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開關變換器設計與應用 版權信息
- ISBN：9787030694331
- 條形碼：9787030694331 ; 978-7-03-069433-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
開關變換器設計與應用 內容簡介
本書針對電力電子應用領域應用廣泛的開關變換器技術，在內容體系的安排上，以研制開關變換器為目標，較為系統地闡述了脈沖寬度調制（PWM）控制電路設計、驅動電路設計、輔助電路設計、熱設計、磁設計和仿真與建模共六部分基本內容，為開關變換器設計與應用及研究提供了理論和技術基礎。
開關變換器設計與應用 目錄
目錄
緒論 1
第1章 PWM控制電路設計 9
1.1 功率變換電路基礎 9
1.1.1 線性電源 9
1.1.2 開關電源 11
1.2 PWM模擬控制電路 12
1.2.1 分立元件組成的PWM控制電路 12
1.2.2 單端PWM控制芯片 15
1.2.3 橋式PWM控制芯片 18
1.2.4 三相逆變橋SPWM控制集成電路 22
1.3 PWM數字控制 26
1.3.1 標準51單片機PWM控制 27
1.3.2 TMS320F2812的PWM控制 28
1.3.3 TMS320F28335的PWM控制 33
思考與練習 42
第2章 驅動電路設計 43
2.1 驅動電路設計準則 43
2.1.1 驅動電路基本功能 43
2.1.2 驅動電路與控制電路的隔離問題 44
2.1.3 驅動電路的共地問題 44
2.1.4 驅動電路的驅動能力和驅動電阻的選擇 45
2.2 單管非隔離驅動電路 46
2.2.1 分立元件驅動電路設計 46
2.2.2 單管驅動芯片 46
2.3 單管隔離驅動 48
2.3.1 光耦隔離驅動 48
2.3.2 單管集成驅動模塊 49
2.4 橋式驅動電路 52
2.4.1 電壓自舉電路 52
2.4.2 半橋驅動電路 53
2.4.3 大功率半橋驅動電路 55
2.5 專用集成驅動器 58
2.6 IPM控制接口設計 62
2.7 寬禁帶功率器件碳化硅和氮化鎵MOS管的驅動設計 65
2.7.1 SiC MOS管驅動電路要求 65
2.7.2 SiC MOS管驅動電路布局 66
2.7.3 SiC MOS管驅動電阻選擇 66
2.7.4 GaN HEMT管驅動電路要求 67
思考與練習 68
第3章 輔助電路設計 69
3.1 采樣反饋電路 69
3.1.1 非隔離采樣反饋電路 69
3.1.2 隔離采樣反饋電路 70
3.2 緩沖電路設計 74
3.3 IGBT過電流保護設計 77
3.3.1 IGBT承受短時過載電流能力分析 77
3.3.2 IGBT過流保護方案分析 78
3.4 直流濾波電路設計 81
3.5 逆變器濾波電路設計 81
3.5.1 并網逆變器L型濾波電感設計 82
3.5.2 離網逆變器LC型濾波電路設計 83
3.5.3 并網逆變器LCL型濾波電路設計 84
思考與練習 86
第4章 熱設計 87
4.1 熱設計基本原理 87
4.1.1 基本傳熱機理 87
4.1.2 熱阻網絡 88
4.1.3 器件溫度計算案例 90
4.2 典型電路的功率器件熱設計 91
4.2.1 反激變換器中功率器件熱設計 92
4.2.2 單相全橋逆變電路中功率器件熱設計 96
4.3 散熱器選型 101
4.3.1 風冷散熱器 102
4.3.2 水冷散熱器 103
4.4 開關變換器系統熱管理 104
4.4.1 元器件級熱管理 104
4.4.2 變換器級熱管理 105
4.4.3 系統級熱管理 106
4.4.4 集成熱管理 107
思考與練習 108
第5章 磁設計 109
5.1 磁性材料的概述 109
5.1.1 磁性元件在開關變換器中的作用 109
5.1.2 磁性元件設計的必要性 109
5.1.3 磁性材料的磁化 109
5.1.4 磁性材料的基本特性 112
5.2 高頻變壓器設計 114
5.2.1 磁芯材料和形狀 114
5.2.2 磁芯型號的確定 116
5.2.3 繞組線徑確定 122
5.2.4 高頻變壓器設計的折中考慮因素 126
5.2.5 高頻變壓器設計示例 127
5.3 電感和反激變壓器設計 129
5.3.1 電感設計方法 129
5.3.2 電感設計示例 132
5.3.3 反激變壓器設計方法 132
5.3.4 反激變壓器設計示例 133
思考與練習 135
第6章 建模與仿真 136
6.1 仿真軟件簡介 136
6.2 MATLAB/Simulink建模與仿真 137
6.2.1 MATLAB/Simulink仿真環境啟動 137
6.2.2 MATLAB/Simulink常用元件庫介紹 138
6.2.3 MATLAB/Simulink電力電子相關元件庫介紹 141
6.2.4 單端反激式DC/DC變換器建模仿真 146
6.2.5 半橋式DC/DC變換器建模仿真 168
6.2.6 三相橋式逆變器建模仿真 176
6.3 MATLAB/Simulink實物仿真接口建模設計 180
6.4 PSIM建模仿真方法 186
6.4.1 PSIM軟件的使用方法 186
6.4.2 PSIM仿真實例 189
6.5 PSIM實物建模仿真設計 194
思考與練習 198
參考文獻 199
緒論 1
第1章 PWM控制電路設計 9
1.1 功率變換電路基礎 9
1.1.1 線性電源 9
1.1.2 開關電源 11
1.2 PWM模擬控制電路 12
1.2.1 分立元件組成的PWM控制電路 12
1.2.2 單端PWM控制芯片 15
1.2.3 橋式PWM控制芯片 18
1.2.4 三相逆變橋SPWM控制集成電路 22
1.3 PWM數字控制 26
1.3.1 標準51單片機PWM控制 27
1.3.2 TMS320F2812的PWM控制 28
1.3.3 TMS320F28335的PWM控制 33
思考與練習 42
第2章 驅動電路設計 43
2.1 驅動電路設計準則 43
2.1.1 驅動電路基本功能 43
2.1.2 驅動電路與控制電路的隔離問題 44
2.1.3 驅動電路的共地問題 44
2.1.4 驅動電路的驅動能力和驅動電阻的選擇 45
2.2 單管非隔離驅動電路 46
2.2.1 分立元件驅動電路設計 46
2.2.2 單管驅動芯片 46
2.3 單管隔離驅動 48
2.3.1 光耦隔離驅動 48
2.3.2 單管集成驅動模塊 49
2.4 橋式驅動電路 52
2.4.1 電壓自舉電路 52
2.4.2 半橋驅動電路 53
2.4.3 大功率半橋驅動電路 55
2.5 專用集成驅動器 58
2.6 IPM控制接口設計 62
2.7 寬禁帶功率器件碳化硅和氮化鎵MOS管的驅動設計 65
2.7.1 SiC MOS管驅動電路要求 65
2.7.2 SiC MOS管驅動電路布局 66
2.7.3 SiC MOS管驅動電阻選擇 66
2.7.4 GaN HEMT管驅動電路要求 67
思考與練習 68
第3章 輔助電路設計 69
3.1 采樣反饋電路 69
3.1.1 非隔離采樣反饋電路 69
3.1.2 隔離采樣反饋電路 70
3.2 緩沖電路設計 74
3.3 IGBT過電流保護設計 77
3.3.1 IGBT承受短時過載電流能力分析 77
3.3.2 IGBT過流保護方案分析 78
3.4 直流濾波電路設計 81
3.5 逆變器濾波電路設計 81
3.5.1 并網逆變器L型濾波電感設計 82
3.5.2 離網逆變器LC型濾波電路設計 83
3.5.3 并網逆變器LCL型濾波電路設計 84
思考與練習 86
第4章 熱設計 87
4.1 熱設計基本原理 87
4.1.1 基本傳熱機理 87
4.1.2 熱阻網絡 88
4.1.3 器件溫度計算案例 90
4.2 典型電路的功率器件熱設計 91
4.2.1 反激變換器中功率器件熱設計 92
4.2.2 單相全橋逆變電路中功率器件熱設計 96
4.3 散熱器選型 101
4.3.1 風冷散熱器 102
4.3.2 水冷散熱器 103
4.4 開關變換器系統熱管理 104
4.4.1 元器件級熱管理 104
4.4.2 變換器級熱管理 105
4.4.3 系統級熱管理 106
4.4.4 集成熱管理 107
思考與練習 108
第5章 磁設計 109
5.1 磁性材料的概述 109
5.1.1 磁性元件在開關變換器中的作用 109
5.1.2 磁性元件設計的必要性 109
5.1.3 磁性材料的磁化 109
5.1.4 磁性材料的基本特性 112
5.2 高頻變壓器設計 114
5.2.1 磁芯材料和形狀 114
5.2.2 磁芯型號的確定 116
5.2.3 繞組線徑確定 122
5.2.4 高頻變壓器設計的折中考慮因素 126
5.2.5 高頻變壓器設計示例 127
5.3 電感和反激變壓器設計 129
5.3.1 電感設計方法 129
5.3.2 電感設計示例 132
5.3.3 反激變壓器設計方法 132
5.3.4 反激變壓器設計示例 133
思考與練習 135
第6章 建模與仿真 136
6.1 仿真軟件簡介 136
6.2 MATLAB/Simulink建模與仿真 137
6.2.1 MATLAB/Simulink仿真環境啟動 137
6.2.2 MATLAB/Simulink常用元件庫介紹 138
6.2.3 MATLAB/Simulink電力電子相關元件庫介紹 141
6.2.4 單端反激式DC/DC變換器建模仿真 146
6.2.5 半橋式DC/DC變換器建模仿真 168
6.2.6 三相橋式逆變器建模仿真 176
6.3 MATLAB/Simulink實物仿真接口建模設計 180
6.4 PSIM建模仿真方法 186
6.4.1 PSIM軟件的使用方法 186
6.4.2 PSIM仿真實例 189
6.5 PSIM實物建模仿真設計 194
思考與練習 198
參考文獻 199
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開關變換器設計與應用 節選
緒論 電力電子技術是一門應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件，如晶閘管(Thyristor)、電力晶體管(GTR)、功率場效應晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等，對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數百兆瓦甚至吉瓦，也可小到數瓦甚至1W以下。與以信息處理為主的信息電子技術不同，電力電子技術主要用于電力變換。利用電力電子器件實現電能變換的技術稱為功率變換技術，如將交流電整流成直流電，或將直流電逆變成交流電，將工頻電源變換為設備所需頻率的電源。 在“電力電子技術”中學習過的脈沖寬度調制(PWM)技術是目前功率變換中的主流控制技術，其基本原理就是通過調制波和載波相交，在交點時刻對主電路中功率開關管的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，這些脈沖經過濾波環節，就可以得到所需要的波形，且其波形與調制波形相同。若輸入為幅值恒定的直流電壓源，當調制波為直流電壓時，輸出波形為一系列等幅且等寬的電壓脈沖，經過濾波后就可以得到直流電壓。當調制波為正弦波時，輸出則為脈寬成正弦變化的等幅電壓脈沖，若濾波為電流積分環節，如L濾波，則輸出為相同頻率正弦電流；若濾波為電壓積分環節，如LC濾波，則輸出為相同頻率正弦電壓。若調制波形為方波，則輸出為相同頻率的方波。即采用PWM控制技術，經過濾波環節后，輸出波形取決于輸入調制波形，且在載波幅值固定的情況下，可以通過調整調制波的幅值，改變輸出波形的幅值。本書所介紹的開關變換器均是以PWM控制技術為基礎。 1. 開關變換器拓撲 現代開關電源分為直流開關電源和交流開關電源兩類，前者輸出質量較高的直流電，后者輸出質量較高的交流電。開關電源的核心是開關變換器。 開關變換器是應用電力電子器件將一種電能轉變為另一種或多種形式電能的裝置，按轉換電能的種類或按電力電子技術的習慣稱謂，可分為四種類型：①DC/DC(DC表示直流電)稱為直流-直流變換，是將一種直流電能轉換成另一種或多種直流電能的變換器，是直流開關電源的主要部件；②DC/AC(AC表示交流電)稱為逆變，是將直流電轉換為交流電的電能變換器，是交流開關電源和不間斷電源UPS的主要部件；③AC/DC稱為整流，是將交流電轉換為直流電的電能變換器；④AC/AC稱為交流-交流變換，包括變頻和變壓。這四類變換器可以是單向變換的，也可以是雙向變換的。單向電能變換器只能將電能從一個方向輸入，經變換后從另一方向輸出；雙向電能變換器可實現電能的雙向流動。 若需要實現變換器輸入與輸出間的電氣隔離，通常采用變壓器實現隔離。變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴大變換器的應用范圍。變壓器的應用還便于實現多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。 如圖0-1所示，非隔離的直流開關變換器按所用功率器件的個數，可分為單管、雙管和四管三類。單管直流變換器有六種，即降壓式(Buck)變換器、升壓式(Boost)變換器、升降壓式(包括Buck/Boost、Cuk、Sepic和Zeta)變換器。雙管直流變換器有雙管串接的升降壓式(Buck/Boost)變換器，而全橋直流變換器(Full-bridge Converter)是常用的四管直流變換器。 圖0-1 非隔離DC/DC開關變換器拓撲 有高頻變壓器隔離的直流開關變換器也可按所用功率器件數量來分類。如圖0-2所示，單管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種；雙管有雙管正激(Double Transistor Forward Converter)、雙管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半橋(Half-bridge Converter)四種；四管直流變換器主要是指全橋直流變換。 如圖0-3所示，DC/AC變換中常用的拓撲分為半橋、全橋和三相橋，其中，半橋和全橋逆變輸出單相交變電壓，而三相橋輸出互差120°的三相電壓。 圖0-2 隔離DC/DC開關變換器拓撲 圖0-3 DC/AC開關變換器拓撲 AC/DC變換中，使用不可控器件(二極管)、半控型器件(晶閘管)和全控器件(如Power MOSFET和IGBT)可分別組成不控整流、相控整流以及PWM整流電路。其中，采用開關變換工作模式的PWM整流電路可實現交流側單位功率因數，如圖0-4所示，以單相APFC整流電路、橋式PWM整流電路應用較為廣泛，而根據交流相數的不同，橋式PWM整流電路又可分為單相橋式PWM整流電路和三相橋式PWM整流電路。 圖0-4 AC/DC開關變換器拓撲 圖0-5 單相交流調壓開關變換器拓撲 AC/AC變換根據其變換目標的不同，可以分為交流調壓電路、交流電力控制電路和交-交變頻電路，多采用晶閘管作為可控器件，而使用全控器件的開關變換在交流調壓和交-交變頻電路也有應用，如圖0-5所示。 2. 開關變換器結構 一個完整的開關變換器，除了包含功率開關管、電感和電容的主電路外，還需要功率開關管的驅動電路、電路輸出檢測電路和控制電路，其結構如圖0-6所示。除了極少數采用開環控制的開關變換器，為實現控制目標精度要求，絕大多數開關變換器均采用閉環控制方式，即通過檢測電路采集變換器輸出的電壓或電流信號，與給定的控制目標進行比較，經過控制電路運算后，再通過驅動電路實時調整功率開關管的占空比，使得變換器輸出信號實時跟蹤給定目標。考慮到主電路中可能會發生過流、短路、欠壓和過壓等異常情況，會對功率器件造成損壞，需要配置保護電路。控制電路通過檢測電路對各種電信號進行檢測，若超過門限值則通過保護電路實施保護，而對于與功率開關管相關聯的過流和短路等保護措施，可通過驅動電路來實現。當檢測到功率開關管流過的電流超過過流保護值或短路保護值時，控制電路封鎖其驅動脈沖，即可實現對功率管的保護。考慮到主電路會對控制電路造成干擾，在開關變換器功率達到一定程度時，主電路和控制電路間應進行電氣隔離。其中，互感器、霍爾傳感器是用于檢測電路實現電氣隔離采樣的有效器件，光耦、脈沖變壓器是用于驅動電路實現隔離驅動的有效器件。 圖0-6 開關變換器常用結構 3. 開關變換器系統分析 以圖0-2(b)的反激式變換器為例，電路拓撲中包括功率開關管VT、變壓器T、二極管VD和電容C。功率開關管VT由PWM控制，通過閉合與關斷功率管在變壓器T兩端產生高頻方波信號。變壓器將產生的方波信號以磁場感應的方式傳遞到次級線圈。通過二極管和電容的整流濾波作用，在輸出端得到穩定的直流輸出。由于反激式變換器在輸入級和輸出級之間實現電氣隔離，并省去了單端正激式變換器中的復位繞組，拓撲簡單，故廣泛應用于AC/DC和DC/DC變換，是低功率(幾瓦～幾百瓦)直流開關穩壓電源的常用拓撲。圖0-7為在功率變換領域常用的直流電源模塊，均采用反激式變換器拓撲，常用于為電力電子裝置提供控制和驅動用電源。其中，圖0-7(a)為AC/DC電源模塊，輸入為220V市電，輸出為直流電壓，輸出為電氣隔離的48V、24V、15V、12V、5V和15V、12V。圖0-7(b)為DC/DC電源模塊，一般輸入為48V、24V、15V、12V和5V，輸出為電氣隔離的24V、15V、12V、5V和15V、12V。 圖0-7 功率變換領域常用的直流電源模塊 從“電力電子技術”所學的知識中可以知道，設反激式變換器輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，變壓器原邊匝數為N1，副邊匝數為N2，功率管VT的PWM控制占空比為D，則在變壓器磁通連續的情況下。即在輸入電壓Ui不變的情況下，通過調整占空比D，可以改變輸出電壓的Uo大小。 顯然，在制作圖0-7所示的電源模塊產品時，只有圖0-2(b)所示的主電路拓撲是不夠的，至少需要以下7個部分。 (1) 需要有產生PWM控制信號的控制電路，該控制電路應根據需要能設定PWM信號的頻率，即設定功率開關管VT的開關頻率f，并可以實時調整PWM信號的占空比。PWM信號的產生可以通過分立元件組合來產生，也可以通過PWM集成控制電路來產生。這部分內容將在第1章進行詳細介紹。 (2) 考慮到占空比D固定時，輸入電壓Ui的波動和輸出側負載電阻RL變化引起的負載調整率都會造成輸出電壓Uo發生變化。為實現穩壓輸出，首先要對Uo進行實時采樣，并將檢測的數值反饋給控制電路，控制電路根據反饋值調整PWM信號的占空比，保證Uo在一定范圍內波動。考慮到控制電路控制的功率開關管VT位于變壓器T的原邊電路，而輸出電路位于變壓器T的副邊電路，變壓器原邊和副邊存在電氣隔離，即采樣電路要實現隔離采樣，這部分內容將在第3章進行詳細介紹。 (3) 需要為功率開關管VT配置合適的驅動電路，驅動電路的選取與功率開關管的參數、開關頻率、驅動電路的允許功率和*大允許電流都有關系，這部分內容將在第2章進行詳細介紹。 (4) 在實際電路中要考慮因負載側過流或短路造成原邊功率開關管VT流過的電流超過正常電流的情況，此時應及時切除VT的驅動信號，進行過流保護。同時在VT選型中若電壓裕量不充足，為避免VT關斷時電壓突波幅值超過VT的額定電壓，要為VT增加緩沖電路。對于絕大多數開關變換器，由于采用PWM控制，其輸出側一般要有濾波環節，如DC/DC和DC/AC中的LC等形式的濾波電路，該電路對于開關變換器的性能具有重要影響。這部分內容將在第3章進行詳細介紹。 (5) 為減小電源模塊的體積，功率開關管VT要工作在高頻狀態。根據電力電子技術所掌握的知識，VT的選型除了要考慮VT關斷時承受的*高電壓和導通時流過的*大電流，還要考慮VT高速開關時的開關損耗。在實際工程中，要根據所選定的功率開關管的參數來計算開關頻率f下功率開關管的開關損耗，進而計算功率開關管的管芯溫升，*終確定所選定的功率開關管是否適用于該電源模塊。同時還要對該功率開關管的散熱器進行設計和選型，確保該功率開關管正常工作狀態下管芯的溫度不超過極限溫度。這部分內容將在第4章進行詳細介紹。 (6) 在輸入和輸出實現電氣隔離的開關變換器中，高頻變壓器T是重要組成元件，其設計是電源模塊設計中的重要組成部分，直接關系到開關變換器能否正常工作和工作性能。這部分內容將在第5章進行詳細介紹。 (7) 為實現電源模塊穩壓輸出，應設定輸出電壓的給定值Uoref，當Uo>Uoref時，應降低PWM控制信號的占空比D；當Uo<>
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