关键词： 开关电容   输入串联输出并联   直流变换器   输入均压   输出均流   解耦控制  

摘要： 随着传统能源的日益枯竭和生态环境问题的日趋严重,绿色可再生能源逐渐成为未来能源战略的发展趋势。传统的交流电网由于自身消纳能力的有限,越来越难以适应未来能源格局的变化。直流电网和直流变换技术是解决该问题的有效途径。输入串联输出并联(input-series-output-parallel,ISOP)组合直流变换器具有模块化,可靠性高,方便系统扩容等优点,是实现直流电网中高压到低压直流变换的关键设备之一。本文针对常规的ISOP直流变换器难以实现故障切除,启动电流大,各模块功率容易不平衡等问题,深入研究了ISOP直流变换器的拓扑结构,软启动过程以及功率平衡控制策略等。研究重点和取得的成果如下:(1)针对传统的移相全桥ISOP直流变换器在故障切除,电压匹配和模块冗余等方面的不足,研究了一种开关电容型ISOP直流变换器,具有快速切除故障子模块,方便系统模块冗余,能够实现输入与输出电压的良好匹配等优点。首先给出了开关电容型ISOP变换器的工作原理与运行特性,详细分析了变换器软启动过程,并推导了变换器的软启动限制条件。进而以单个开关电容子模块小信号模型为基础,建立了开关电容型ISOP系统整体小信号模型,求解了投切运行模式下各扰动变量之间的传递函数。(2)针对开关电容型ISOP直流变换器输入均压(IVS)与输出均流(OCS)问题,提出了一种解耦控制方法。首先,对比分析输入均压与输出均流两种控制方式的抗干扰能力,并在输入均压控制的基础上,引入耦合因子分析了输入均压控制与输出电压控制之间的耦合特性。进而提出了开关电容型ISOP直流变换器的电压解耦控制方法,消除了输入均压环与输出电压环相互之间的影响,并详细设计了输入均压环和输出电压环的控制器参数。最后,搭建了仿真模型验证了所提控制方法与参数设计的有效性和正确性。(3)针对10kV/750V的开关电容型ISOP变换器进行了工程设计,详细叙述了直流侧电容、功率器件、高频变压器和输出滤波电感等主电路的参数设计原则与方法,给出了控制系统的硬件电路和软件系统的详细设计。并搭建了一个三模块ISOP实验平台,对本文研究成果的有效性和正确性进行了验证。

关键词： 返波振荡器   高压电源   低纹波   高稳定性  

摘要： 近年来微电子机械、微细加工、大电流阴极技术、高频集成等技术逐渐应用于电真空领域,使微波毫米波真空电子器件的工作频率达到太赫兹频段,使太赫兹功率源发展迈开了重要一步。为了使太赫兹真空器件稳定、可靠工作,就需要与之配套的高压电源,其具有大功率输出,宽电压调节范围,低纹波系数等特点,其性能直接影响到电真空器件的输出频点,频谱宽度,输出效率等参数。因此研究大功率、小型化、高稳定性的开关电源对太赫兹信号源的发展具有重要意义。本课题在开关电源理论的基础上,针对340GHz返波管的参数需求,对其高压供电系统进行设计。其高压电源主要包括灯丝模块、辅阴极电压模块、高压加速模块和接口控制电路。其中高压加速模块的高压主电路部分是此高压电源核心部分,本文主要介绍了此主电路控制芯片、功率开关器件及变压器磁芯选择,并给出了变压器参数设计的详细计算过程。高压电源主变换器采用全桥变换器拓扑结构,通过PWM控制芯片和驱动芯片结合,构成斩波电路,完成功率开关器件的交替导通。同时,为有效保护电源模块,在电路中提供了过欠压和过流保护。主电路控制部分采用PWM芯片UCC28086和STM32相结合的方式,实现电压输出的稳定调节。通过电脑控制界面对高压参数进行设置,STM32芯片将读取到的数字控制量通过AD转换电路转换为模拟量并输入到PWM控制芯片中,使电源模块产生高压。同时对输出电压进行采样,将采样后的数据同初始数值进行比较,通过控制UCC28086内部电路,对PWM输出的占空比进行精密调节,从而得到稳定的输出电压。STM32还对电源整体工作状态进行检测,当电源输入过欠压、输出过流时,立即启动保护电路,实现对电源模块的保护。本文设计的返波管高压开关电源输出电压可在-1kV～-6kV范围内稳定可调,输出电流最大值为250mA,电源稳定性在5×10-4以下,纹波大小在200mV以下,达到设计指标,满足太赫兹辐射源的工作要求。

关键词： 双向调速   直流电机   软启动   MOSFET软件   翘班开关  

摘要： 目前电动工具开关按调速方式来分，可以分为调速和通断开关两大类，其中大功率调速开关是行业发展的趋势。大电流直流电动工具的开关一直是业内的高技术含量的产品，该类开关是行业的未来发展方向。作为全球市场上专业电动工具开关占有率接近40%市场份额的公司，我们基于美国电动工具专业生产商的要求开发出一款全新的低压大电流电子调速开关，应用于电动冲击扳手专业工具，其设计明显不同于市场上常见的通过按键来实现双向切换的方式的开关。　　其主要研究内容可概括为:1)通过采用一种新型的类似于跷跷板的双向切换触发方式，在两边分别触发的同时又能起到开关换向的作用，实现开关双向调速。在满足设计体积空间的苛刻要求下，如何实现这种新型设计在恶劣应用条件下的可靠和稳定运行，是本设计方案的一个重点和难点。2)在开关的功能上面，除了保留传统的调速，换向，刹车以及温度保护功能以外，还带有电机软启动，低电压保护，错误信号可以通过电源指示灯显示等个性化功能。这将能满足客户更多要求，适应不同的应用场合，使产品更加有竞争力。3)在开关的整体散热设计方面，在保证各项性能指标通过的情况下，通过综合的比较测试验证方法，筛选出方案最优的大功率低功耗MOSFET作为电机调速的核心元件，实现整个系统的可靠和稳定的工作，也是本文一大亮点。　　在完成相关的设计验证测试，设计方案得到了充分的验证，从各项数据结果分析得出，该新型设计方案稳定、可靠，达到预定的设计目标。

关键词： 高温   直流开关电源   隔离驱动   直接反馈  

摘要： 开关电源是各类电力电子设备的能量提供源泉,其稳定性和可靠性是电力电子设备正常工作的保障。隔离功能即通过变压器以及相关隔离传输信号元件实现电源前后级之间高低压的不共地。对于安全性以及抗干扰性能有严格要求的应用场景,隔离功能是开关电源的必备要素。当前主流的隔离反馈主要有光耦隔离反馈、磁隔离反馈以及变压器原边反馈这三种方式。然而在一些极限环境条件下,比如航空航天石油井下等强辐射高温的环境,由于反馈元件的极限工作温度以及反馈精度等问题,这几种隔离反馈方式是无法满足要求的。为解决这一问题,本文提出了基于隔离驱动功能的直接反馈方式。本文所设计的基于隔离驱动的直接反馈方式通过副边控制的方法,从电源的输出端采集反馈信号后直接传递给PWM控制芯片,根据反馈信号来调整PWM控制波形的占空比,从而调节输出电压,PWM控制芯片与MOSFET之间通过隔离驱动模块实现控制信号的隔离传输。为实现隔离,本文设计了隔离驱动模块和供电模块,其中隔离驱动模块将PWM控制信号调制为频率较高的信号,通过脉冲变压器传送给后端驱动芯片解调,并生成MOSFET的驱动信号,从而实现PWM控制芯片与MOSFET的隔离。供电模块包含新型启动电路以及辅助反激供电模块,配合使用能够同时为变压器初级侧的隔离驱动模块以及次级侧的PWM控制芯片供电。本文还制作了半桥式开关电源测试样机,在前述工作的基础上设计了功率逆变电路、整流滤波电路以及PWM控制电路,并搭建了室温与高温两大测试平台,对样机进行综合测试。最后分析实验结果证实这种新型反馈方式在高温下有着良好的性能,对于开关电源在一些极限环境下的应用有着重要意义。

关键词： 直流电弧   电弧实验平台   纵向磁场   电弧特性   气体动力学  

摘要： 开关电器作为电力系统中的重要核心部件,广泛的应用于国民经济和国家的各个领域和部门,故其可靠性显得尤为重要。对于有触点的开关电器而言,每次在开断的过程中均会产生电弧。电弧的产生会使电器的开断时间大大延长,严重时还会烧损触头、破坏电器的绝缘。在开关电器领域,开关电弧的衍生机理以及影响因素是各国学者重点研究的课题。直流电弧相比于交流电弧,由于其不存在电流自然过零点使得其开断更加困难。利用磁场的作用来开断电弧是实现线路快速分断的有效方法,因此深入研究磁场对直流开关电弧特征的影响尤为重要。本文着重研究纵向磁场对直流开关电弧特性的影响。研究方法采用实验与仿真互补的方法。基于本文研究的内容,设计了一种基于高速摄像系统和碰撞式触头可调速分断的直流电弧实验平台。利用高速摄像机拍摄了实验样机触头分断过程中的电弧图像,利用检测平台采集了电弧电压和电流波形,同时利用该实验平台,研究了触头分断速度、分断电流以及不同纵向磁场对直流开关电弧的燃弧时间以及燃弧过程中直流电弧的行为、弧根位置分布、电弧形态、触头的电腐蚀特性等影响。针对实验模型,基于气体动力学的漂移扩散方程,与泊松方程耦合,建立了用于微观仿真的磁场作用下电弧数学模型,仿真分析了磁场作用下从触头断开瞬间,液态金属桥断裂之后,极间充满了大量的气体带电粒子开始,到电弧等离子体形成的这段非平衡态过程,并分析了不同磁场强度对电弧等离子体鞘层区域场强、空间电荷密度、弧柱前期半径等微观电弧参数的影响。研究结果可为开关电器领域中利用纵向磁场吹弧技术的应用提供依据。

关键词： 三电平   直流变换器   无源辅助回路   零电压开关   零电流开关  

摘要： 随着电力电子技术的迅速发展,开关电源的发展趋势为高频化和小型化,为此需要提高元器件的工作频率。但是这样会引起开关损耗增加的问题,因此有学者提出了软开关技术。软开关技术可以改善元器件的运行环境,降低开关损耗,提高变换效率,提升开关频率,减小变换器的体积,而且还降低了电磁干扰和开关噪声。半桥(halfbridge,HB)三电平(three-level,TL)直流变换器具有开关管的电压应力为直流输入电压一半的优点,通过与软开关技术相结合,特别适合于高电压应用场合。因此,HBTL直流变换器及其软开关技术得到了学者们的广泛研究。本文首先系统地介绍了HBTL直流变换器,包括分类、发展现状以及软开关技术。随后分析了常规零电压开关(zero-voltage switching,ZVS)HB TL变换器和基于抽头电感的零电压零电流开关(zero-voltage and zero-current switching,ZVZCS)HB TL 变换器等几种典型HB TL变换器的工作原理。常规ZVS HB TL变换器可以利用变压器漏感和并联电容实现开关管的ZVS,但是该变换器存在滞后管在轻负载下难以实现ZVS、环流损耗大和占空比丢失等问题。基于抽头电感的ZVZCS HB TL变换器可以实现的超前管ZVS和滞后管的ZCS,并减小环流损耗,但是该变换器存在抽头电感的漏感会加剧整流二极管的电压寄生振荡的问题。针对这些问题,本文在基于抽头电感的ZVZCS HBTL变换器的基础上,提出一种具有简单无源辅助谐振回路的ZVZCS HB TL直流变换器。本变换器利用副边辅助回路、并联电容以及变压器漏感实现各开关管的软开关,降低环流损耗,提高变换效率。引入的辅助回路结构简单,辅助回路中的维持电容可以消除耦合电感的漏感引起的整流二极管的电压寄生振荡,辅助回路环流大小可根据负载自动调节。本文提出的ZVZCS HB TL变换器能够在最低负载及以上范围内实现超前管的ZVS,在全负载范围内实现滞后管的ZCS。本文首先详细研究了变换器的工作原理,并讨论和归纳总结了谐振回路中的耦合电感变比m和维持电容Ch对软开关实现条件和变换器特性的影响,接着给出了参数设计原则,最后使用仿真软件Cadence搭建了2.7KW-50KHz的仿真电路,并对理论分析进行了逐一的仿真分析验证,仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词： 谐振变换器   PFM   谐振开关电容   直流升压  

摘要： 近年来,随着电力电子技术的快速发展,小型化、高频化、高效率已经成为直流开关电源设计的基本要求。开关电容类变换器因其体积小、能量密度高在中小功率场合得到了广泛的应用。然而在实现高频化的过程中,开关管在硬开关条件下工作,直接提高开关频率,将会导致很大的开关损耗和严重的电磁干扰(EMI),从而使得直流变换器效率降低,因此限制了开关频率的提高。软开关技术的出现及应用,有效的降低了开关管的开关损耗和EMI。在直流开关电源的软开关技术中,谐振变换器因其自然软开关特性和较低的EMI,在高频开关电容直流变换器中得到了广泛的应用与研究。本文首先对开关电容类变换器进行了系统地研究,根据其存在输入电流为脉动电流、开关管工作在硬开关状态的问题,引入了一个较小的谐振电感。并列举了几种典型的谐振开关电容变换器。针对其具有软开关实现困难,谐振电感参数设计困难,元件电压应力大的问题提出了一种新型谐振开关电容直流升压变换器。本文所提改善方案的主拓扑结构在不增加元件的情况下,可以实现开关管零电压开通,使得变换器的效率进一步提高。同时简化电感参数设计,减小元件电压应力,有效拓宽变换器的输出电压增益范围,电感电流连续,避免了变换器电感电流断续引起的失去输出电压调节能力和在实际系统中电感电流由连续向断续过渡时引起的系统不稳定的问题。本文详细介绍了其稳态工作原理,并对各元件电压应力,输出电压增益,输出特性以及损耗进行了分析,同时根据理论分析,给出了参数设计。最后,利用Saber 2012仿真平台搭建了一个140W的仿真模型对其进行了仿真验证,仿真结果证明了其有效性。

关键词： 移相全桥   软开关   辅助电路   预测模糊PI控制  

摘要： 现代社会生活水平的提高及科学技术的日益进步,使得各种用电设备对开关电源的性能提出了越来越高的要求。为了满足人们对开关电源的使用需求,更高的开关频率、更小的电源体积、更精确的数字控制是开关电源未来的发展方向。但是开关频率的提高也带来一些亟待解决的问题,由以往的经验可知,开关频率的大小与系统开关损耗成正比,与系统的转换效率成反比。软开关技术的出现,解决了因提高开关频率带来的一系列问题,而且在工程上得到广泛的应用。本文首先分析了多种移相全桥软开关直流变换器的拓扑结构,总结出每种拓扑结构的优缺点,然后选定滞后桥臂串联二极管的主拓扑结构作为本文的研究对象,并针对该结构进行具体分析研究。由于副边整流二极管上存在着寄生电容,所以副边电压的波形容易发生振荡,本文对振荡原因进行分析说明,采用添加辅助电路的方法来抑制副边振荡。针对变换器在轻载时超前桥臂开关管实现ZVS效果不佳的现象,提出了在超前桥臂增加辅助电流源的改进措施,设计辅助电路并分析ZVS范围增大的原理,并进行仿真验证。然后,根据小信号分析法建立主电路的数学模型,采用电压外环电流内环的控制结构,并给出具体的设计过程。由于传统的PI控制器不具备在线整定的功能,同时在负载切换的复杂工况下应对能力不佳,而且数字控制存在延迟等缺点,使得控制作用会存在一个采样周期的延迟,针对上述问题本文提出将预测控制技术与模糊PI控制相结合的预测模糊PI控制的控制策略,并给出其设计方法。在相同工况下对传统PI控制和预测模糊PI控制这两种控制策略分别进行仿真,仿真结果说明预测模糊PI控制对切换负载的复杂工况的应对能力较好,更能满足系统要求。最后设计了以STM32F407为核心的控制系统,基于搭建的实验平台,对仿真波形进行验证,证明了理论与实际的一致性。

关键词： 变压器   有载分接开关   切换特性   交流测试   直流测试  

摘要： 在初步介绍变压器有载分接开关切换特性试验波形交直流测试检测原理的基础上,对变压器有载分接开关交直流测试试验方法进行比对,通过现场测试得出交流测试方法更贴进高电压、大电流运行状态,且准确度较高,可为后续运行维护提供参考。

关键词： 高压直流输电   大地回线   金属回线   直流转换开关   避雷器  

摘要： 高压直流输电系统中,直流转换开关的运行状况直接影响到单极大地—金属回线转换操作的顺利进行。通过对葛洲坝—南桥直流输电系统中发生的一起大地—金属回线异常转换过程的深入分析,得出由于金属返回线路上过高的感应电压造成直流转换开关振荡回路中相关元件损坏,导致该转换开关保护动作和转换操作失败。根据分析结果,提出了针对本次失败转换过程的改进措施和运行建议,可为新建工程设计和运行维护提供参考。