第一章 緒論

1.1  開關(guān)電源的發(fā)展概述 
開關(guān)電源起源于上個(gè)世紀(jì) 50 代初，美國宇航局因火箭運(yùn)行的需要而設(shè)計(jì)了小體積輕質(zhì)量的開關(guān)電源，其為開關(guān)電源的雛形。時(shí)至今日，開關(guān)電源已有近 60 年的發(fā)展歷程。隨著各種控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，小型輕量化的開關(guān)電源陸續(xù)面世，因具有高效率、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域其都得到了很好的應(yīng)用和推廣，逐漸取代了基于傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源[3-4]。 開關(guān)電源的發(fā)展過程主要分為三個(gè)重要階段：（1）在 20 世紀(jì) 80 年代前，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，所以功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件（BPT 、SCR 和GTO）發(fā)展為 MOS型器件（MOSFET 、IGBT 和 IGCT 等），此時(shí)的電源主要是線性穩(wěn)壓電源，其反應(yīng)速度快，輸出紋波小，工作噪聲低，應(yīng)用十分廣泛。但由于其調(diào)整管一般工作在線性放大區(qū)，所以當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，其調(diào)整管的集電極損耗會(huì)很大，造成了線性穩(wěn)壓電源效率低的問題，而且其輸出電壓一般普遍低于輸入電壓。（2）在 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)逐步發(fā)展，此類技術(shù)的應(yīng)用使功率變換器性能優(yōu)越，功率損耗降低，質(zhì)量輕，體積小，而且可以應(yīng)用在高頻和大功率的場合。此時(shí)開關(guān)電源逐漸彰顯了其性能的優(yōu)點(diǎn)，漸漸取代了線性穩(wěn)壓電源。（3）在 20 世紀(jì) 90 年代中期，集成電力系統(tǒng)和集成電力電子模塊（IPWM ）技術(shù)已有了很好的發(fā)展，其推動(dòng)著開關(guān)電源的逐漸革新，在新的社會(huì)發(fā)展形勢和社會(huì)需求下，集成模塊化的開關(guān)電源需要進(jìn)一步發(fā)展和研究。 在 1997 年，國外率先成功推出PWM（脈寬調(diào)制）控制器集成電路芯片，如美國的Motorola 公司、 Silicon General 公司和 Unitrode 公司等。隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展，集成電路芯片已有了很大的發(fā)展，尤其是近些年，國外又相繼研制了數(shù)兆赫茲的高速、高頻PWM 和 PFM 芯片。相比較之下，由于開關(guān)電源的研究和發(fā)展在國內(nèi)起步比較晚、技術(shù)相對(duì)比較落后，所以發(fā)達(dá)國家品牌的模塊電源占據(jù)了國內(nèi)開關(guān)電源很大的市場，尤其是大功率、高頻模塊電源和近乎一半的中小功率的模塊電源。
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1.2  選題的意義
隨著研究的不斷深入，研究者們對(duì)開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)，先后出現(xiàn)了許多功能模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如前級(jí) EMI 濾波結(jié)構(gòu)、可控或不可控整流結(jié)構(gòu)、PFC功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)和 DC-DC 變換結(jié)構(gòu)，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有著各自適用的頻率和功率場合。開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要，合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以提高開關(guān)電源的效率和傳輸功率，還可以減少電源本身的電磁干擾和設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)的成本。開關(guān)電源的控制策略雖有許多學(xué)者進(jìn)行了研究，但對(duì)于成品電源而言多采用的是較簡單的 PID 控制，即便是在理論研究方面，大多數(shù)依然停留在模糊PID 控制的研究。另外，開關(guān)電源最重要的DC-DC 變換器環(huán)節(jié)長期存在著許多棘手的問題，如變壓器副邊占空比較嚴(yán)重的丟失，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型精確建立的困難性，外部干擾和開關(guān)電源系統(tǒng)的非線性化對(duì)系統(tǒng)本身的影響等困擾�；谝陨洗嬖诘膯栴}，本課題在選擇了合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)于帶功率因數(shù)校正技術(shù) 的開關(guān)電源進(jìn)行了深入的研究，尤其是其前級(jí) PFC 變換器和后級(jí)移相全橋 ZVS DC-DC 變換器，包括其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、改進(jìn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，數(shù)學(xué)模型的建立和控制策略，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果去驗(yàn)證開關(guān)電源設(shè)計(jì)的合理性。 
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第二章  開關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與原理

對(duì)開關(guān)電源組成部分的了解和認(rèn)識(shí)是設(shè)計(jì)開關(guān)電源的基礎(chǔ)。首先，明確開關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要有哪幾部分組成；其次，對(duì)開關(guān)電源各組成部分進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，包括其工作原理、常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件參數(shù)選取和不同結(jié)構(gòu)需要注意哪些問題等等。本章主要介紹了開關(guān)電源的總體組成，并對(duì)各結(jié)構(gòu)部分的原理、基本問題等進(jìn)行了深入的研究。 

2.1  開關(guān)電源的整體設(shè)計(jì) 

開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)方案需根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)的要求來設(shè)計(jì)，需詳細(xì)了解開關(guān)電源的基本組成結(jié)構(gòu)和功能模塊之間的關(guān)聯(lián)。圖 2.1(a)為開關(guān)電源的總體組成結(jié)構(gòu)，其主電路由單相交流輸入電壓、單級(jí)Boost 型PFC 電路和后級(jí)DC-DC 直流變換電路組成；控制回路主要由電壓電流采樣電路和 DSP 控制器和輔助電源組成。采用電壓、電流雙閉環(huán)PI 控制算法為單級(jí) Boost 型PFC 電路設(shè)計(jì)了獨(dú)立的控制器；后級(jí)DC-DC 電路在采用了軟開關(guān)技術(shù)的移相全橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于系統(tǒng)辨識(shí)的自校正PID 控制器。這些模塊電路結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了一個(gè)完整的開關(guān)電源系統(tǒng) 。為了更好地了解開關(guān)電源的工作情況和各組成結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)部聯(lián)系，采用主電路中電壓波形的變化來進(jìn)行描述和說明。圖 2.1(b)給出了開關(guān)電源主電路電壓的變化，交流輸入電壓經(jīng)不控整流電路和PFC 電路后變成脈動(dòng)較小或沒有脈動(dòng)的直流穩(wěn)定電壓；直流電壓在移相全橋 ZVS DC-DC 變換器的作用下，由直流電壓逆變成交流電壓，再經(jīng)變壓器副邊整流電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。 

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2.2 開關(guān)電源的 PFC 電路
交流輸入電壓經(jīng)開關(guān)電源整流、濾波后，非線性負(fù)載會(huì)使得輸入電流波形發(fā)生畸變，造成輸入電流中會(huì)含有許多諧波分量，進(jìn)而致使功率因數(shù)降低，從而影響開關(guān)電源整體的效率[14-16]。開關(guān)電源中功率因數(shù)校正的基本方法有無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種，由于無源功率因數(shù)校正使用了許多電感和電容，不僅使開關(guān)電源體積很大、電路笨重，而且很難使開關(guān)電源得到更高的功率因數(shù)，所以在實(shí)際應(yīng)用中有源功率因數(shù)校正的應(yīng)用較為廣泛。常見的直流變換器主要有降壓式Buck 、升壓式Boost 電路、反激式Flyback 電路和升降壓式Boost-Buck 電路等，其性能的優(yōu)缺點(diǎn)如表 2-1 所示。 
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第三章  開關(guān)電源的建模與參數(shù)選取 .... 27 
3.1  數(shù)學(xué)模型的建立 ...... 27 
3.1.1  有源 PFC 的建模 .......... 27 
3.1.2  后級(jí) DC-DC 變換器的小信號(hào)建模 ........... 29 
3.2  開關(guān)電源主電路參數(shù)的選取 .... 32 
3.3  本章小結(jié) ........ 37 
第四章  開關(guān)電源的控制器設(shè)計(jì) ............ 39 
4.1 PFC 控制環(huán)節(jié)的性能分析與優(yōu)化 ...... 39
4.2  自校正控制 .... 44 
4.3  自校正 PID 控制 ..... 44 
4.4  自校正 PID 控制實(shí)現(xiàn)的步驟和流程 .......... 48 
4.4.1  自校正 PID 控制實(shí)現(xiàn)的步驟 .......... 48 
4.4.2  自校正 PID 控制實(shí)現(xiàn)的流程圖 ...... 49 
4.5  本章小結(jié) ........ 50 
第五章  開關(guān)電源系統(tǒng)的仿真 ...... 51 
5.1 BOOST 型 PFC 環(huán)節(jié)的仿真 ........ 51 
5.2  移相全橋 ZVS DC-DC 變換器的仿真 ........ 52
5.3  開關(guān)電源系統(tǒng)的整體仿真 ........ 56 
5.4  本章小結(jié) ........ 58 

第五章  開關(guān)電源系統(tǒng)的仿真 

仿真分析用來驗(yàn)證開關(guān)電源的控制效果和其控制器設(shè)計(jì)的良好與否，本章采用MATLAB 仿真軟件對(duì)開關(guān)電源的 PFC 環(huán)節(jié)、移相全橋 ZVS DC-DC 變換器分別進(jìn)行仿真分析，最后組合 PFC 和后級(jí) DC-DC 變換器對(duì)開關(guān)電源整體系統(tǒng)進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 

5.1 Boost 型 PFC 環(huán)節(jié)的仿真 
在對(duì) PFC 電路進(jìn)行原理分析和控制器設(shè)計(jì)之后，可以在 MATLAB/simulink 下搭建功率因數(shù)正環(huán)節(jié)的仿真模型。由 3.2.2 節(jié)和技術(shù)指標(biāo)可知Boost PFC電路的仿真參數(shù)：單相交流輸入 220V ，輸入頻率為 50Hz ，圖 5.2（a）、（b）、（c）和（d）分別為單級(jí) Boost 型PFC 的輸出電壓波形、電壓局部放大波形、輸出電流波形和電流局部放大波形。從圖中可知在額定負(fù)載下輸出電壓、電流響應(yīng)快、穩(wěn)定性強(qiáng)，大約在0.25s 時(shí)電壓穩(wěn)定在400V ，電流穩(wěn)定在5.32A ，此時(shí)PFC的輸出功率大約為 2127W ，，效率大約為 0.94 。由圖（b）可知輸出電壓平均值約等于400V ，其脈動(dòng)小，輸出范圍大約在 (400 0.3)V ；由圖（d）可知輸出直流電流平均值約等于5.32A ，其脈動(dòng)較小，能夠?yàn)楹蠹?jí)DC-DC 變換器提供穩(wěn)定的工作電壓和電流， 符合設(shè)計(jì)的要求。 根據(jù)自校正 PID 控制的工作原理，在MATLAB 中搭建自校正PID 控制模型，如圖5.3 所示�？刂破髦饕蓞�(shù)估計(jì)模塊（用遞推最小二乘法）、 PID 參數(shù)計(jì)算模塊（極點(diǎn)配置法）和PID 控制器組成。其中，U in(t)?為控制輸入量端口，u0(t)為當(dāng)前 DC-DC變換器的輸出電壓量端口，ur(t) 為參考電壓給定端口；u(t)為控制輸出量端口（聯(lián)結(jié)PWM 脈沖發(fā)生器），ID params 為觀測參數(shù)辨識(shí)端口。為了參數(shù)辨識(shí)的效果，仿真時(shí)應(yīng)將U in(t)?與u(t)連接，但又為了防止u(t)超限，兩者間加入飽和模塊。 
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總結(jié) 

本文從開關(guān)電源的基本組成出發(fā)，分別對(duì)其組成模塊—PFC 電路和后級(jí) DC-DC 變換 器 進(jìn) 行 了 研 究 。 重 點(diǎn) 設(shè) 計(jì) 了 Boost PFC 的 雙 閉 環(huán) PI 控 制 器 和 后 級(jí) 移 相 全 橋ZVS DC-DC 變換器帶參數(shù)估計(jì)的自校正 PID 控制器。本文把基于遞推最小二乘法的參數(shù)估計(jì)、自校正控制與傳統(tǒng) PID 控制相結(jié)合，應(yīng)用在 DC-DC 變換器中；參數(shù)估計(jì)的數(shù)據(jù)經(jīng)極點(diǎn)配置后計(jì)算出適當(dāng)?shù)?PID 參數(shù)，然后利用PID 控制器對(duì) DC-DC 變換電路進(jìn)行控制，使輸出電壓更加穩(wěn)定，系統(tǒng)抗干擾性更強(qiáng)。 本文工作重點(diǎn)總結(jié)如下： 
1.  針對(duì)本文開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)，選取了單級(jí) Boost PFC 電路，分析了其工作原理并給出了參數(shù)的選取，同時(shí)又利用開關(guān)周期平均模型法對(duì)其建立了數(shù)學(xué)模型。最后設(shè)計(jì)了電壓、電流雙閉環(huán)PI 控制器，利用MATLAB 仿真驗(yàn)證了其作用的效果。 
2.  鑒于 DC-DC 變換器是開關(guān)電源的最重要部分，其是本文的研究重點(diǎn)。對(duì)傳統(tǒng)移相全橋 DC-DC 變換器的工作原理和存在的問題進(jìn)行了分析，針對(duì)滯后臂難以實(shí)現(xiàn) ZVS變換的問題，在原拓?fù)渖显鲈O(shè)了輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，并給出了 ZVS的解決、和占空比丟失的抑制方法，最后利用空間狀態(tài)平均法對(duì)帶輔助網(wǎng)絡(luò)的移相全橋 ZVS DC-DC 變換器進(jìn)行了建模，同時(shí)選取了變換器的參數(shù)。根據(jù)開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)和對(duì)開關(guān)電源的要求，在傳統(tǒng) PID 控制的基礎(chǔ)上引入了系統(tǒng)辨識(shí)和自校正控制，最后建立了自校正 PID 控制器對(duì)DC-DC 變換器進(jìn)行控制，且利用 MATLAB 仿真驗(yàn)證了此控制策略使變換器的輸出更加穩(wěn)定，響應(yīng)速度更快，動(dòng)態(tài)性能更好，由此驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)越性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：106451