搜索
摘要本文首先归纳了文献中提到的几种三电平直流变换器，从中总结出了一种三电平拓扑的基本变换方法，应用这种基本方法及其改进方法得到了其它一些直流变换器的三电平拓扑，对基本方法进行改进，提出了适合6种单管直流变换器的三电平拓扑变换方法，成功地得到了其三电平拓扑，开关管的电压应力降为原来的一半;经过对这些三电平拓扑控制策略的深入研究，详细论述了交错开关方式可以最大幅度地减小电感的电流脉动，从而可以在电流脉动要求相同的情况下减小电感的设计值。提出一种Buck三电平变换器,该变换器中开关管的电压应力为输入电压的一半,采用交错控制方式,可以大大减小输出滤波器的大小,详细分析Buck三电平变换器的工作原理,分析该变换器的输入输出特性,讨论主要参数的设计.关键词：三电平变换器；降压三电平；交错控制；Pspice仿真AbstractSeveralTLconvertersareclassifiedfrompapersofrecentyears,thebasicmethodofTLtopologyderivationisobtained,whichcanbeusedtodeducetheotherkindsofTLtopologies.Usingthemodifiedmethod,6kindsofTLtopologiesofsingle-switchconverterareobtained.ThedeepresearchrevealsthattheseTLtopologiescanhavelessvalueoftheinductorbyusinginterleavingmodulationstrategycomparedwithconventionalmodulationstrategyontheconditionthatthecurrentrippleoftheinductorarethesame.ThispaperproposesaBuckThree-Level(TL)converter,thevoltagestressoftheswitchesisthehalfoftheinputvoltage.Employinginterleavingcontrol,theoutputfiltercanbesignificantlyreduced.TheoperationprincipleoftheBuckTLconverterisanalyzedindetails.Thecharacteristicsofoutput-inputoftheBuckTLconverterarederivedandthefilterparameterdesignisdiscussed.Keywords：Three-levelconverter,；Buck-TL；interleavingtechnique；PspicesimulationI目录第1章绪论..........................................................11.1DC-DC开关电源的发展方向....................................11.2TL变换器的提出、推导及国内外研究现状和发展趋势.............41.3研究目的、内容及意义........................................51.4本章小结....................................................6第2章开关电源原理分析...............................................72.1DC－DC变换器拓扑结构.......................................72.2三电平变换器的推导.........................................112.3本章小结...................................................17第3章DC-DC变换器Buck-TL电路工作原理...............................183.1电路拓扑...................................................183.2电感电流连续时Buck-TL变换器的工作原理和基本关系...........183.3电感电流断续时Buck-TL变换器的工作原理和基本关系...........233.4Buck-TL变换器外部特性.....................................263.5Buck-TL变换器的优点.......................................293.6本章小结...................................................32第4章DC-DC变换器Buck-TL电路的仿真研究.............................334.1主电路设计及控制电路的组成.................................334.2DC-DC变换器Buck-TL电路负载电压和电感电流仿真波形.........344.3DC-DC变换器Buck-TL电路输入输出电压仿真波形...............364.4DC-DC变换器Buck-TL电路其他仿真波形.......................374.5本章小结...................................................38结论.................................................................39参考文献.............................................................40致谢.................................................................411第1章绪论1.1DC-DC开关电源的发展方向开关电源（SwitchingModePowerSupply）是一种采用开关方式工作的直流稳压电源。它以小型、轻量、高效的特点。被广泛用于工业、民用及军事电子设备的各个领域，成为现代电子设备的重要组成部分。近十五年来，成为世界各主要国家尤其是发达国家研究的热点。1955年美国的科学家罗耶（GH.Roger）首先研制成功了用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。1957年美国查赛（JenSen）发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高，开关频率低，电路复杂，调试困难而难于推广。70年代后期以来随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。目前，开关频率已从2kHz左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。自上世纪80年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。准谐振变换器(Quasi-resonantconverters,QRCs)和多谐振变换器(Multi-resonantonverters,MRCS)出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。80年代末出现了零开关PWM变换器(ZeroswitchingPWMconverters)，它可以分为电压开关PWM变换器(Zero-voltage-switchingPWMconverters)和零电流开关PWM变换器(Zero-current-switchingPWMconverters)两种。它们采用的是PWM控制，谐振元件的谐振作时间一般为开关周期的1/10-1/50。上世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模块（IPEM）。IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装，得到标准的，可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性[6]。近年来，为缩小开关变换器的体积和重量，提高其功率密度，并改善动态响2应，开关频率大幅度的提高，高频化成为一种趋势。小功率DC-DC变换器开关频率将由200～500kHz提高到1MHz以上，但是高频化又会产生新的问题，其一，开关损耗以及无源元件的损耗增大；其二，高频寄生参数影响增大以及高频电磁干扰问题严重。因此，为减小损耗，提高效率，采用了软开关技术，包括无源无损（吸收网络）软开关技术，有源软开关技术。对于中小功率应用场合，通常采用两种最为简单的电路拓扑：正激变换器和反激变换器。正激变换器实际上是由Buck变换器演变出来的隔离开关变换器，其中，与Buck变换器的不同之处在于变压器不再起电感的作用，而是一个完全意义上的变压器，只起到隔离和变压的作用，变压器中只存储激磁所需的少量能量。反激变换器实际上是在Buck-Boost变换器中插入隔离变压器而得到的，其中，隔离变压器是个多绕组耦合电感，具有储能、变压和隔离的作用，由于反激变换器具有使用元件少、成本低、结构简单等优点，在低成本、小模块空间、小功率应用场合非常受欢迎。我国开关电源及开关电源变压器的研究起步较晚，与发达国家差距较大。80年代后期，第一批引进澳大利亚技术，开发48V、50A(开关频率为40KHz)和48V、100A(开关频率为20KHz)高频开关电源，这在当时，被认为是我国最先进的开关电源。自此以后，我国一方面派员参加各种国际学术会议，如国际通信能源会议(InternationalTeleCommuni-CationEnexgyConference)和弗及尼亚电力电子研讨中心(VirginiaPowerElectronicCenter简称VPEC)，组织的国际学术研讨会，一方面吸收国外先进技术，在国内开发自己的开关电源及其变压器，现在己有邮电部武汉电源厂、通信仪表厂、杭州桥兴，……等很多厂家正在吸取国外先进技术生产开发自己的开关电源及其变压器。在我国入世之后，国内开关电源研发、生产单位将直接面对国外开关市场电源市场的竞争，而高频开关电源又是一次技术含量较高的电力电子产品。高可靠性是第一位重要的指标，其次，电磁干扰（EMI）、功率因数校正（PFC）、工艺结构、效率、体积、重量和成本等指标，也是决定我们的产品能否参与国际市场竞争的重要因素。但由于我国配套工业落后，并且对高频开关电源变压器等磁性器件缺乏深入的研究和相关设计技术，导致我国目前产品化的开关电源工作频率均在200KHz以下，近几年来，国内许多研究单位在开关电源的理论分析方面做了大量的工作，如清华大学研究了动态优化设计问题，电子科技大学在建模、仿真设计、拓朴结构等方面己连续跟踪研究数年，国内其他高校如西北工业大学等以及信息产业部(如电子10所、43所等)和军队系统的一些研究所也进行了这方面的研究。目前正在研制工作频率1MHz的开关电源；在尺寸方面，开关电源的体积也大大缩小[5]。而随着技术的进步，DC/DC开关电源朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰3和实现模块化方向发展：1、专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次