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三电平谐振式充电电源的研究

作　者: 向欣
导　师: 刘庆想
学　校: 西南交通大学
专　业: 轨道交通电气化与自动化
关键词: 三电平 串联谐振 并联谐振 零电流关断(ZCS) 零电压开通(ZVS) 谐振法 高频变压器 分布电容
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


通常高频串联谐振充电电源采用两电平变换器作为逆变器。两电平变换器的最大好处在于控制量少、结构相对简单、控制方便,但是出于电路结构的限制它不能灵活地改变充电电流的流向、不能改变充电电流的大小,使得串联谐振充电末期的峰值电流较大、负载功率需求较大、软关断时的充电精度较低。为了改善充电电源的波形,克服两电平变换器的这些缺点,本文采用三电平变换器来代替两电平变换器。三电平变换器不仅可以半电压工作,还可以全电压工作,这样就可以在不同的时刻采用不同的工作模式以达到减小峰值电流、减小负载瞬时功率需求、提高充电精度的目标,并且它可以采用低压高频开关器件组成,因为频率越高充电电源的无源元件体积越小,所以可以一定程度上减小充电电源的体积和重量。除此之外,串联谐振充电电源还存在由于分布电容的影响带来的缺陷。为了克服这个缺陷,可以采用两个方法:一是采用谐振法在电路中加入谐振器件以消除分布电容的影响;二是改变充电电路结构形成三电平ZVS(零电压开通)谐振式充电结构,这样不仅可以充分利用分布电容作为工作参数、提高输出电压的等级,还可以一定程度上减小充电电源的体积和重量。本文通过把三电平变换器与谐振充电电路相结合,在前人对三电平充电结构研究的基础上开展了较为深入的理论分析和实验研究。本文主要进行了三电平ZCS谐振充电结构的工作特性研究,包括控制方式及相应的充电波形分析,讨论了采用混合模式工作的可行性,并且针对高频变压器的分布电容,从理论和实验分析了采用谐振法来消除它对串联谐振充电结构产生的影响的可行性;在对三电平ZVS谐振充电结构进行分析方面,主要完成并联谐振工作原理分析和控制方式研究,探讨了不同控制方式下充电波形的优劣、不同Q值下波形的变化情况及充电保护电路的设计思路等内容,基本找出了三电平充电电源的设计规律并论证了其可行性,为三电平充电电源的发展提供一定的思路和设计参考。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-17
  1.1 研究背景及意义  11-13
    1.1.1 市场对充电电源的需求  11
    1.1.2 传统两电平串联谐振充电电源的缺陷  11-12
    1.1.3 三电平谐振充电电源的优点  12
    1.1.4 研究三电平充电电源代替两电平充电电源的必要性  12-13
  1.2 三电平恒流充电电源研究现状  13-15
  1.3 本文研究内容  15-17
第2章 三电平变换器及谐振网络  17-23
  2.1 三电平变换器的组成形式  17-21
    2.1.1 半桥TL直流变换电路  18-19
    2.1.2 全桥TL直流变换电路  19-20
    2.1.3 复合全桥TL直流变换电路  20-21
  2.2 谐振网络的组成形式  21-22
  2.3 三电平谐振变换器的优势  22-23
第3章 三电平ZCS串联谐振式恒流充电电源  23-47
  3.1 工作原理及特性分析  23-29
    3.1.1 全电压ZCS驱动方式  24-26
    3.1.2 半电压ZCS驱动方式  26-27
    3.1.3 混合ZCS驱动方式  27-29
  3.2 仿真验证  29-35
  3.3 三电平与两电平充电电源充电特性比较研究  35-37
  3.4 变压器分布电容的影响及消除办法  37-46
    3.4.1 变压器分布电容对ZCS充电的影响  37-38
    3.4.2 消除变压器分布电容的方法研究  38-42
    3.4.3 仿真验证  42-45
    3.4.4 实验验证  45-46
  3.5 相关结论  46-47
第4章 三电平ZVS并联谐振式恒流充电电源  47-85
  4.1 工作原理分析  47-54
  4.2 两种ZVS驱动方式的特性比较研究  54-61
    4.2.1 开关管损耗  54-56
    4.2.2 器件损耗  56-57
    4.2.3 对飞跨电容的影响  57
    4.2.4 线路寄生电感的影响  57-59
    4.2.5 PS及NPS的相互关系  59-60
    4.2.6 NPS下三电平ZVS充电结构变换  60-61
  4.3 负载Q值特性研究  61-64
  4.4 保护电路设计思路  64-67
  4.5 电路损耗分析及控制优化研究  67-74
  4.6 仿真实验方案  74-85
第5章 实验验证  85-89
  5.1 三电平ZVS充电电源技术参数  85-87
  5.2 三电平ZVS充电电源实验器材  87
  5.3 实验中遇到的问题及解决办法  87-88
  5.4 实验总结  88-89
结论  89-90
致谢  90-91
参考文献  91-95
攻读学位论文期间发表论文  95-96
附录  96-97

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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