n ds t a t ep l a n ed i a g r a m i t sv e r i f i e db y p r o t o t y p e sa n dc o m p a r i s o n si nt h ee x p e r i m e n t s s e c o n d ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u s m o d u l a t i o n sb a s e do ns t a t ep l a n ed i a g r a m ，h a r m o n i c sa n de f f i c i e n c y t h eo p t i m a lm o d u l a t i o n f o rs e r i e s - r e s o n a n tc u r r e n ts o u r c em o d u l a t i o ni so b t a i n e da f t e rac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n t h i r d ，i no r d e rt or e a l i z ed i g i t a lc o n t r o li nt h i sp r o g r a m ，d e s i g na n di m p l e m e n to ft h et i l a t e s t f l o a t i n g p o i n td s pc o n t r o lp l a t f o r m ，a l s o b u i l dd i g i t a l l y - c o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c e p r o t o t y p e ，d e s i g nc o n t r o lt i m i n ga n dp r o t e c t i o n 。 t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n da n a l y z e st h ec o r ep a r t so ft h ep r o g r a mi nd e t a i l ，g i v e st h e s p e c i f i cp a r a m 悯a n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i m p l e m e n tas e r i e so fo p t i m i z a t i o nm e a s u r e s a n db a s i c a l l ya c h i e v e st h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a lu s e k e y w o r d s ：h i g h - v o l t a g ei n s u l a t i o n r e s o n a n tc u r r e n ts o u r c e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n p h a s e - s h i f tm o d u l a t i o n d i g i t a lc o n t r o l 。i i i 。一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。除 了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， 也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一虢涮蝴期：冲嘞夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎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和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇翻磕宁 签字日期：勿归年；月夕日 导师签名： 签字日期：7 o o 年3 月9 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 从紫金港到玉泉，我在浙大度过了人生中最美好的年华，在这里学到了很多，也懂得 了很多，浙大给我烙下了不可磨灭的印记，我感激在这里遇到的每一个老师、同学和朋友。 首先，衷心地感谢我的导师吕征宇教授。导师严谨求实的治学态度、孜孜以求的工作 作风、渊博的学识、对事业的执着追求、对科研工作敏锐的洞察能力、诚挚谦虚的品格和 宽厚善良的处世方式是我毕生学习的楷模。在课题的进程中，导师多次询问研究进程，并 为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。在此，对导师三年来对我学 术上的精心指导与生活上的悉心关怀表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。 衷心感谢姚文熙副教授在课题研究中给予的热忱指导和无私帮助，姚老师勤奋的科研 作风、与时俱进的科研精神和宽以待人的为人之道真正体现了一位学者的风采。在此，致 以诚挚的谢意。 在实验室的学习和生活中，得到了很多人的帮助。这里尤其要感谢，在课题研究中给 予指导的苏斌博士，张晓峰博士，王斯然博士，杭丽君博士，刘森森博士，瞿博博士，洪 小圆博士，杨滔博士，杨仕涛博士，张伟硕士，邓佳佳硕士，刘新伟硕士等师兄师姐，同 时感谢黄杰硕士，吴小康硕士，戎萍硕士，邓哲博士等实验室同学的帮助和支持，感谢周 霞硕士，陈基峰硕士，李全峰硕士，凌光硕士，严刚硕士等师弟师妹的支持。 感谢寝室室友温志伟，韩坤，陈诚，你们不仅是我的同窗，而且是学习和生活中的朋 友，感谢这些年来对我的帮助和支持。 衷心感谢家人爸爸，妈妈和哥哥，你们是我永远的支持和动力。 衷心感谢我的妻子一直以来对我的支持和鼓励，使我能够克服困难，完成学业。 最后，衷心感谢那些曾默默支持过我的朋友，在这里请接受我真挚的谢意。 由于知识水平所限，时间有限，论文中必然会存在纰漏和错误，恳请各位老师和读者 指正。 谢建宇 2 0 10 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 立题背景及意义 第1 章概述 1 1 1 背景 在电力系统短路保护设备和高耐压大功率半导体器件的电力电子装置中，串接在一起 的各路驱动电源之间，往往要承受极高的工作电压。由于各个电力电子器件在主电路中位 置不同，所处电位不同，不同器件之间电位差很大，为了保证开关管能够安全可靠地工作， 客观上要求不同开关管之间、电路和开关管之间，必须都相互隔离，而且需要有足够高的 隔离电压等级，一般的情况下为系统最高的工作电压乘以安全系数。对于驱动电源的要求， 就是电源的各组输出之间做到相互隔离，而且要达到足够的耐压。除此之外，还要求隔离 电容低，以满足高频开关电源电位瞬变的需求。近来，多级隔离技术越来越多地用在电路 的驱动系统中，以满足高电压的隔离需要；但同时这也使得开关管的驱动电路越来越复杂。 在电力系统短路保护设备和中高压功率变换器中，大功率电力电子器件由于耐压限 制，必须串联起来使用，器件数量很多，其中大多数器件需要各自隔离的、独立的驱动电 源，这就需要保证有足够多的隔离输出，而且驱动电路的安装和增减也是需要考虑的重要 因素。以在15 k v 电力系统中应用的三相固态短路限流器为例，器件总数达到6 4 个，至少 需要6 1 路高压隔离驱动电源用于器件门极驱动，并且同时满足高耐压等级和分布式要求 的驱动电路将非常复杂。 目前，电力电子大功率器件向着更高的耐压等级方向发展，这要求隔离驱动电源具有 更高隔离电压等级；同时，在一个庞大的中高压大功率电力电子装置中，器件数量也越来 越多，从而要求驱动电源具有多路输出的分布式特性。为了保证整个系统能够稳定可靠地 运行，首先要保证大功率器件高压隔离驱动电源的可靠性。又考虑到安装、成本、散热等 因素，希望驱动电源能做到简单化，高频化，小型化。 1 1 2 意义 目前，在中高压大功率电力电子装置中，在需要隔离驱动电源的地方，大都采用设置 独立的包括原、副边电路的整套工作电源，有些电力电子装置中使用带有电压泵的专用单 电源驱动电路，省掉了复杂的多路隔离驱动电源，但由于这种专用电路使用范围的局限性， 不能适用于大功率，中高电压和其它有特殊需要的应用场合。 浙江大学硕上学位论文 目前，国内外对满足这些要求的隔离驱动电源研究比较少，因此研制一种新型的可靠 的电源来解决中高压大功率电力电子装置的驱动问题成为一个极为重要的任务。实验室关 于本课题的相关前面研究者，采用高频电流母线架构，以及高频高隔离电流变压器，将高 压隔离驱动电源应用于电力系统三相固态限流器的驱动，实现了驱动电源的高压隔离性能 与空间分布式性能。该方案克服了传统驱动电源本身的难以同时满足高压隔离和分布式性 能的不足，在中高压电力电子装置中的应用有着很大的优势，具有电压隔离等级高，可靠 性好，电路简单，扩展性能好，安装自由度高，相对于满足同等要求的独立电源方案，具 有体积小，重量轻，结构简单和性价比高等显著优点。 1 2 当前的技术状况 1 2 1 高频电流母线架构 满足多路输出分布式电源系统的总线结构分为直流母线和交流母线两种。直流母线结 构有两级d c d c 变换，即前端变换和负载端变换，需要完成两级逆变和整流，总体效率并 非最优。直流母线的d c d c n 2 1 模块比较成熟可靠，噪声低，母线上导通损耗小，但是成本 很高，需要为每路负载设计作隔离设计，超高压时问题尤其突出。交流母线结构，变换级 数少，结构简单，具有更好的效率潜力，缺点是母线上噪声比较大，传导损耗大。由此可 见，对于高压隔离和分布式要求，交流母线方案更具有成本和空间分布的优势。 交流母线方案按照连接方式和输出可分为串联和并联，电压和电流母线。并联母线在 低压小功率辅助电源中比较常见，采用变压器的副边输出交流的电压功率信号，在隔离电 压等级不高，输出路数不多的情况下，可以很好的满足需要。但是在高压隔离多路输出的 场合，需要特制的高隔离变压器，该高隔离变压器体积过大，设计复杂，成本很高。串联 母线通常输出电流功率信号，避免了输出电压信号时面临的均压问题。串联母线只需要一 根母线，便可以传输功率信号，具有更好空间分布性，再采用高频的高隔离变压器传递能 量，满足了高压隔离和多路输出的要求。 图1 - 1 并联母线和串联母线 2 浙江人学硕上学位论文 实际上，目前对电流母线供电方式的研究比较少，对通过电流母线实现多路输出和分 布式供电的研究更加少。本课题采用的电流母线架构如图。 m 、。高频电嘉毒线2 警昙三 e m i 丰 一 r j 罄垂 滤波 j 扫 i i 一| l 器 i m = f ! = 图1 2 电流母线架构 该母线架构可分为三部分，第一部分为a c d c 功能块，包括e m i 滤波器，整流桥和 p f c 电路，将工频市电转换成低纹波的直流电压；第二部分为d c a c 功能块，包括高频逆 变和谐振网络，最终输出高频的母线电流；第三部分为a c d c 高压隔离模块，从高频母线 电流中取能，形成各自独立的隔离的驱动模块。 由图可见，该方案最关键的模块在于第二模块和第三模块。 第二模块为d c a c 功能块，通过逆变和谐振网络将前端p f c 直流输出转换成高频电流 母线。该模块是整个架构的基础，高品质，特性优的高频电流母线是整个系统稳定性和可 靠型的保证。 实验室前面的研究者对这个课题做了一系列的研究，并提出了很多创新性电流母线的 方案。文献 3 】【4 】提出了一种电流泵拓扑，该方案采用两级结构，由双b u c k 输出一个幅 值恒定的直流电流，再经过全桥逆变输出幅值恒定，方向周期性变化的方波电流。文献改 进了电流泵的方案，将双b u c k 简化为单b u c k ，并加入了一级c l 谐振网络改善电流波形。 该方案以成功应用于1 0 k v ，10 0 0 a ( 最大短路限流电流6 0 0 0 a ) 的工业性试验机三相固态短 路限流器的驱动。但是体积大，可靠性差；级数过多，控制复杂；器件硬开关，效率低； 输出电流含有大量高次谐波，电磁干扰严重。 第三模块为高压隔离模块，该模块将高频电流转化成高品质的直流输出，同时实现高 压隔离和多路输出。高压隔离电流变压器对电流母线取能，母线电流相对于高压侧测量系 统( 1o 一10 0 0 a ) ，电流非常小，采用环形磁环，原边匝数仅为一匝，要传输所要求的功率 更加困难，激磁电流分流和磁通饱和是主要问题，对磁性材料的选择是电流变压器设计的 1 新江大学硬= l ：学位论文 关键 图卜3 高压隔离模块图i - 4 电流变压嚣 对于电流变压器的研究，文献【5 】提出了一种应用于高压侧测量系统的电源设计采用 坡莫合金为磁芯的材料的电流变压器对母线电流取能，功率输出取央于母线电流大小，在 电流小于5 ，输出电压不能维持设计的要求。文献【6 】提出了母线电流取能和储能电池供 电相结合的高压侧电源，解决了小电流下无法供电的问题，但是增加了电池营理电路，结 构复杂本文中采用高压隔离电流变压器对电流母线取能，采用环形碰环，原边匝数仅为 一匝，要传输所要求的功率比较困难，激磁电流分流和磁通饱和是主要问题，对磁性材料 的选择是电流变压器设计的关键。 本文在此基础上提出了一种谐振型电流母线方案，以构建新的高压隔离驱动电源。 1 2 2 串联谐振调制方式 该谐振电流母线拓扑方案采用串联谐振电路，通过控制输出电流，构成一个高频谐振 型电流母线。该拓扑具有结构简单，控制方便，器件教开关，损耗小，谐波含量低，可靠 性高的特点。 在高频的d c a c 应用中，串联谐振电路“得到广泛应用，包括镇流器，感应加热，航 空电源，g i s 绝缘试验以及d c d c 变换器等。这些应用通常要产生几十k 或几百k 的正弦 信号，通常谐波含量比较小，由于l c 谐振网络的存在，使电流或电压产生相位上的变化， 易于实现软开关，可以减少开关管的损耗，增加系统的可靠性。 串联谐振的调制主要包括脉冲频率调制( p f m ) ，相穆调制( p s ) 和脉冲密度调制旧咖 等。 辫 浙江人学硕士学位论文 1 2 2 1 脉冲频率调制 图1 - 5 频翠调制串联诣振原理图 脉冲频率调制通过改变开关频率，使之接近谐振频率或远离谐振频率来改变谐振阻抗， 从而控制输出。如图1 - 6 ，红为谐振电流，印为谐振网络电压，瓦，死+ j 为相邻的开关周 期。频率调制通过改变不同开关周期的频率，即改变前后的开关周期，通过改变谐振阻抗 来稳定输出。脉冲频率调制具有控制简单，容易实现软开关，谐波含量相对较低，缺点是 频率不固定，不利于滤波和磁性元件的设计。 最初对串联谐振的研究主要集中在脉冲频率调制上，v o r p e r i a n 和c u k 隋1 得到了频率控 制下的直流转换率，并对串联谐振电路做了完全的直流分析，得到了表达式用于设计，但 是设计参数不是很直观或者需要对内在的表达式进行计算机的迭代求解，难以得到直观有 效的设计方法；a f w i t u ls k y 和r o b e r tw e r i c s o n 在此基础上对串联谐振电路作了稳 态分析，基于输出平面理论，得到了谐振参数和谐振网络应力的近似表达式，并进一步提 出了基于最小器件应力的串联谐振电路设计方法一1 们；r a m e s h o r u g a t i 和f r e d c l e e 提 出了串联谐振电路的相平面分析法n 1 1 2 1 ，通过相平面直观分析谐振电路的动态特性和稳态 特性，对谐振电路的感性和容性模式都进行了相平面分析，为分析串联谐振频率控制的复 杂特性提供了一个非常理想的分析方法；文献【1 3 】对串联谐振电路做了频域分析，得到了 简单直观的设计表达式，给出了串联谐振电路设计的简易设计方法。 由于采用频率控制的串联谐振电路，开关频率不固定，状态参数呈现振荡特性，小信 号模型很难得到，大量的文献集中在研究通过各种如何近似地得到串联谐振电路的小信号 模型n 制1 1 5 t 6 1 。文献【1 7 】提出了一种通用状态平均法，通过引入傅立叶表达式，最终得到 谐振参数对频率的传递函数，可以有效的分析谐振变换器。文献【1 8 】在此基础上，针对用 于感应加热的串联谐振电路进行了建模和仿真，基于通用状态平均法得到比较精确的小信 号模型，并通过仿真验证。 针对频率控制，文献 1 9 提出了离散时域的控制方法，先对谐振电路进行离散时域的 建模和分析，得到非线性离散时域表达式分析谐振电路的静态和动态特性。文献【2 0 】基于 浙江大学硕上学位论文 控制状态空间曲线，只需要采样谐振电流，有着比较好的稳态稳定性和快速动态响应。文 献 2 1 】【2 2 】基于离散时域的建模和分析，提出了基于状态反馈控制和能量反馈控制的串联 谐振电路，用于提到稳定性和动态特性。 频率控制方法研究比较多，国内外应用广泛，文献 2 3 】提出了一种应用于感应加热的 串联谐振变换器，得到8 0 k h z ，1 8 0 a 的高频逆变电源；文献【2 4 】提出了应用于宽范围电容 充电的串联谐振电路方案，通过实验室样机验证了方案的可行性，还有很多文献关于串联 谐振d c d c 变换器的研究。文献 2 5 对串联谐振感应加热电路的工作模式进行分析，并对 损耗进行分析计算，得到了串联谐振感应加热电路的设计原则。 1 2 2 2 移相调制 冈 - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 图卜6 移相调制串联谐振原理图 移相调制通过增大或减少上下桥臂开关管的相位差，达到控制输出的目的。如图1 - 6 ， i l 为谐振电流，1 ，r 为谐振网络电压，岛，岛+ ，为相邻的开关周期的相移量，移相调制通过改 变改变相移从而改变加在谐振网络的平均电压，从而在谐振阻抗变化时能够保持输出电流 稳定。移相调制具有频率固定，器件软开关，于频率控制相比，总体谐波含量比较大，通 过优化设计可以是电路工作在低谐波含量和软开关的状态。 基于移相控制策略的优点，移相控制的串联谐振电路得到越来越多的应用和研究。 f u - s h e n gt s a i 和f r e dc l e e 啦q 对串联谐振电路的移相控制的串联谐振和并联谐振 做了比较深入的研究，通过相平面法分析了串联谐振电路的直流特性，并对动态过程进行 了分析，给出了状态平面曲线的参数关系式，可以用于指导设计 文献【2 8 】研究了10 k w ，5 0 0 h z 的感应加热电源，并对m o s f e t 寄生电容的影响对了分析， 通过控制确保全负载范围的z v s ，并对该电路进行小信号分析。文献【2 9 】提出了一种应用 于高压场合的移相式串联谐振电路，通过分析，仿真和设计提高了z v s 的范围，并提供了 内部的短路保护，试验证明，移相调制串联谐振非常适合于高压中高功率的应用。 由于实际移相调制的串联谐振电路m o s f e t 的结电容总是存在，有一定的开关时间存 浙江大学硕士学位论文 在，传统的频率调制串联谐振电路工作感性模式下，电感电路滞后于基波电压，关断时电 感电流比较大，且二极管导角足够大，m o s f e t 的结电容上电压总是可以在驱动信号来临 前放电完毕，可以保证z v s 的。移相调制串联谐振电路由于相移的存在，电感电流衰减过 大甚至反向，二极管导通角也过小，结电容上的电压无法在驱动信号到来前放电完毕，导 致z v s 的失败，使开关损耗大幅增加。文献 3 0 】【3 1 】分析了感应加热逆变器相移和临界相 移下的z v s 和n o n z v s 工作特性，并对m o s f e t 开通过程进行了计算和实验波形，给出了决 定m o s f e tz v s 和n o n z v s 的电路参数，对设计有一定的指导意义。 文献【3 2 】对感应加热的移相调制串联谐振电路进行了小信号分析，得到了基于频率控 制环和移相控制环的闭环小信号模型，经试验验证该小信号模型可以有效的分析两个控制 环的特性，用于指导设计感应加热电源。文献【3 3 】提出了移相串联谐振全桥电路的离线应 用，对感性模式和容性模式下的z v s 和z c s 做了分析，用于指导样机的设计。 1 2 2 3 脉冲密度调制 吒 a ”a j a 7 1aa a 1a wwuuwu| j i 图卜7 脉冲密度调制串联谐振电路 脉冲密度调制方法就是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来 控制输出功率。如图1 - 7 ，红为谐振电流，1 ，7 为谐振网络电压，z 为一组n 周期的开关周 期组，野，巩，为相邻的两个开关周期组的有效开关周期，剩余的看，开关周期加在谐振 网络上的电压为零，谐振电路在下桥臂之间形成环流，既没有能量输入谐振网络，也没有 能量反馈会直流电压。该方法通过调节开关周期组中的有效开关周期来控制加在谐振网络 上的平均电压，从而控制输出电流稳定。 脉冲密度调制方法频率固定，轻载开关损耗低，效率高，应用广泛。文献 3 4 】首先提 出了应用于感应加热的脉冲密度调制串联谐振电路，介绍了脉冲密度调制的原理和分析， 并开发了4 k w ，4 50 k h z 的感应加热电源验证。文献【3 5 提出了应用于电晕放电的串联谐振 电路，开发了应用锁相环和脉冲密度调制，实现全范围z v s 和准z c s ，具有极低的开关损 耗和电磁干扰问题。文献【3 6 】提出了一种应用与薄膜表面处理的脉冲密度调制串联谐振电 路，频率和电容应力固定，开关损耗小，极好的适用于薄膜表面处理电源。文献【3 7 】提出 了应用于感应加热的调制脉冲密度调制串联谐振电路，具有负载功率因数高、逆变器开 7 浙江大学硕士学位论文 关损耗小等显著优点。 脉冲密度调制在轻载时，平均开关频率较低，开关损耗小，具有明显的效率优势，而 且频率固定，e m i 问题比较小。但是脉冲密度调制属于有级调制，控制精度比较低，不适 用于控制精度较高的场合，应用在电流源中，轻载时输出电流可能断续，且由于下桥臂谐 振时电流不断减少，为维持平均电流恒定，有效开关周期时，谐振电流和谐振电容电压会 产生过冲，不适合恒流源的要求。 1 3 本课题研究内容与预计达到的目标 主要研究应用于高压隔离驱动电源的高频谐振电流源，采用高性能数字控制平台，比 较和选择各种控制方式，并完成样机来验证。 主要内容有： ( 1 ) 研究串联谐振电流源的控制方式，频率( p f m ) 调制，脉冲密度( p d m ) 调制，移 相( p s ) 调制，选择最优调制方式搭建样机 ( 2 ) 数字控制的研究，高性能数控平台的搭建，数字p i d 的研究以及数控高频谐振电 流源样机的完成。 预计目标： ( 1 ) 数控谐振电流源样机 ( 2 ) 串联谐振电路控制方式的分析和选择 ( 3 ) 完善保护电路，辅助电源，完成整机 1 4 主要技术难点 虽然串联谐振电路在高频逆变电源中广泛应用，但其工作过程复杂，设计比较困难， 且应用于高频恒流电流源中，要求很高的可靠性以及其他性能，具有一定的难度。 主要技术难点有： ( 1 ) 针对电流母线的串联谐振电路应用 ( 2 ) 最佳调制方式的选择 ( 3 ) 效率的优化，提高系统的可靠性 ( 4 ) 参数设计对谐振网络和器件应力的优化 本课题将结合高性能数字控制平台，在前面的学习和研究基础上，利用数字控制的灵 活和可靠性，对调制方式进行e 匕较和验证，并通过文献的学习和理论的分析，研究以上的 8 浙江大学硕七学位论文 技术难点，并通过试验验证，已完成课题所提出的目标 1 5 论文的主要工作 本文以应用于高压隔离分布式驱动电源中的高频谐振电流源为研究对象，采用数字控 制的方式，基于先进的浮点d s p 控制平台，对谐振电流源的主要调制方式进行理论分析， 得出最优的调制方式，并通过实验验证。论文的主要内容如下： 第一章首先介绍课题的背景和意义，然后介绍了现有的高压隔离分布驱动电源的技术 发展水平，主要从架构和调制方式的层面进行介绍，对后面的研究做了理论和前期的准备， 并提出了课题的目标。 第二章主要首先简单介绍本方案采用的高压隔离驱动电源的架构，然后对串联谐振电 流源的变频调制方式进行理论分析，利用相平面分析谐振的电路的工作过程及特性，针对 短路时电感损耗严重的情况进行优化分析，并通过实验验证。 第三章针对谐振电流源的移相调制进行了理论分析，同样对电路的工作过程进行时域 分析和相平面分析，并对移相调制的z v s 条件进行了理论计算，提出了移相调制串联谐振 电流源的设计方法，并对其输出特性进行了分析和概括。 第四章首先简单介绍了脉冲密度调制方式，然后主要对前面两种调制方式从多个角度 分析作比较，综合选择最优的调制方式。 第五章主要介绍高频谐振电流源数字控制的设计和实现，包括高压隔离驱动电源的硬 件框架和控制流程，主电路的设计和其中的高性能浮点d s pt m s 3 2 0 f 2 83 3 5 控制平台的硬 件及软件设计。 浙江 学硕士学位论文 第2 章凝率调制高频谐振电流源 2 1 数字控制高频谐振电流琢架构 基于高压隔离分布式驱动电薄的母线电流架构，要求一次侧的电流母线具有高可靠性 高品质的特性，本文采用了新型的新型数字控常0 电流型高频逆变电琢方案，结构如图2 - i 图2 - i 电流母线架构高压隔离驱动电源及数字控制电流型高赫逆变模块 电流母线架构高压隔离驱动电源的框絮可分为市电输入，e m i 滤波器，p f c ，商频逆变 + 谐振网络和高压隔离横块。主电路为垒桥串联谐振电路，通过脉冲调制产生平均值恒定 的高频交流母线p f c 输出直流电压作为输入，s 1 - $ 4 为c o o i m o s ，利用d 1 - d 4 体二扳管 作为反向续流二极管，l s 为包含变压器漏感在内的谐振电感，c s 为谐振电容，t x i 为输 出变压器，调节输出电路使符合要求t x 2 为电流变压器，后面连接二次侧高压隔离驱动 模块。输出电路母线经电流变压嚣采样，整流滤波后作为t m s3 2 0 f 2 8 33 5 的 d 输入，经 p i 和相位调制舌输出驱动信号。 2 1 1 串联谐振主电路 串联谐振电路适用于高频逆变领域，在镇流器，感应加热，电弧放电，航空电源等得 ，l m 浙江大学硕七学位论文 到广泛应用，具有软开关，输出谐波含量低的优点。本方案采用串联谐振方案，具有以下 该方案具有以下优势： ( 1 ) 级数少，控制简单。采用单级串联谐振电路产生高频交变电流，输出电流谐波含 量低，可靠性好。 ( 2 ) 具有电流源特性，可以工作在短路模式。 ( 3 ) 工作在感性模式，全范围零电压开通，低电磁干扰，开关损耗小，可以工作在较 高的开关频率。 2 1 2 高性能数字控制平台 随着高性能数字信号处理器性能的出现，d s p 不仅满足了电力电子装置的基本要求， 还提供了一个更为简单的方案来满足各种变换器要求，相对模拟控制，提高了系统可靠性 和灵活性，便于进行优化和系统集成。以t i 的浮点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 为例，浮点运算单 元提高了运算速度和效率，8 0 n s 的a d 转换时间，高达1 0 0 k 1 6 位或者1 m 1 2 位的高精度 h r p w m ，丰富的资源已满足了大多数高开关频率高精度变换器的要求。 本方案采用数字控制方案：具有以下优点： ( 1 ) 快速的处理速度，丰富的外设，高性能的浮点不仅可以满足作为谐振变换器的 控制器的要求，t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 可以为给整个谐振电流源( 包括p f c ，保护，通讯等) 做控 制器的要求，提高系统的集成度。 ( 2 ) 采用数字控制，避免了模拟器件的参数变化，可以方便的应用各种先进控制策 略和保护措施，具有更好的扩展性和稳定性。 2 2 频率调制串联谐振电流源 2 2 1 频率调制串联谐振电路 串联谐振电路适用于高频逆变，产生几十到几百k 的高频交流电流，电流波形具有较 低的谐波含量。脉冲频率调制通过改变开关频率，使之接近谐振频率或远离谐振频率来改 变谐振阻抗，从而控制输出。 。 图2 - 2 变换器主拓扑 拓扑如图2 - 2 ，为达到分布式高隔离的性能要求，采用高频交流母线分布式电源系统 的思想。p f c 的输出作为变换器的直流电源输入，q 1 - q 4 和l s ，c s 构成全桥串联谐振电路， 通过调频控制输出恒定电流，产生一个高频交流电流母线。t x l 为输出隔离电压器，可以 调节输出电流，以满足原副边对电流的要求。t x 2 为高隔离电流电压器，副边接整流和电 1 1 浙江大学硕上学位论文 容滤波以及稳压电路，将电流源转化成电压源，实现高隔离的电气性能和分布式要求。 由于二次回路的激磁电流的分流作用与频率有关，改变频率时，激磁电流分流的比重 会变化，平均电流应有适应性变化。选用参数为1 6 x 2 6 x l o 的w w l 型铁基非晶磁环，饱和 磁通密度远大于工作磁通密度，初始磁导率为6 0 k ，激磁电流分流3 左右，比较小。频率 改变，对激磁电流分流带来的影响占整个平均电流的比重非常小，影响可忽略。 2 2 2 时域分析和输出平面理论 2 2 2 i 时域分析 q i _ 4 q 阢 一k 一 v o 鲛，捌纽4 刖q j 吼：d 2 3 -l!-，- - i ：|j ：；li ：ii 广 ；：ii i； ： i - - -i l i ：i 山一n 匕叫! ；杈 l 牌 ；i 、j私 l - - - - 必一；i i 一m 一1 i lm 1i ：i ：卜6 ：i ； ! - - ii !： ：i 1 i i i ii i f 2 - - 一 厶f t lf f 图2 - 3 工作波形 图2 4 等效电路 感性模式下，工作波形和等效电路如图2 3 ，图2 4 ，电感电流i l ，电容电压眨，加在 谐振网络的谐振网络电压，输出电压定义如图。为便于分析，输出电压等效为整流 滤波后的直流输出，电压方向由电感电流决定，v o = v o i l ii j i ，为输出直流电压幅 值。 1 2 浙江大学硕士学位论文 如图2 5 ，z 为等效后的负载，工作过程可分为四个阶段： 阶段m 1 ( t o ，t 1 ) ：t o 时刻后，q 2 ，9 关断，d ，d 4 导通，m o s 管电压钳位在负的输 入电压，谐振电流通过d ，皿续流，由于电感电流滞后于谐振网络电压v 7 ，此时开通q ， 9 ，便可实现零电压开通。 阶段m 2 ( t l ，t 2 ) ：t l 时刻，谐振电流反向，q ，9 零电压开通，输入电压硌加在谐 振网络上，谐振电流以正弦形势上升。输出电压圪方向跟随谐振电流变正。 阶段m 3 ( t 2 ，匀) ：t 2 时刻，q ，q 4 关断，功，d 3 导通，谐振电流通过d 2 ，伪续流。 阶段m 4 ( t 4 , t 5 ) ：0 时刻，谐振电流反向，q 2 ，9 零电压开通。m 3 ，m 4 阶段与m 1 ， m 2 阶段对称，波形见图。 m l 图2 4 工作过程 2 2 2 2 输出平面理论 对串联谐振电路进行稳态分析，定义纰= 1 i 百，r = 丽，q = r d r 。，f = 妣励d ， 石，石分别为谐振频率和开关频率。由归一化输出平面理论， m = v n = i r n j = n r o i v i n 1 3 浙江大学硕士学位论文 y = x f oi f , m 为归一化的输出电压，为归一化的输出电流，矿为输出直流电压，j 为输出平均电 流皿为输出负载，y 为归一化的开关频率，l 为变压器匝比，为分析方便，可视为1 对 于一定的开关频率，串联谐振电路的输出特性可表示为 ( p + 1 ) ( 1 + m + m 2 k ) e o s y l + ( p + 1 ) 2 + m k ( p + 1 ) ( 1 一m m 2 k ) = 一 1 - ( p + 1 ) 2 + a +4 (mk -p )(1 -m ) ( p + 2 + m k ) s i i l y 1 + ( p + 1 ) 2 + m k 。【9 】( 2 1 ) 其中2 = a f g f ，为归一化的开关频率，系数k = l 4 r c r f s ，尸0 ，1 ，2 表示各种工作的模式， p 代表半个周期内完整的半波谐振电流的个数，该公式可用于任何的连续工作模式，只要 开关频率符合 上 ， 五 l + p js p 由工确，谐振电路工作- y - p = o ，c c m 模式， 将r o = i r o o g ，艇= 腰锻g = a j 2 代入( 2 1 ) 得 ，= 和网 【9 】( 2 力 根据不同的开关频率，可得到一系列不同输出曲线。 图2 - 5p = oc c m 模式下基于不同f s 的关于m ，j 归化输出曲线 根据输出曲线图2 5 ，为达到恒流输出，需要调节频率达到保持恒定的j 即输出电流， 从b 到a 即时空载到满载的频率变化过程。 谐振电路的应力即电感电流峰值和电容电压峰值是设计中必须要考虑的问题。将输出 浙江大学硕上学位论文 电流视为正弦电流， 归一化的电容峰值为 m 堡= 生 =型= 匕 = 胍= 型 c ， 2 刀z e 圪2 x 2 x f ，e 4 z e 圪尺 2 归一化电感电流为山= r d p 仍陀 ，为等效输出直流电流，矿为等效输出直流电压厶为谐振电流幅值，u , 为电感电流峰 值代入解得， ，j = j = m c p + n n i ( m 印一1 ) 2 - 1 jl p 一1 + m + n l ( 一1 ) 2 1当丛 如，( 2 3 ) m “ 、 ，：譬垂当半4 卢。， 电感电流峰值有两个公式，是由于当( 1 - m 2 ) m j t e ，m 很大，开关频率很小，开关时 间t