宽范围输入两级式DC/DC变换器的研究

论文摘要

现实生活中常遇到一些特殊状况使得设备的输入电压会超出常规范围变化。宽范围输入电压可能会导致控制系统的不稳定,同时容易使电子器件所承受的应力超出其耐压耐流水平,造成设备过热甚至烧毁。军用特种车因其特殊的应用环境,输入电压常出现宽范围变化情况。然而,其内部电子设备对输入电压的稳定性要求很高,28V稳定的直流电压是这些电子设备常需的电压,且要求供电电源模块动态特性好、体积小、稳定性高。本文针对于军用特种车载系统中遇到的宽范围输入电压问题,提出了一种由双管BuckBoost电路与双管正激变换电路级联的两级式DC/DC变换器的解决方案,该级联电路能够在85V~450V输入电压范围内稳定工作,并输出稳定的低纹波28V电压。在单电压型控制调压系统中,输入电压变化会引起系统各电气变量变化,只有这些变化引起输出电压的变化之后,电压控制环才起到调节作用。平均电流控制通过引入电感电流构建内反馈环,能更快的反应输入电压变化,从而迅速的调节系统。论文构建了平均电流控制系统作为前级双管BuckBoost变换器的环路控制系统,验证了该控制系统在85V~450V输入电压范围内的适用性;介绍了双管BuckBoost电路的工作原理,并建立了电路两种工作模式的小信号模型;对前级主电路进行详细的参数设计,并讨论其元器件的选取。后级双管正激变换器主要作用是二次降压和电气隔离,同时保证负载变化时输出电压的稳定性,采用单电压环控制系统。建立了双管正激变换器的小信号模型,对主电路参数进行了设计,并对环路控制系统进行了详细的设计。为了确保本文所提出的两级式级联变换器稳定工作,论文分析了前级双管BuckBoost变换器的输出阻抗与后级双管正激变换器的闭环输入阻抗的关系,验证了两者满足级联系统稳定性判据。为验证两级式变换器的可行性以及理论分析的正确性,建立了基于PSIM软件平台的仿真模型。仿真结果表明:系统能稳定工作并具有良好的动静态特性,输入电压变化和负载变化引起的输出电压扰动很小,输出电压近似恒定。最后,制作了两级式变换器的原理样机,并进行了实验研究,对实验所得波形进行了分析,验证了本文所提出方案的可行性和正确性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 宽范围输入变换器应用场合及其现实意义
• 1.1.2 宽范围输入变换器拓扑选择标准
• 1.1.3 宽范围输入变换器研究现状
• 1.2 本文的研究内容和意义
• 1.2.1 本文的研究意义
• 1.2.2 本文的研究内容
• 2 前级变换器工作原理及其控制环路设计
• 2.1 引言
• 2.2 双管BuckBoost 变换器工作原理
• 2.3 双管BuckBoost 变换器小信号模型
• 2.4 控制环路设计
• 2.4.1 控制方式选择
• 2.4.2 控制器选择
• 2.4.3 级联系统中后级变换器的负阻抗特性分析
• 2.4.4 电流内环控制器设计
• 2.4.5 宽范围输入电压下电流控制器适用性验证
• 2.4.6 电压外环控制器设计
• 2.5 本章小结
• 3 双管 BuckBoost 变换器参数设计
• 3.1 引言
• 3.2 电路工作于Boost 模式时的器件工作状态分析
• 3.2.1 电感电流分析
• 3.2.2 开关管和二极管应力分析
• 3.2.3 电感量计算
• 3.2.4 输出滤波电容设计
• 3.3 电路工作于Buck 状态时的器件工作状态分析
• 3.3.1 电感电流分析
• 3.3.2 开关管和二极管应力分析
• 3.3.3 电感量计算
• 3.3.4 输出滤波电容设计
• 3.4 双管BuckBoost 变换器的器件选择
• 3.4.1 开关管和二极管选择
• 3.4.2 电感值选择
• 3.4.3 电容选择
• 3.5 本章小结
• 4 后级变换器设计
• 4.1 引言
• 4.2 后级变换器的选择
• 4.3 后级双管正激变换器参数设计
• 4.3.1 变压器匝比选择
• 4.3.2 电感电流分析
• 4.3.3 开关管选取
• 4.3.4 二极管选取
• 4.3.5 电感值计算
• 4.3.6 电容选取
• 4.4 后级双管正激变换器的小信号模型
• 4.5 单电压环控制回路设计
• 4.6 本章小结
• 5 两级式变换器稳定性分析
• 5.1 引言
• 5.2 级联系统稳定性判据
• 5.3 前级变换器输出阻抗
• 5.3.1 Buck 模式时的前级变换器输出阻抗
• 5.3.2 Boost 模式时的前级变换器输出阻抗
• 5.4 后级变换器闭环输入阻抗
• 5.5 前后级阻抗匹配性验证
• 5.6 本章小结
• 6 宽范围输入两级式变换器仿真分析
• 6.1 引言
• 6.2 仿真结果
• 450V 间阶跃变化时的仿真结果'>6.2.1 输入电压在85⁴50V 间阶跃变化时的仿真结果
• 450V 间线性缓慢变化时的仿真结果'>6.2.2 输入电压在85⁴50V 间线性缓慢变化时的仿真结果
• 6.3 本章小结
• 7 实验电路的设计与结果分析
• 7.1 引言
• 7.2 主电路磁件设计
• 7.2.1 前级变换器电感器设计
• 7.2.2 高频变压器设计
• 7.2.3 后级变换器输出滤波电感器设计
• 7.3 前级变换器控制环路实现
• 7.3.1 平均电流控制环路的实现
• 7.3.2 工作模式自动切换的实现
• 7.4 后级变换器控制环路实现
• 7.5 MOSFET 缓冲电路设计
• 7.6 MOSFET 驱动电路设计
• 7.7 实验结果及分析
• 7.8 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录