论文题目：基于交错并联PFC及全桥LLC谐振变换器的通信电源设计
摘要：得益于互联网时代的快速发展,通信电源作为能源供给设备正朝着高功率因数、高效率、高负载调整率等方向不断发展。本课题以实现输出为48V/20A的高品质、高动态响应能力通信电源为目标,采用两级变换器结构分别设计前级APFC电路及后级DC-DC变换器。前级APFC电路采用交错并联Boost PFC电路设计,研究了其控制方式、工作模态、工作特性等,基于本课题目标计算了主电路参数并分析了电路小信号模型,以此为基础建立了双闭环控制系统并使用MATLAB进行仿真验证。实验表明交错并联Boost PFC电路可有效降低总直流输入电流的纹波电流以减小总谐波畸变率,并使输入电流有效跟踪输入电压,从而实现高功率因数。后级DC-DC电路采用全桥LLC谐振变换器设计,介绍了其工作原理,通过基波分析法分析了其等效模型及直流增益特性。为确保变换器工作稳定性并提高工作效率,分析了其在诸如空载和短路等极端负载情况下的工作特性,及其品质因数和电感比对谐振腔输出效率的影响,综合分析后基于本课题目标计算了主电路参数并分析了电路小信号模型,以此为基础建立了整数阶PID控制系统并使用MATLAB进行仿真验证。实验结果表明变换器可在全负载范围内实现初级ZVS、次级ZCS,达到高工作效率,然而在整数阶PID控制下变换器输出纹波电压较大且不具备足够的动态响应能力,难以适用于负载变化率较大的通信电源。为改善全桥LLC谐振变换器动态响应能力,本课题将分数阶PIλDμ控制器应用于变换器,采用粒子群算法进行参数整定以实现优化控制,通过MATLAB仿真结果的对比分析,表明分数阶PIλDμ控制可有效降低输出纹波电压,且该变换器的动态响应能力是整数阶PID控制下的3-4倍,适用于通信电源。基于通信电源的理论研究,设计了通信电源的主电路、各功能性电路以及基于DSP的数字控制系统,测试了样机的相关波形及指标,证明样机可实现高功率因数、高工作效率、高动态响应,验证了设计的正确性和实用性。
关键词：通信电源;交错并联;LLC谐振变换器;动态响应能力;分数阶
学科专业：仿生装备与控制工程
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
1.2 通信电源系统概述
1.2.1 功率因数校正级
1.2.2 后级DC-DC变换器
1.3 通信电源研究现状
1.3.1 前级Boost型APFC电路研究现状
1.3.2 LLC谐振变换器研究现状
1.4 研究内容
第二章 交错并联Boost PFC拓扑结构的分析设计
2.1 功率因数校正技术的意义
2.2 交错并联Boost PFC的拓扑结构及控制方法
2.3 CCM模式下交错并联Boost PFC电路的设计与分析
2.3.1 CCM模式下交错并联Boost PFC拓扑的工作模态
2.3.2 CCM模式下交错并联Boost PFC拓扑的特性
2.4 交错并联Boost PFC拓扑的主电路参数计算
2.4.1 PFC电感的参数计算
2.4.2 输出电容的参数计算
2.5 CCM模式下交错并联Boost PFC电路的建模与仿真
2.5.1 CCM模式下交错并联Boost PFC电路的小信号建模
2.5.2 交错并联Boost PFC电路的仿真
2.6 本章小结
第三章 全桥LLC谐振变换器的分析设计
3.1 引言
3.2 全桥LLC谐振变换器的工作原理
3.2.1 f_m≤f_s≤f_r时LLC谐振变换器的工作模态
3.2.2 f_s>f_r时LLC谐振变换器的工作模态
3.3 全桥LLC谐振变换器的直流增益特性分析
3.4 全桥LLC谐振变换器的空载和短路特性
3.4.1 空载情况下变换器的工作特性
3.4.2 超载情况变换器的工作特性
3.5 谐振参数取值对全桥LLC谐振变换器工作效率的影响
3.6 全桥LLC谐振变换器的主电路参数计算
3.6.1 谐振腔参数计算
3.6.2 输出电容的参数计算
3.7 本章小结
第四章 全桥LLC谐振变换器控制策略的研究
4.1 引言
4.2 全桥LLC谐振变换器的小信号建模
4.3 整数阶PID控制下全桥LLC谐振变换器的仿真与分析
4.4 分数阶PI~λD~μ控制器的设计
4.4.1 分数阶微积分定义及其有理化近似
4.4.2 分数阶PI~λD_μ控制器的设计
4.5 分数阶PI_λD~μ控制下全桥LLC谐振变换器的仿真与分析
4.6 本章小结
第五章 通信电源样机设计及实验结果分析
5.1 通信电源主电路设计
5.1.1 交错并联Boost PFC主电路的设计
5.1.2 全桥LLC谐振变换器主电路的设计
5.2 前/后级驱动电路设计
5.2.1 交错并联Boost PFC驱动电路的设计
5.2.2 全桥LLC谐振变换器驱动电路的设计
5.3 前/后级采样电路设计
5.3.1 电压采样电路设计
5.3.2 电流采样电路设计
5.4 通信电源的保护电路设计
5.5 通信电源的辅助电源设计
5.5.1 辅助电源变压器设计
5.5.2 辅助电源原理图设计
5.6 通信电源的数字控制系统设计
5.6.1 数字控制系统的电源网络分布
5.6.2 数字控制系统的程序设计
5.6.3 数字控制系统的控制器设计
5.7 实验结果及分析
5.7.1 交错并联Boost PFC电路波形实测
5.7.2 全桥LLC谐振变换器波形实测
5.7.3 电磁兼容性测试
5.7.4 整机效率测试
5.7.5 整机功率因数测试
5.8 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢