并联谐振DCDC变换器的设计与仿真

摘 要

在我们日常生活中，并联谐振变换器随处可见，因为其相比其他变换器而言结构相对简单，运行稳定且便于维修等优势，最重要的是并联谐振变换器在并网方面具有很好的优势。随着自动控制技术和微电子技术的不断革新，目前的技术水平为实现并联谐振变换器调节控制打下坚实的基础，提供扎实的理论依据。

本次设计主要以并联谐振变换器控制系统设计应用作为研究背景，运用MATLAB/Simulink仿真工具搭建相应的仿真模型。并联谐振变换器控制系统拥有很好的动态特性，运行稳定性高、调速的范围较大，性能可靠等，在实际生产制造中被广泛的应用。该模型仿真设计对并联谐振变换器PWM波可逆控制方法，通过 Matlab/Simulink仿真软件搭建仿真模型,运行仿真，并对仿真结果进行了分析。经过对控制系统进行仿真，可以明显的看出，并联谐振变换器控制系统响应快，没有超调量，运行稳定，抗外界干扰能力强等特点。

深入学习并联谐振变换器的整体结构和分类，针对并联谐振变换器控制系统当做研究对象。在对并联谐振变换器控制系统工作原理和各个部分的数学模型进行深入研究的基础上，在MATLAB/SIMULINK对不同部件的传递原理和数学模型进行了深入的研究，建立并联谐振变换器控制系统动力学模型，通过仿真结果验证，可以比较各种策略与方案，优化并确定相关参数。最后，对并联谐振变换器控制系统分析方法进行了详细比较分析，为科学决策提供可靠的依据。

本次设计经过模型搭建、仿真验证，在学习掌握并联谐振变换器工作特性的同时，参考得到的仿真结果，为更进一步的设计开发新的产品奠定坚实的基础。

关键词：并联谐振变换器，DC/DC，软开关，建模与仿真

Abstract

In our daily life, parallel resonant converter can be seen everywhere, because compared with other converters, its structure is relatively simple, stable operation and easy to maintain and other advantages, the most important is that the parallel resonant converter has a good advantage in grid-connection.With the continuous innovation of automatic control technology and microelectronic technology, the current technical level lays a solid foundation for realizing the regulation and control of parallel resonant converter, and provides a solid theoretical basis.

The design of parallel resonant converter control system design and application as the research background, the use of Matlab /Simulink simulation tools to build the corresponding simulation model.Parallel resonant converter control system has good dynamic characteristics, high running stability, a wide range of speed regulation, reliable performance, etc., is widely used in the actual production and manufacturing.The simulation design of the PWM wave reversible control method of parallel resonant converter, through the MATLAB /Simulink simulation software to build a simulation model, run the simulation, and the simulation results are analyzed.After the simulation of the control system, it can be clearly seen that the parallel resonant converter control system has the characteristics of fast response, no overshoot, stable operation and strong anti-interference ability.

Further study the overall structure and classification of the parallel resonant converter, and take the control system of the parallel resonant converter as the research object.In the parallel resonant converter control system working principle and the mathematical model of each part, on the basis of in-depth study, in the MATLAB/SIMULINK for different parts of the transmission principle and mathematical model studied, parallel resonant converter control system dynamics model is established, through the simulation results verify, you can compare all kinds of strategy and plan,Optimize and determine relevant parameters.Finally, the analysis methods of parallel resonant converter control system are compared and analyzed in detail, which provides reliable basis for scientific decision-making.

This design after model building, simulation verification, in learning to master the parallel resonant converter working characteristics at the same time, the reference of the simulation results, for further design and development of new products to lay a solid foundation.

Key words: Parallel resonant converter, DC/DC, soft switch, modeling and simulation

目录

摘 要...................................................................................................................... 1

第一章 绪论............................................................................................................ 5

1.1  概述............................................................................................................. 5

1.2  课题研究的现状........................................................................................ 6

1.3  课题研究的意义........................................................................................ 9

1.4  仿真工具MATLAB/Simulink简介.................................................... 10

1.5  课题的研究内容及章节安排............................................................... 12

第二章 谐振变换器............................................................................................ 13

2.1  建模分析方法......................................................................................... 13

2.1.1  状态空间平均法............................................................................. 13

2.1.2  电路平均法...................................................................................... 13

2.2  DC/DC变换技术.................................................................................... 13

2.2.1  硬开关技术...................................................................................... 13

2.2.1  软开关技术...................................................................................... 13

2.3  谐振变换器.............................................................................................. 14

2.3.1  串联谐振变换器............................................................................. 14

2.3.2  并联谐振变换器............................................................................. 14

2.3.3  串并联谐振变换器的对偶关系.................................................. 14

第三章 并联谐振DC/DC变换器.................................................................... 15

3.1  并联谐振DC/DC变换器的结构和工作原理..................................... 16

3.2  并联谐振变换器的稳态分析............................................................... 17

第四章 并联谐振变换器系统仿真.................................................................. 20

4.1 并联谐振变换器系统仿真模型............................................................... 20

4.2      仿真输出波形及分析.......................................................................... 22

4.3  本章小结................................................................................................... 23

第五章  结束语................................................................................................... 23

参考文献................................................................................................................ 24

致    谢................................................................................................................ 26

第一章 绪论

1.1  概述

随着电力电子器件的开发和电力电子技术的不断发展，感应加热装置的面貌也日新月异，尤以装置的体积、重量、和性能方面变化最为突出。其中电力半导体式感应加热装置的应用最为广泛，在很多方面已经取代了电子管式感应加热装置。电力半导体式感应加热装置的电路结构与其工作频率、功率无关，都是由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电路组成[1-2]，如图1-1 所示。设备工作时，三相工频电流经整流器整流，滤波器滤波后，成为平滑直流送到逆变器。逆变器是采用电力半导体器件作为电子开关的，它将直流电转变成较高频率的电流供给负载，是感应加热装置中不可缺少的组成部分，因此逆变器的控制电路非常重要，它决定了设备的工作频率和输出功率。

并联谐振变换器在逆变性能方面具有很大的优势，特别是在并网和逆变保护方面，可以满足很大的范围内进行逆变控制，所以并联谐振变换器广泛的应用在光伏发电、风力发电并网等领域中。同时，伴随着自动控制领域的不断创新，有很多智能的控制方法策略使用在并联谐振变换器控制方向上，这也促使并联谐振变换器系统普遍的使用在各种试验设备的高精密仪器上。并联谐振变换器拥有很多其他逆变器不具备的优点，比如说具有响应速度快、响应效率高和运行逆变范围广等。

但是伴随着人们的生活条件和经济水平不断改善，市场对并联谐振变换器性能的需求也在急剧增加，特别是大中及沿海城市。并联谐振变换器系统控制是一种高效快捷的控制方式，让我们更加高效的控制并网电压、电流、功率等，但不利的一面也是存在的，由于控制策略的实际性存在很多问题，常常会出现控制失败的现象等。

近几年，并联谐振变换器被广泛的应用在并网系统上，主要因为其具备运行成本低、控制逻辑简单、响应效率高等优点，同时被普遍应用在发电并网各种设备中。然而，并联谐振变换器在并网控制系统中应用时，会面临很多问题，经常会造成很多预想不到的问题，鉴于此种问题，本次设计使用Matlab/Simulink仿真工具中搭建并联谐振变换器系统模型，通过仿真得出结论与理论进行对比，充分验证其精确性，为并联谐振变换器系统的生产应用打好坚实的基础，节省大量的研发投入和成本投入。本次设计推导出并联谐振变换器的数学模型，在Matlab/Simulink软件中搭建并联谐振变换器控制系统模型，最终通过模拟仿真进行分析。

1.2  课题研究的现状

固态感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展和现代控制技术的发展密切相关，其主要研究热点有以下几个方面：

（1）功率半导体器件的大容量化、高频化将带动感应加热电源的大容量化和高频化。目前工业加热领域对高频感应加热电源的需求很大，但是由于目前电力电子器件制造水平的限制，固态高频感应加热电源在高频段还难以完全替代电子管电源。另外，固态高频感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽以及驱动电路均有许多特殊要求。同时，感应加热电源的大容量化只能从电路的拓扑结构和控制方法上寻找解决方案。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步实现电源装置大容量化的最有效手段。但是，器件的串、并联必须妥善解决器件的均压和均流问题，这对器件的筛选、缓冲电路以及电源的布局布线要求非常严格。

（2）随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展；采用高性价比的数字化控制电路不仅可以充分发挥微处理器的实时数据处理能力，而且可以克服模拟控制电路元件易老化、温度漂移、对电磁噪声敏感等缺点，还可以实现电源工作状态的实时监测和控制，确保电源的高效稳定运行。此外，具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等功能的固态感应加热电源必将成为下一个发展目标。

（3）随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染电源也将成为今后发展的一个方向。由于感应加热电源一般功率都很大，传统的晶闸管相控整流器会对电网造成严重的谐波污染。随着电网对用户的功率因数和谐波污染指标的要求越来越严格，具有单位功率因数、低谐波污染的PWM 整流器将会得到越来越广泛的应用，“绿色”感应加热电源必将成为今后的发展方向。

并联谐振变换器的发展，先是从有刷并联谐振变换器开始的，因为其具有稳定的扭矩控制特性，被广泛的应用在运动控制行业。但是有刷并联谐振变换器拥有一个一直以来难以解决的问题，因为其自身需要通过机械刷来控制换相，极大地影响电机运行的稳定性，从而在很多领域无法使用。经过各国电机科研人员的不断创新和努力，美国技术人员设计出一款通过控制栅极来达到直流转交流的水银整流器。第二年，慢慢的市场上的并联谐振变换器都开始使用整流管来代替机械刷进行工作，也因此诞生了并联谐振变换器。几年后，有专家设计出采用离子仪器实现电机的定子电枢绕组按其转子位置换接的电机，这种想法和现代的并联谐振变换器基本结构己经非常相近了，同时代表并联谐振变换器的正式诞生。

正弦波式并联谐振变换器系统是根据永磁同步电机机械性能演变出现的。起初，专家使用永磁材料取代同步电机的电磁线圈和滑动环，发明了永磁同步电机。后来为了使之能够自行启动，通常在电机转子外配置一个鼠笼或是特殊的转子结构和滞磁层，从而增加电机转矩。如今变频技术得到了快速的发展，永磁同步电机在启动时主要依靠变频技术，因此配置鼠笼己没有意义，这样就使永磁同步电机的内部结构得到了一定程度的简化。

二十世纪末至二十一世纪初，随着高品质，低价格的新一代永磁材料的诞生和全控开关元件的产生，并联谐振变换器系统也得到了长足的发展。也是从此时开始，高电磁激励，高转矩输入的第三代数铁硼永磁材料已经被并联谐振变换器系统广泛使用。同时使用霍尔器件作为位置检测器和三相全桥驱动方式增强电机转矩，使之应用范围更加广泛。

现如今，随着并联谐振变换器系统的研究与发展的不断累积，永磁材料的质不断的上升和完善，尤其是数铁硼材料的抗腐蚀性和可靠性的提高以及电子电力技术的进一步发展，标志着并联谐振变换器技术己经逐渐趋于完善，同时使并联谐振变换器的开发和应用进入到全新的阶段。

1.3  课题研究的意义

目前已有的逆变控制方法将控制的重点集中在工作频率的跟踪上，而对感应加热电源工作状态是一种内闭环控制。虽然能满足负载频率跟踪的任务，但是在负载变化较大时，不能保证感应加热电源工作状态控制在最佳状态，感应加热电源运行的安全性较低，调试复杂。另外，感应加热电源在运行时会由于各种因素如电网干扰、驱动异常等情况发生故障，对于这些异常如果不采取及时有效的措施，会带来严重的后果。因此，要求保护环节对这些异常加以判断，并快速采取保护措施。

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