本文關鍵詞：高精度半導體制冷大功率程控電源關鍵技術研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：現(xiàn)代超精密儀器裝備需要高精度恒溫循環(huán)冷卻水來減少溫度誤差的影響,半導體制冷器可以為循環(huán)恒溫冷卻水系統(tǒng)提供優(yōu)良的制冷性能。針對半導體制冷器驅(qū)動過程中大功率、大電流與系統(tǒng)中可編程控制的需求,開關電源是最佳選擇。然而開關電源的開關工作原理使其輸出耦合大量的噪聲與諧波,將會影響半導體制冷功率控制精度,進而影響循環(huán)冷卻水的溫控精度。因此,針對半導體制冷的應用背景,對開關電源中的關鍵技術進行研究并改善開關電源輸出性能十分必要。根據(jù)以上應用背景與問題,本文對開關電源進行原理分析,具體研究改良開關電源輸出特性的關鍵技術,并完成了開關電源樣機的整體設計與研制,進行了相關性能測試。本文主要內(nèi)容如下:首先,針對半導體制冷用大功率開關電源的設計要求,對電源的電路結(jié)構(gòu)、材料器件、工作方式等各個方面進行了調(diào)查和綜述。經(jīng)過對比分析后,確定了基于全橋變換器的開關電源基本架構(gòu);其次,從半導體制冷器的工作特性出發(fā),結(jié)合高精度循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的實際使用需求,核算開關電源的設計指標,并完成基于全橋變換器架構(gòu)的功率開關驅(qū)動脈沖調(diào)制方式、驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)、輸出整流電路拓撲、電路穩(wěn)壓環(huán)路反饋控制方式等關鍵模塊的選擇設計,形成完整的開關電源電路原理方案;再次,結(jié)合開關電源的工作過程,探究知輸出紋波的主要來源為功率開關驅(qū)動電路、功率開關工作過程與整流二極管的關斷過程等工作電路開關過程中形成的振蕩,繼而分析振蕩形成的電路機理,運用諧振分析方法,計算得到核心元器件的關鍵參數(shù),并使用標準仿真軟件進行仿真,經(jīng)分析驗證設計結(jié)果正確、參數(shù)合理;對開關電源高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇方法進行理論分析,推導建立高頻變壓器磁芯選擇公式,設計了低漏感的變壓器,滿足課題參數(shù)與功能需要;同時確定了電源輸出端所需要的輸出濾波結(jié)構(gòu)及其核心參數(shù),以滿足課題需求;然后,根據(jù)控制理論,從電源穩(wěn)壓系統(tǒng)中提取出控制環(huán)路;運用開關電源環(huán)路控制的小信號模型,計算出各個模塊傳遞函數(shù)并最終導出整體控制回路的傳遞函數(shù);根據(jù)頻域分析方法,對電源穩(wěn)壓控制系統(tǒng)進行了開環(huán)傳遞函數(shù)的特性分析與三極點-雙零點補償網(wǎng)絡的設計,良好的補償了輸出濾波器中大容量電感與電容雙極點,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為進一步提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性,為電源系統(tǒng)增加緩啟動電路與兩級過流保護電路,并設計完成了基于單片機的檢測電路與數(shù)控系統(tǒng)等輔助工作環(huán)節(jié);最后,對開關電源中核心環(huán)節(jié)的關鍵技術參數(shù)進行仿真驗證和實驗測試,證明了使用諧振分析方法確定器件參數(shù)并進行波形整形對于輸出性能具有明顯的改善效果;在此基礎上,組裝工程樣機,對開關電源的主要性能指標包括控制線性度、頻率響應、紋波與噪聲進行了測試。結(jié)果表明,本文所設計開關電源在11.290V輸出下,經(jīng)過參數(shù)設計與波形整形,紋波從190m V降至88m V,電壓控制線性度達到0.44%,調(diào)節(jié)帶寬為1.2k Hz,最終測試最大功率可以達到933W,說明了本文中對于開關電源設計中所涉及的關鍵技術研究的正確性與合理性,為進一步研究提供基礎。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN86

【參考文獻】

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