基于三电平变换器的高压直流电源研究

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近年来,通信技术在许多领域内得到了快速发展。作为通信数据机房的供电电源,交流UPS同样得到了大量的应用。由于交流UPS固有的特点,使得其在运行过程中表现出了可靠性差、功率密度低、转换效率低等一些缺点。在通信电源应用的背景下,针对交流UPS的缺点采用高压直流电源代替交流UPS的呼声越来越高。相比交流UPS,高压直流电源具有可靠性高、效率高、功率密度大、扩容方便等优点。通过对高压直流电源系统设计要求的分析,本文搭建了一台额定功率6k W的高压直流电源主电路实验平台。主电路拓扑采用两级结构,其中前级采用三相VIENNA变换器实现功率因数校正,后级采用半桥三电平LLC谐振变换器实现电气隔离和电压变换。在控制系统方面,不同于传统两级控制结构,本文采用输入电流内环和后级输出电压闭环的双闭环控制方式,通过改变前级VIENNA变换器开关管的占空比来控制后级变换器的输出电压,从而简化系统的控制结构。同时针对传统LLC谐振变换器变频控制存在的磁性元件设计困难、开关频率变化范围大及轻载时效率低等缺点,本文对半桥三电平LLC谐振变换器采用定频定占空比控制,理论上使后级的开关频率等于谐振频率,从而使LLC谐振变换器在效率较高点上运行。针对谐振元件参数可能存在的扰动性,本文提出了基于模型预测控制的LLC谐振频率追踪控制方法。针对死区时间对超高频LLC谐振变换器的影响,本文建立了死区时间与桥臂输出电压的数学关系。在软件实现方面,根据上述控制方案对电压环、电流环调节器进行设计及电压电流双闭环的程序设计。搭建了一台额定功率6k W的高压直流电源主电路实验平台,核心控制芯片采用了TI公司的TMS320F28335型DSP及Alter公司的EP3C25Q240C8N型FPGA芯片。仿真结果证明了新型控制方案的可行性。实验结果实现了输入侧功率因数校正及输出稳压,与理论分析及仿真结果一致。
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