5kW移相全桥ZVS+DC-DC变换器的研究

硕士学位论文5kW移相全桥ZVSDC/DC变换器的研究RESEARCHON5kWPHASE-SHIFTFULLBRIDGEZVSDC/DCCONVERTER刘鑫哈尔滨工业大学2011年6月国内图书分类号：TM614学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文5kW移相全桥ZVSDC/DC变换器的研究硕士研究生：刘鑫导师：马洪飞教授申请学位：工学硕士学科：电气工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2011年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM614U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHON5kWPHASE-SHIFTFULLBRIDGEZVSDC/DCCONVERTERCandidate：LiuXinSupervisor：Prof.MaHongfeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerElectronicsandElectricDriversAffiliation：SchoolofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence：June,2011Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文-I-摘要DC/DC变换器是电力电子领域重要组成部分，在能源紧张的今天，提高DC/DC变换器的效率及功率密度，具有重要的意义。功率器件的发展和软开关技术的提出使变换器高效高功率密度成为可能。移相全桥ZVSDC/DC变换器是一种能够实现软开关和大功率能量变换的变换器。本文围绕移相全桥ZVSDC/DC变换器的特点，分析了其工作原理、占空比丢失、变压器副边整流二极管振荡、滞后臂软开关实现条件等关键问题，并设计和制作了一款5kW的原理样机。第一章介绍了DC/DC变换器的背景及发展方向，其中包括器件、软开关技术和目前DC/DC变换器研究的热点。同时还介绍了全桥变换器常见的控制策略，以及移相全桥变换器常见的问题和国内外学者提出的改进方法。第二章针对课题内容，分析了移相全桥变换器的工作原理，对各个模态进行了详细的分析，并就移相全桥变换器的几个关键问题进行了详细分析：占空比丢失、ZVS的实现、损耗分析和整流二极管振荡问题。第三章针对技术指标，设计了一款5kW的样机，其中包括各器件的选型和相关参数的计算，损耗计算。这些参数计算主要有：全桥开关管电压电流应力的计算与选型、变压器的设计、整流二极管的选择、输出LC滤波电路的设计、隔直电容的选择、谐振电感电容的选择和死区时间的计算、箝位电路的设计。并根据计算结果使用Saber软件进行了开环仿真，验证了设计参数的正确性。第四章主要介绍了变换器控制系统分析与设计，其中有控制芯片UCC2895的功能介绍，外围元件的选择与保护与采样电路的设计，移相全桥ZVSDC/DC变换器的小信号模型和利用MATLAB软件进行反馈回路的补偿设计。第五章给出了实验结果和分析，验证了设计的正确性。关键词移相全桥；软开关；UCC2895；小信号模型哈尔滨工业大学硕士学位论文-II-AbstractDC/DCconverterisamainpartofpowerelectronicconverter.Astheenergyproblemincreasinglyconcernedinmodernsociety,improvingtheefficientandpowerdensityhavethesignificantadvantages.Thedevelopingofpowerdeviceandinventionofsoft-switchingtechniquemakethehighefficientandhighpowerdensityofDC/DCconverterpossible.Thezero-voltage-switching(ZVS)phase-shiftfullbridgeDC/DCconverterisanadvancedDC/DCconverterwithsoft-switchingtechnologywhichcanachievehighpowerconverting.Basedonthecharacteristicsoftheconverter,thispaperanalysesthebasicoperationtheoryandsometypicalproblemslikesecondarydutyratiolossandtheparasiticoscillationofoutputrectifierdiodesaswellasthedifficultyforlagginglegsachieveZVS.Thesimulationandexperimentsarealsogiven.Firstly,thispaperintroducesthebackgroundanddevelopmentoftheconverter,includingpowerdeviceandsoft-switchingtechnologyandthehotpointsinresearchingDC/DCconverteraswellassometypicalproblemsandsomeimprovements.Secondly,thispaperanalysesthebasicoperationtheoryandsometypicalproblemslikesecondarydutyratiolossandtheparasiticoscillationofoutputrectifierdiodesandpowerlossesaswellasthedifficultyforlagginglegsachieveZVS.Thirdly,thispapercalculatesthemainparametersincludingtheselectionofbridgeMOSFETandthedesignoftransformeraswellastheoutputfilterandsoon.ThelastofthethirdpartusesthesoftwareSABERtosimulatethemaincircuittoverifythecorrectionofthecalculations.Fourthly,thispaperintroducesthecontrolsystemoftheconverterincludingtheUCC2895chip,samplingcircuit,protectioncircuit,andthesmallsignalmodeloftheconverter,aswellasthecompensationofthefeedbackloops.Eventually,thepaperexplainstheexperimentalresultandanalyzestheresultindetail.Keywordsphaseshiftfullbridge,soft-switching,UCC2895,smallsignalmodel哈尔滨工业大学硕士学位论文-III-目录摘要.............................................................................................IAbstract..........................................................................................II第1章绪论..................................................................................11.1DC/DC变换器背景及发展方向.....................................................11.1.1电力电子器件是主要推动力...............................................11.1.2软开关技术概述...............................................................11.1.3DC/DC变换器的发展趋势..................................................41.2全桥ZVSPWM变换器的概述.....................................................51.2.1全桥变换器的控制策略.....................................................51.2.2移相全桥ZVSPWM变换器常见的问题和拓扑改进..................61.3本文研究方向及主要内容............................................................81.3.1本文研究方向.................................................................81.3.2本文主要内容.................................................................9第2章移相全桥ZVSDC/DC变换器拓扑的研究...........................102.1移相开关ZVSDC/DC变换器基本的拓扑分析...............................102.2移相全桥ZVSDC/DC变换器中关键问题的研究.............................142.2.1占空比丢失问题............................................................142.2.2超前臂和滞后臂ZVS的实现............................................152.2.3损耗分析.....................................................................162.2.4整流二极管寄生振荡......................................................172.3本章小结..............................................................................21第3章5kW移相全桥ZVSDC/DC变换器的设计...........................223.15kW移相全桥ZVSDC/DC变换器的技术指标...............................223.2变换器的各器件选型及相关参数计算..........................................223.2.1全桥开关管的选择.........................................................223.2.2主变压器的设计............................................................223.2.3整流二极管的选择.................