大功率地铁屏蔽门移相全桥数字电源的设计与研究

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数字控制技术是现代高频大功率电源系统研究的主要热点之一,其不但能够简化控制环路的复杂度,增加电源系统抑制干扰的能力,而且还能缩短电源模块研发周期,提高电源模块的控制灵活性和整机效率,降低研发成本。本文基于地铁屏蔽门驱动电源的实际应用环境,将软开关技术与数字控制技术相结合,研究了一种基于数字控制的移相全桥软开关电源。围绕系统的总体方案确定、工作模态分析、关键器件参数设计、环路补偿分析、数字控制技术等关键问题,进行详细的阐述,并进行了仿真与实验验证。具体工作内容如下:首先,阐述了地铁屏蔽门驱动电源的各项技术指标,并确定数字控制的总体方案。DC/DC直流电源的主拓扑结构为原边绕组串联阻断电容和滞后臂串联反向电流阻断二极管的移相全桥ZVZCS拓扑。本文对主拓扑结构的基本工作模态进行理论的分析和研究,并对前级输入端电路、主电路拓扑、谐振网络、输出LC滤波的参数进行计算和器件选型。针对高频变压器的直流偏磁和副边震荡问题,采用隔直电容阻直通交,防止变压器饱和,且详细的推导二极管副边震荡数学模型,并讨论各种抑制措施,最后采用RC和RCD复合抑制网络吸收副边震荡电压尖峰。其次,对数字控制技术的分辨率、环路延时以及移相脉冲产生问题进行详细的理论分析和研究,并且针对环路延时进行仿真验证;文章除了阐述实际设计时需要考虑的硬件和软件抗干扰的方法之外,还利用小信号分析和PI补偿得到了主电路拓扑的开环和闭环传递函数。基于频域分析法和系统伯德图,得出补偿后的系统闭环截止频率和相角裕度都得到了一定程度的提高,满足系统动态响应速度和稳态精度的要求。基于差分变换得到增量式PI工程实现的控制算法,利用TI生产的DSP(TMS32028335),对控制系统的采样、数字滤波、保护和环路控制算法进行设计,并给出详细的主程序、PI控制算法、软启动和AD中断服务函数等程序的流程图。最后,通过在MATLAB/Simulink中搭建了电源整机系统的仿真模型,对前期理论分析、计算和参数设计进行了相关验证,并且研制了一台额定功率为2.2k W,瞬时功率为3.3k W的电源样机,通过对电源样机的相关测试和电源模块关键实验数据和波形的研究和分析,验证了该数字电源系统参数设计的合理性和工程实用性。
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