论文总字数：25490字

摘 要

开关电源是电力电子技术中的一个研究热点，其转换效率高，经济性好，使用范围越加扩大，在工业中已逐步代替传统的相性稳压电源。本文针对其中一种应用于中大功率情况的拓扑结构——隔离型升压全桥转换器（IBFBC）进行了深入讨论。研究工作主要集中在IBFBC的设计与实现，文章的主要内容如下：

分析讨论IBFBC的拓扑结构和工作原理，对几点关键设计问题进行了讨论。在确定了设计指标与性能的情况下，对主要元器件的选型进行了叙述，包括MOSFET，快恢复整流二极管，隔离变压器等。其中，隔离变压器的设计尤为重要，本文单独进行了详细叙述。另外，为达到更好的控制效果和稳定性，采用数字化控制方案代替模拟控制，将工业中领先的FPGA控制器应用到设计实例中，并对控制模块的设计做了阐述。数字化控制所必须的PWM驱动电路、AD采样电路也在文中阐述。本文选取自控控制领域经典的PI控制，进行电压反馈数字化控制。设计完成的样机在实验室进行了调试与测试，验证设计的可实现性。测试结果表明，隔离型升压全桥转换器输出电压稳定，电压品质较好。

关键词：DC-DC变换器，隔离型升压全桥变换器，FPGA，PI控制

Abstract

Switching power supplies is a research hotspot in power electronics technology and have gradually replaced the traditional phase stabilized power supplies in the industry. This paper discusses in depth the isolation topology boost full-bridge converter (IBFBC), one of the topologies used in high power applications. The research work mainly focuses on the design and implementation of IBFBC. The main contents of the paper are as follows:

This paper mainly analyzes the topology structure and working principle of IBFBC, and discuss several key design issues. Under the condition that the design index and performance were determined, the selection of main components was described, including MOSFET, fast recovery rectifier diode, isolation transformer and so on. Among them, the design of the isolation transformer is particularly important, this paper has carried on the detailed description separately. In addition, in order to achieve a better control effect and stability, a digital control scheme is used instead of the analog control, the leading FPGA controller in the industry is applied to the design example, and the design of the control module is elaborated. The PWM drive circuit and AD sampling circuit necessary for digital control are also described in the text. This paper selects the classical PI control in the field of automatic control and controls the voltage feedback digitally. The completed prototype was tested in the laboratory to verify the feasibility of the design. Finally, corresponding emerging technologies for switching power supplies, such as active clamping and soft switching, are discussed.

KEY WORDS: DC-DC converter, IBFBC, FPGA, PI control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 DC-DC转换器研究背景 1

1.2 DC-DC转换器研究现状 1

1.3 本文结构安排 2

第二章 DC-DC转换器方案论证 3

2.1 DC-DC转换器基础——直流升压斩波电路 3

2.2 升压型转换器拓扑结构论证 3

2.2.1 几种升压转换器拓扑结构 3

2.2.2 IBFBC工作原理与分析 4

2.2.3 DC-DC转换器关键问题分析 9

第三章 系统硬件电路设计 10

3.1 总体设计方案 10

3.1.1 数字控制技术 10

3.1.2 系统总体结构 10

3.2 变压器设计 11

3.2.1 原边绕组相关参数 11

3.2.2 副边绕组相关参数 12

3.3 主要元器件选型 13

3.3.1 半导体开关器件的选择 13

3.3.2 电感的设计选型 13

3.3.3 电容的设计选型 14

3.4 硬件电路设计 14

3.4.1 FPGA控制板 14

3.4.2 IBFBC主桥电路 18

3.4.3 PWM驱动电路 19

3.4.4 AD采样电路 23

3.5 PCB的EMI解决方案 24

3.5.1 控制板的电磁兼容设计 24

3.5.2 IBFBC主板的电磁兼容设计 27

第四章 系统软件设计 29

4.1 IBFBC的电压反馈控制 29

4.1.1 IBFBC数学模型 29

4.1.2 控制策略选择 29

4.2 Verilog程序设计 33

4.2.1 软件总体设计 33

4.2.2 模数转换 34

4.2.3 PI控制 35

第五章 样机调试与测试 36

5.1 PWM驱动输出 38

5.2 MOSFET门极信号测试 39

5.3 输出电压测试 39

第六章 总结与展望 41

6.1 系统设计总结与感想 41

6.2 展望 41

致 谢 42

参考文献 43

绪论

DC-DC转换器研究背景

伴随着晶体管的诞生，电子技术便开始了迅猛的发展，并广泛应用与通信、无线电等领域。在此期间，电力电子技术理论不断发展，并趋于成熟。1957年，美国通用电气公司研究出第一个晶闸管^[1]，自此，这一里程碑事件，标志了电力电子技术的真正诞生。20世纪后半叶，电力电子器件不断进步革新，电力电子技术又达到了新的高度。

直流斩波器是电力电子领域的核心内容之一，在常见的电子系统、电气工程、通信、工业加工和航空工业等场所都可以看到它的身影。传统的相控稳压电源由于其体积大，精度低，损耗高，维护难度大等缺陷，逐渐不能满足现代电力电子设备的要求。于是，20世纪50年代，美国航天局为其新一代火箭研发出了开关电源，其高效，轻便，发热量小，性能稳点等优势，迅速在工业领域推广开来^[2]。

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