基于FPGA高频数字开关电源的开发

【摘要】随着电力电子行业的发展,用电设备对供电电源性能提出了更高的要求,传统大功率开关电源(SMPS)大多是采用硬开关、专用集成芯片的模拟电源,其可扩展性不足、功率损耗大,精度随着元件的老化而越来越差。近年来,数字控制技术和FPGA的应用成为电力电子领域中新的研究热点,数字控制可以降低器件老化、温度漂移对精度的影响,方便与外界数字通信进行智能化控制与监测；高速高密度低成本的FPGA依靠内部资源组合而成的数字系统可以避免程序跑飞、异常中断等故障,提高了系统稳定性。本文针对数字控制的特点与优势,对采用FPGA为主控制器的高频大功率数字开关电源进行了研究与设计。具体的工作内容如下：1、通过分析开关电源的拓扑结构、控制方式以及软开关技术,确定开关电源的总体设计方案。2、详细分析有限双极性全桥变换器零电压零电流软开关(ZVZCS)工作过程；在Buck变换器模型基础上,建立了基于有效占空比的ZVZCS全桥变换器数学模型。3、针对电源设计指标,给出了主电路输入级和输出级电路、逆变全桥电路中主要元件的参数设计；依据数学模型,使用极点配置的方法推导了PID参数设计表达式；针对输出整流二极管反向恢复和全桥移相零电压开关(ZVS)滞后臂ZVS范围太窄和输出整流管反向恢复的问题,提出尖峰抑制器的解决方案并给出抑制器的设计方法。4、根据系统控制需求,在控制电路方面,给出FPGA控制、电压电流检测、驱动放大、辅助电源等主要硬件电路实现方案；在FPGA程序方面,设计了数据采集与处理、数字PID、数字脉宽调制(DPWM)、数字通信、缓启动等模块；同时使用C#开发了控制和监测电源的上位机界面。在开发的样机平台上进行了相关测试,结果表明：FPGA的各程序模块工作正常,尖峰抑制器基本消除了二极管反向恢复电压尖峰,全桥变换器在宽负载范围内实现了ZVZCS。
【作者】房志东；
【导师】程健；
【作者基本信息】中国科学技术大学，检测技术与自动化装置，2014，硕士
【关键词】开关电源；全桥变换器；有限双极性；ZVZCS；尖峰抑制器；数字控制；FPGA；

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