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矿用宽范围输入开关电源的研究

作　者: 马士亮
导　师: 吴辉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 有源箝位同步整流峰值电流控制斜坡补偿
分类号: TM461
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

开关稳压电源具有效率高、稳压范围宽、可实现直流变压等特点,经过多年的研究与开发,其可靠性已达到非常高的程度,在很多领域得到了广泛的应用,但是在井下设备的使用效果却一直不理想。由于井下工作环境恶劣,不但供给电压不稳定,高温密闭的工作环境更是普通开关电源无法承受的,这就为矿用宽范围输入开关电源的研制提出了要求。本论文通过比较几种常用直流变换器拓扑结构的特点,结合课题的研究目标,最终选定了有源箝位正激变换器作为主电路的拓扑。该变换器结构简单,所用器件少;能够实现变压器自动磁复位,从而提高了磁芯的利用率,减小了变压器体积,避免了变压器的偏磁;占空比可以大于50%,可调范围宽。这些特性都符合矿用电源对体积小、输入电压范围宽的要求。通过对主电路的工作模态分析和PSPICE仿真,合理设计谐振参数和死区时间可以实现开关管的零电压开关,减少开关器件的损耗。在实现软开关的前提下应尽量减小死区时间,增大有效占空比。谐振电容的大小对死区时间的设置和开关管零电压关断效果的影响非常大,在选取时应综合考虑;箝位电容大小会影响开关管的电压应力和变压器磁复位的时间,本论文给出了其选取的原则。传统的二极管整流电路由于二极管的导通压降较高,整流损耗较大,特别是在低压大电流的情况下,问题尤为严重。本课题中变压器副边采用自驱动的同步整流代替传统的二极管整流,减少了整流损耗,进一步提高了效率,从而减少了电源的发热,使电源能够在高温密闭的环境下正常工作。以UCC2893为核心,采用峰值电流控制方式,设计了控制电路。内环采用电流互感器采样变压器原边电流,外环通过校正和隔离电路采样输出电压,通过加入斜坡补偿的方法,可以实现变换器在占空比D大于50%时稳定工作,并且解决了电源输出轻载或空载时的失控问题。为了验证理论设计的正确性,利用PSPICE对电路进行了仿真,并在此基础上,研制了直流电源样机。通过对仿真和实验结果的分析,验证了理论设计的正确性,电源的各项性能指标均达到了设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 开关电源常用的几种变换器拓扑  10-12
  1.3 有源箝位正激变换器的提出  12-13
  1.4 软开关技术的提出和发展  13-16
    1.4.1 软开关技术的提出  13-14
    1.4.2 软开关技术的发展  14-16
  1.5 同步整流的提出  16-17
  1.6 主要工作及研究内容  17-18
第2章有源箝位正激变换器的工作原理分析  18-30
  2.1 概述  18
  2.2 有源箝位正激变换器的模态分析  18-24
  2.3 同步整流的基本原理  24-25
  2.4 关键参数的设计  25-26
    2.4.1 箝位电容的选择  25-26
    2.4.2 主开关和箝位开关软开关的实现  26
  2.5 PSPICE仿真分析  26-29
    2.5.1 箝位电容对电路的影响  27-28
    2.5.2 死区时间对电路的影响  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章电源主电路设计  30-40
  3.1 概述  30
  3.2 功率变压器设计  30-33
  3.3 功率开关管的选择及驱动电路设计  33-35
    3.3.1 功率开关管选择  33-35
    3.3.2 开关管驱动电路设计  35
  3.4 同步整流电路及输出滤波电感设计  35-38
    3.4.1 同步整流电路的设计  35-37
    3.4.2 输出滤波电感的设计  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章控制电路设计  40-51
  4.1 概述  40
  4.2 峰值电流控制介绍  40-44
    4.2.1 峰值电流控制的原理及特点  40-42
    4.2.2 峰值电流控制的斜坡补偿  42-44
  4.3 适用于有源箝位正激变换器的峰值电流控制电路设计  44-48
    4.3.1 内环电流采样电路设计  46-47
    4.3.2 斜坡补偿电路设计  47
    4.3.3 电压外环设计  47-48
  4.4 保护电路的设计  48-50
    4.4.1 过热保护  48-49
    4.4.2 过压欠压保护  49-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章实验分析  51-58
  5.1 概述  51-52
  5.2 实验分析  52-57
    5.2.1 在宽范围电压输入下软开关的实现  52-54
    5.2.2 电源效率  54-57
  5.3 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-63
攻读硕士学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

矿用宽范围输入开关电源的研究

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