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SEPIC变换器的研究与应用.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.99M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    华南理工大学学位论文原创性声明及版权使用授权书
    第一章绪论
    第二章SEPIC变换器的工作原理分析
    第三章SEPIC变换器的建模
    第四章 电路的仿真与实验
    4.1主电路参数设计
    4.2基于电压模式的SEPIC变换器
    4.3基于电流模式的SEPIC变换器
    4.4效率及损耗分析
    4.5不同控制模式的比较
    4.6本章小结
    第五章结论与展望
    参考文献
    攻读学位期间发表的学术论文
    致谢
    附录
    分类号UDCTM46密级9903SS学校代号!里!!!学号200320100673华南理工大学硕士学位论文SEPIC变换器的研究与应用李思扬指导教师：王壶强副麴援虫左堂隧申请学位级别：亟±专业名称：电左血王皇曳左佳动论文提交El期：2QQ§：§论文答辩日期：细；．5．；学位授予单位和日期：垡直理王太堂答辩委员会主席：趁堕!Z亟丝论文评阅人：蕉笠堑勐塑窒§壅叠生；到垒丝
    摘要摘要随着现代电子设备的发展，对供电电源的要求越来越高。与传统的串联调整型稳压电源不同，开关型稳压电源(开关电源)采用功率半导体器件作为开关，通过控制其占空比来调整输出电压。经过半个多世纪的发展，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，已经逐步取代了传统的线性稳压电源．开关电源的主要组成部分是DC．DC(直流．直流)变换器。它的拓扑结构、开关频率、控制方式及关键元器件(如开关管、储能电感或脉冲变压器等)直接影响开关电源的性能。其中，buck，boost，buck．boost和Cuk变换器是最基本和常用的．本文选取SEPIC(Single．EndedPrimaryInductanceConverter)拓扑作为研究对象，旨在加深对它的认识和了解，以期它在功率变换领域有着更广泛的应用．本文首先分析比较了SEPIC变换器的连续导电模式CCM(ContinuousConductionMode)与不连续导电模式DCM(DiscontinuousConductionMode)的稳态工作原理，推导出连续与不连续状态之问的临界条件．分析了与之相关的电路参数之问的关系式，阐明了关键参数设i}准员ij并进行了电路应力分析。DC．DC开关变换器的建模分析是研究开关电源的基础，它对开关电源的分析与设计有重要意义。本文采用电路平均法及平均开关网络法对工作在CCM下的SEPICDC．DC开关变换器进行了建模分析，阐明了建模过程，进行了频域仿真，建立了SEPICDC．DC变换器在连续工作模式下的全阶动态模型。在此基础上进行了稳态和动态小信号特性分析．在平均模型的基础上又分别建立了电压控制模式和电流控制模式SEPIC变换器的闼环控制模型，并推导出两种控制模式的传递函数。在上述理论分析的基础上，设计并研制了基于电压控制模式和电流控制模式的CCM下的SEPICDC-DC变换器实验装置，给出了它们的仿真与试验结果，并进行了分析和比较。实验结果表明SEPIC变换器性能优良，可以减小电源体积，实现宽范围输入电压下的稳压功能，提高电源的功率密度，因此有着很广阔的发展前景。关键词：SEPIC变换器；建模分析：电路平均法；电压控制模式；电流控制模式
    华南理工大学硕士学位论文AbstractThemodernelectronicequipmentscannotworkwithoutreliablepowersupply,andhavemoreandmoreexpectationsforit．DistinguishedfromtraditionalStabilizedVoltagePowerSupply,inordertostabilizeitsoutputvoltage，SwitchingPowerSupplyregulatesthedutyratioofthepowersemiconductordevice．Afternearlyhalfacenturyofdevelopment，SwitchingPowerSupplyhasreplacedtraditionalStabilizedVoltagePowerSupplybecauseofsmaller,lighter,lessconsumption，moresteadyperformanceandhigherefficiency,etc．ThemaincomponentofSwitchingPowerSupplyisDC·DCconverter．ThemainfactorsaffectingSwitchingPowerSupplyaretopologies，switchingfrequency,controlmethodsandimportantelementssuchasswitches，storageinductor,andimpulsetransformer．DC-DCpowerconversionsubsystemscanberealizedbydifferentcircuittopologies．Amongthemthebuck，boost，buck-boostandCukarethebasicandincommonuse．ThispaperchoosesunfamiliarSEPICtopologyasaresearchsubject，mayhelpdesignershaveaprofoundunderstandingofitandhaveonemoreselection．Firstly,differentoperationmodesofSEPICconverterareanalyzedandcompared，andmainconceptionsandrelationalexpressionsarepresented．Thesteady-stateoperationprinciplesandcrucialparametersareanalyzed．ModelinganalysisofDe·DCswitchingconvertersisthekeysteptostudy,analyzeanddesignswitchingpowersupplies．Inordertosolvetheproblem，thisdissertationisdevotedtostudyonmodelingandanalyzingtheCCM(ContinuousConductiveMode)SEPICDC·DCconverter．AcircuitaveragingmethodandanaveragedswitchnetworkisputforwardtomodelSEPICconverteroperatinginCCM．Themodelingprocedureisillustratedconcretely,simulationanalysisispresented．Steady·stateanddynamicsmall·signalanalysisarediscussedbasedonthederivedmodel．Basedonthefull．orderdynamicmodelofSEPICconverter,wecanwritethetransferfunctions，analyzetheeffectthatparametersofconverterbringtothesteady-statecharacteristics，transferfunctionandsmall—signalcharacteristics．Theresearchresultsarehelpfultooptimizebehaviorandimprovedesignefficiencyofswitchingpowersupplies．Combiningwithvoltageprogrammedcontrolandpeakcurrentprogrammedcontrolmethods，theclosedloopcontrolmodelsaresetup．Basedonthem，theclosed-looptransferfunctionsareeduced．Thatisthekeytocorrectlyn
    predictingclosed-loopbehavior．Onthebasisoftheoreticalanalysis，thesimulationsandprototypesofCCMSEPICDC·DCconverterswithvoltageprogrammedmodeandpeakcurrentprogrammedmodearedesignedandmanufacturedinthisarticle．AlltheexperimentalresultsshowthattheSEPICconverterhasexcellentperformance．Keywords：SEPICconverter,modelinganalysis，circuitaveragingmethod，voltage-programmedmode，current-programmedmodeUI
    华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：匀玛矽日期：功z年占月，日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅(除在保密期内的保密论文外)；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：口保密，在年解密后适用本授权书。回不保密。学位论文全文电子版提交后：口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。喜会萎耋：蘩昌雾：沙‘．‘．f2彩．多．I
    第一章绪论第一章绪论电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作．目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源，由于开关电源在体积、重量、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源有显著减少，而且对整机多项指标有良好影响，因此它广泛应用于邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域，正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性，无污染的方向发展．开关电源的核心是DC．DC开关变换器．开关变换器可以由不同电路拓扑实现。其中，buck，boost，buck．boost和Cuk变换器是DC-DC开关变换器中最基本和常用的．每个电路拓扑都有它自身的优缺点和典型的应用价值，其选择依据主要是功率变换系统的要求．通常，开关管以地为基准的电路可以简化开关管的驱动电路。此外，非脉动的输入电流可以有效减小EMI(EIectronicmagneticInterference)且减少附加滤波元件的数量。输出电压既可以高于也可以低于输入电压的功率变换器更加具有显著的优点．SEPIC拓扑就是一种在不改变电压极性情况下满足以上所有要求的一种电路。这个电路是20世纪70年代由AT&T贝尔实验室首次发展而来的，现在还没有得到非常广泛的应用。但是它正在变得越来越普及，特别是在宽输入电压范围的功率变换系统中。近年来，开关变换器的研究在国际国内形成热潮。而当前研究的热点之一是DC-DC开关变换器的建模及其控制方法，这是电路分析设计的关键环节。在建模方面，由于DC-DC开关变换器在闭环工作时是属于时变非线性周期性工作的系统，传统的经典分析方法(如拉氏变换等)已经无法直接应用，这就要求运用新的方法来进行建模分析，并使分析方法更加趋于简化、准确、全面和完善。由于SEPIC的有关文献非常少，因而一个不怎么精通能量变换器设计的设计工程师在被要求设计这一类型的电路时可能会感到无助．作者通过对SEPIC拓扑的深入研究，可以使人们更好的认识与应用这一拓扑，在功率变化系统的拓扑选择上又多了一条选择途径．1．1SEPIC变换器的发展与现状SEPIC这个名字是Single-EndedPrimaryInductanceConverter的缩写。它是二十世纪70年代由AT&T贝尔实验室首次发展而来的．开发者的目的是要创造一个具有当时拓扑都不具备的特性的一个新拓扑。它特别的优点就是在不改变电压
    华南理工大学硕士学位论文极性的情况下实现对输入电压的升降压，因而特别适用于电源环境比较恶劣，输入电压波动范围很大的场所．典型的SEPIC电路如图1-1所示．这个电路有三个动态能量储存元件工。，如和cl。这两个成本低廉的电感取代变压器实现了输入输出之间的电压变换。耦合电容则隔离了输入输出电压．臂吖，j图1-1基本的SEPIC拓扑图1．2电感耦合的SEPIC变换器Fig．1·1ThebasicSEPICtopologyFig．1-2SEPICconverterwithcoupledinductors茁+囱。f．屯广丁_匝-r一．”。可烀5。．～lq亍j1f图1．3隔离的SEPIC变换器图1-4反转的SEPIC变换器Fig．1-3IsolatedSEPICconveneFig．I·4Inverse-SEPICconverter此后，又出现了对基本拓扑做了许多有益改进的电路．如将两个分离电感耦合在一个磁芯上；提供隔离功能的SEPIC；以及反转的SEPIC电路(inverse．SEPIC)。分别如图1．2、1．3、1-4所示．电感耦合的SEPIC不但减小了整个变换器的体积和成本，同时可以减小输入纹波。但要注意的是此时的电感值必须相等，否则通过每个绕组上的电压不同因而C1将工作在短路状态。隔离的SEPIC变换器通过改变变压器的匝数比，可以获得更宽的输入电压范围，并且实现了输入输出的电气隔离。反转的SEPIC变换器是将两个电感的位置分别与两个开关器件对换而得的一种新的拓扑，其输出特性与SEPIC电路相同。但与SEPIC电路不同的是其输入电流脉动而输出电流连续。现在，SEPIC变换器正引起越来越多的关注。它自身的特性使其非常适用于锂电池充电电路【¨、功率因数校正(PowerFactorCorrection)电路【2I及太阳能光伏充电系统中【31。2
    第一章绪论1．2DCoDC开关变换器的建模方法的研究动态及趋势DC．DC开关变换器的建模和分析是研究DC．DC开关变换器的拓扑结构和控制方法的基础【舢15I。随着DC．DC开关交换器技术的发展，其建模方法也经历了不断发展的过程．DC．DC开关变换器的建模方法一般可分为两大类：数值法和解析法．数值法是根据一定的算法进行计算机运算处理而获得DC．DC开关变换器特性的数值解，故很难提供电路工作机理的信息，所得的结果物理意义不甚明确．解析法是指用解析表达式来描述DC．DC开关变换器特性的建模方法，着眼于工作机理的分析，满足一定精度要求下要简单通用，能为设计提供较明了的依据。解析法分为离散解析法和连续解析法．离散解析法[16-21l是以某一变量在一个周期中的若干个特定的离散点上的值为求解对象来建立其差分方程，求解这个差分方程或通过z交换得到变量解析式。离散解析法精确度高，但结果表达式复杂，因而很难指导设计，离散模型的研究基本上陷于停滞阶段．近年来，连续解析法得到了很大的发展，与离散解析法的发展缓慢形成了鲜明的对比．连续解析法的本质是平均，故连续解析法又称平均法。平均的目的是把一个周期内有两个或几个不同拓扑的电路，在某种意义下进行平均。将时变电路变为非时变线性电路，在小信号的情况下线性化，从而能利用人们熟知的经典的线性电路理论和控制理论来解决非线性电路的工作，对开关变换器进行稳态和小信号分析．平均法一直是DC．DC开关变换爨建模理论中最为重要的建模方法，对设计有一定的指导意义。其中最具代表性的是状态空间平均法和电路平均法，前者指对PWMDC-DC开关变换器的状态变量进行平均和线性化处理，得到解析结果的通用分析方法；后者指与电路拓扑及器件模型联系较紧密的等效电路分析法，便于使用通用电路分析程序仿真和进一步分析研究。1．2．1状态空间平均法由于功率器件的开关作用；DC-DC开关变换器是周期性、时变结构系统。在一个开关周期内，DC．DC开关变换器的状态空间连续时问建模，需要两套或两套以上不同的方程组，一套描述在功率开关器件导通期间电路的工作，其它描述功率开关器件关断期间的工作．在每种开关状态期间，如果RLC元件是线性的，则电路为线性电路．为了得到描述开关变换器在整个开关周期内的统一的状态空间模型，1976年R．D．Middlebrook等提出了状态空间平均法【221。状态空间平均法一直是国际公认的PWM(Pulse．Width．Modulation)DC．DC变换器的主要建模和分析方法￡23彩l，其实质为：根据由线性RLC元件、独立电源和周期性开关组成的原始网络，以电容电压、电感电流为状态变量，按照功率开关器件的‘ON’和‘OFF’两种状态，利用时间平均技术，得到一个周期内平均3
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