高压程控开关电源控制系统设计

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传统的高压可调工频线性电源具有体积大、重量重、效率低、功率因数低等缺点,为此本文提出了一种高压开关电源设计方案。本文的研究目标是设计一款输出电压0-1000V可调,最大工作电流0-1A可调的高压程控高频开关电源。对于主电路设计,本文采用应用较广的半桥拓扑结构。设计该电源在整个工作环境下始终工作在DCM模式,利用等效电路法建立了半桥变换器的数学模型,并对其电压纹波进行了详细的理论分析。通过MATLAB仿真工具验证了所建数学模型的有效性,通过PSPICE仿真工具对半桥变换器进行了开环电路仿真,以进一步认识半桥变换器的工作原理和了解每个元器件的电压电流波形。对于控制系统设计,本文分别从模拟和数字两个角度提出了两种控制方案,两种控制方案都采用了选择控制策略,实现了电源系统对输出电压0-1000V可调,最大工作电流0-1A可调的性能要求。对于模拟控制方案,使用SG3525和LM324分别对电压补偿网络和电流补偿网络设计了3型误差放大器和2型误差放大器有源补偿网络。使用频域分析法对补偿后的控制系统进行了稳定性分析,确定了补偿网络的参数和对应的电阻电容值。对模拟电源系统进行闭环电路的PSPICE仿真,验证了所提出的模拟控制方案的有效性。对于数字控制方案,提出了一种基于离散指数趋近律的模糊滑模控制系统设计方案,并对该控制方案的调节原理进行了理论论证。首先,根据对半桥变换器所建立的数学模型分别针对输出电压和高频变压器原边电流设计了两个通用的滑模控制器,并对滑模控制器的切换参数和抖振现象进行了分析。然后,为解决滑模控制器的抖振问题,提出了一种模糊控制和滑模控制相结合的模糊滑模控制算法,并通过仿真得出在加入模糊控制器后,滑模控制器的控制效果得到了改善。最后,针对所设计的模糊滑模控制器进行了闭环电路的仿真研究,分析了电源系统的动态和稳态特性,并对模拟控制器和数字控制器进行了对比研究。本文重点对模拟控制方案进行了硬件电路设计。主电路的磁性元器件对电源的工作性能影响极大,这里做了重点分析计算,并给出了计算公式和需要考虑的问题。对高压开关电源模拟控制方案进行硬件电路设计,包括主电路设计、模拟控制系统设计、辅助电路设计等,解释了电路的工作原理并给出了设计该电源系统所需要的参数。为实现程控功能,设计了针对模拟控制方案的微机控制部分。针对设计好的硬件电路,经过焊接和调试实现了模拟控制方案的高压程控开关电源的实验样机。对系统的每一部分进行了调试和运行,把各个部分组成电路系统后,测试了电源的各种性能指标和正常工作波形。所设计的实验样机基本达到了本文所要求的性能指标。
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