隔離型高增益正反激變換器拓?fù)渑c控制研究.pdf

1、隔離型高增益DC/DC變換器是高壓開關(guān)電源的核心部件，在航空、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隔離型高增益DC/DC變換器的特征與常規(guī)直流變換器有著顯著的不同，隔離變壓器的大變比及工藝結(jié)構(gòu)加劇了變壓器的非理想特性并嚴(yán)重影響著變換器的工作狀態(tài)。為滿足的高增益特種開關(guān)電源日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，論文以隔離型高增益DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略為研究對(duì)象，對(duì)硬開關(guān)倍壓正反激變換器、有源箝位正反激變換器以及諧振正反激變換器進(jìn)行了深入研究。論文的主要研

2、究?jī)?nèi)容及取得的研究成果如下：
　　首先，論文從變換器工作模態(tài)的角度，對(duì)工作在連續(xù)導(dǎo)電模態(tài)(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)電模態(tài)(DCM)的反激變換器輸出特性進(jìn)行了分析，得出了DCM模態(tài)下的反激變換輸出電壓增益比與隔離變壓器的變比無直接關(guān)系的結(jié)論。為減小反激變換器中所用開關(guān)器件的電壓應(yīng)力及降低隔離變壓器的絕緣強(qiáng)度，論文在倍壓整流電路的基礎(chǔ)上提出一種硬開關(guān)高增益倍壓正反激變換器的復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個(gè)電容等效成一個(gè)廣義虛擬電容，由此推導(dǎo)出倍壓正反激

3、變換器工作于DCM模態(tài)與CCM模態(tài)的臨界條件以及輸出電壓增益與占空比之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在DCM模態(tài)下隔離型倍壓正反激DC/DC變換器輸出電壓增益主要取決于其特征參量的大小，當(dāng)特征參量較小時(shí)DCM模態(tài)下隔離型倍壓正反激DC/DC變換器有較大的輸出電壓增益比，因此降低了對(duì)隔離變壓器原副邊匝數(shù)比的要求，減小了變壓器匝數(shù)和體積，易于實(shí)現(xiàn)高增益DC/DC變換器的小型化設(shè)計(jì)。同時(shí)，該變換器既有正激充電過程又有反激放電特性，能適應(yīng)較寬的輸入電壓范

4、圍。論文對(duì)倍壓正反激變換器的動(dòng)態(tài)特性采用移動(dòng)平均的方法進(jìn)行了小信號(hào)建模和環(huán)路的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)，研制了原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效地驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。
　　其次，論文從變壓器的物理模型出發(fā)，探討了變壓器的漏感對(duì)變換器的性能影響。為抑制變壓器的漏感與原邊開關(guān)管寄生電容所形成的電壓振蕩，將有源箝位電路與倍壓正反激變換器進(jìn)行復(fù)合，由此形成一種有源箝位正反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。論文在深入分析有源箝位正反激變換器工作原理的基礎(chǔ)上得出了輸出電壓增益、原邊

5、開關(guān)管以及副邊整流二極管的電壓、電流應(yīng)力表達(dá)式，并進(jìn)行了電路仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為進(jìn)一步提高輸出電壓增益而不增加元器件的電壓應(yīng)力，論文對(duì)高階倍壓正反激變換器的特性進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。
　　針對(duì)高增益變換器輸出側(cè)高壓二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的問題，在有源箝位正反激變換器的基礎(chǔ)上提出了一種諧振正反激變換器，它不僅使原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)(ZVS)，同時(shí)輸出側(cè)高壓二極管亦實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)(ZCS)，解決了高壓二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)與變換器高頻化

6、工作之間的矛盾，提升了高增益DC/DC變換器的動(dòng)態(tài)性能。論文從有源箝位正反激變換器的參數(shù)入手，對(duì)變壓器輸出側(cè)的電容值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使變換器工作在諧振狀態(tài)，為輸出側(cè)高壓二極管提供ZCS關(guān)斷條件。通過分析諧振正反激變換器工作原理，研究了變換器輸入-輸出電壓增益、諧振電容電壓以及復(fù)位電容電壓與占空比之間的關(guān)系；討論了功率開關(guān)管和輸出側(cè)高壓二極管的電壓電流應(yīng)力及其軟開關(guān)條件；搭建了實(shí)驗(yàn)電路并對(duì)所得出的結(jié)論進(jìn)行了分析比較；探討了高階倍壓電路與諧振

7、正反激變換器的復(fù)合拓?fù)涔ぷ鳈C(jī)理及特性。
　　最后，為提高高增益諧振正反激變換器輸出電壓對(duì)輸入電壓的響應(yīng)速度，提出了一種大信號(hào)輸入電壓前饋的控制方法，設(shè)計(jì)了輸入電壓前饋控制電路。論文對(duì)高增益諧振正反激變換器主功率回路元件參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；采用平均值等效電路法建立了諧振正反激變換器小信號(hào)模型，基于線性電路穩(wěn)定原則進(jìn)行了控制環(huán)路的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，以高增益諧振正反激變換器為例進(jìn)行了電路閉環(huán)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制，仿真數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)