103柯陰極保護(hù)電源中的開關(guān)變換器研究與設(shè)計(jì)

1、分類號(hào) 級(jí)公開 密UDC 學(xué)校代碼10497題英題目陰極保護(hù)電源中的開關(guān)變換器研究與設(shè)計(jì)文Research and Design of Switching目Power Converetr for Cathodic Protection 柯 教授學(xué)位博士 指導(dǎo)教師名稱自動(dòng)化學(xué)院 430070 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別學(xué)科專業(yè)名稱科學(xué)與工程 提交日期2014 年 6 月答辯日期2014 年 5 月學(xué)位授予答辯委員會(huì) 理工大學(xué)學(xué)位授予日期2014 年 6 月 教授評(píng)閱人吳細(xì)秀 副教授 向 馗 副教授 2014 年 6 月獨(dú) 創(chuàng) 性本人，所呈交的是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中

2、特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，中不包含其他人已經(jīng)或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本明并表示了謝意。做的任何貢獻(xiàn)均已在中作了明確的說簽 名：日 期： 使用書本人完全了解理工大學(xué)有關(guān)保留、使用有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交的規(guī)定，即學(xué)校保留并向的復(fù)印件和，被查閱和借閱。本人承諾所提交的（含電子學(xué)位論理工大學(xué)可以文）為答辯后經(jīng)修改的最終定稿，并將本縮印或其他學(xué)認(rèn)可的的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、保存或匯編本。同時(shí)經(jīng)理工大，并有關(guān)機(jī)構(gòu)或數(shù)據(jù)庫(kù)使用或收錄本會(huì)公眾提供信息服務(wù)。（的在后應(yīng)遵守此規(guī)定）（簽名）：導(dǎo)師（簽名）：日期：摘要金

3、屬電化學(xué)防腐技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、艦船和港口設(shè)施的防腐工程中占有重要地位。外加電流陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，使得人們對(duì)用于外加電流陰極保護(hù)的防腐電源提出了更高的要求。電力電子技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的防腐電源逐步從以晶閘管為主要開關(guān)器件的相控電源發(fā)展為器件的高頻開關(guān)電源。本文結(jié)合金屬防腐的應(yīng)用背景，將數(shù)字倍流整流移相軟開關(guān)變換器應(yīng)用到陰極保護(hù)中，使得防腐電源體積更小、且工作效率更高。本文首先了陰極保護(hù)電源的研究背景及意義，闡述了陰極保護(hù)的工作原理、陰極保護(hù)電源的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向。對(duì)倍流整流移相器在各個(gè)開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)其超前橋臂開關(guān)ZVS 變換滯后橋

4、臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn) ZVS 的差異進(jìn)行了比較。接著利用一種新穎的號(hào)建模方法建立了倍流整流移相ZVS 變換器的號(hào)模型。然后對(duì)系統(tǒng)的各部分硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括主功率電路高頻變壓器的設(shè)計(jì)、主功率開關(guān)管和輸出整流二極管的選擇、輸出濾波電感和阻斷電容的計(jì)算，以及驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電源電路的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上利用 PSPICE軟件對(duì)主功率電路進(jìn)行了分析，以驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。再次，在該變換器號(hào)模型的基礎(chǔ)上利用開關(guān)電源零極點(diǎn)補(bǔ)償理論設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的環(huán)路補(bǔ)償器，使用軟件對(duì)系統(tǒng)的函數(shù)的 Bode 圖進(jìn)行了對(duì)象傳遞函數(shù)、環(huán)路補(bǔ)償器傳遞函數(shù)以及開環(huán)傳遞分析，以驗(yàn)證環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)的正確性，檢查系統(tǒng)的靜動(dòng)

5、態(tài)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)制作了一臺(tái) 500W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，采用 Microchip 公司的數(shù)字器 dsPIC33FJ16GS504 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字，并給出了實(shí)驗(yàn)波形和結(jié)果分析。：陰極保護(hù)電源，倍流整流，移相，ZVS，數(shù)字，號(hào)模型IAbstractMelectrochemical anticorrosion technique occupies an important position inapplications such as anticorrosion engineering of modern industry equipments, m structures,

6、 ships and port facilities. With the wide use of impressed current cathodic protection technique, higher requirements for anticorrosive power supply, which employs impressed cathodic protection technique has been put forward. The progress of power electronics technology has promoted the development

7、of switching power supply, while the traditional anticorrosive power supply has gradually changed from phase-controlled method which regard thyristor as the main switching devices to high frequency switching power supply with fully controlled devices. In this thesis, the digital controlled phase-shi

8、fted full-bridge soft switching converter with currentdoubler rectifier is applied to cathodic protection based on the application backgroundof the manticorrosion, which makes anticorrosive power supply volume smallerand more efficient.This thesis firstly introduces the research background and the s

9、ignificance of the switching power supply for cathodic protection, expounds the working principle of cathodic protection, the research status and development direction of the switching power supply for cathodic protection, analyzes the working status in each switching mode about the phase-shifted fu

10、ll-bridge ZVS with CDR in detail, and compares differences in how to realize ZVS between the lead MOSFETs and the lag MOSFETs.Secondly a novel small signal m ing method is used to establish the small signalmfor phase-shifted full-bridge ZVS converter with CDR. Then the hardwarecircuit is designed in

11、 detail, including main power circuit (high frequency transformer, main power switching devices, output rectifier diodes, output filter inductor and blocking capacitor), driving circuit, signal processing circuit and auxiliary power supply. Meanwhile, parameters are carefully calculated. In addition

12、, simulations based on PSPICE of the main power circuit are demonstrated to verify the circuit design. Moreover, the theory of zero-pole compensation is applied to design thecompensator. According to the designed compensator, Bode diagrams of the systemcan be drawn and analyzed usingto see whether t

13、he static and dynamicperformance can meet the requirements or not. Finally, a 500W prototype usingIIdsPIC33FJ16GS504 as the main controller is developed to verify the design, and theexperimental waveforms and analysis are also given.Keywords：switching power supply for cathodic protection，current dou

14、bler rectifier，phase-shifted full-bridge，ZVS，digital control，small signal mIII目錄摘要IABSTRACTII第 1 章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 陰極保護(hù)原理21.3 陰極保護(hù)電源的研究現(xiàn)狀51.4 開關(guān)變換器的發(fā)展方向61.5 本課題研究?jī)?nèi)容7第 2 章 陰極保護(hù)電源開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)與原理分析92.1 陰極保護(hù)電結(jié)構(gòu)92.2 開關(guān)變換器基本拓?fù)渑c工分析102.3 超前滯后管實(shí)現(xiàn) ZVS 的差異182.4 本章小結(jié)19第 3 章 開關(guān)變換器號(hào)模型分析203.1 PWM 型開關(guān)變換器的號(hào)建模203.2 倍

15、流整流移相3.3ZVS 變換器的號(hào)建模21與分析303.4 本章小結(jié)31第 4 章 陰極保護(hù)電源開關(guān)變換器硬件電路設(shè)計(jì)324.1 主功率電路的設(shè)計(jì)324.1.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)324.1.2 主功率管的選擇374.1.3 輸出整流二極管的選擇384.1.4 輸出濾波電容的選擇384.1.5 輸出濾波電感的計(jì)算394.1.6 阻斷電容的計(jì)算424.2 主功率電路分析454.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)47IV4.4 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)484.5 輔助電源的設(shè)計(jì)494.6 本章小結(jié)50第 5 章 開關(guān)變換器的數(shù)字設(shè)計(jì)51. 515.1 開關(guān)電源數(shù)字技術(shù)與5.2信號(hào)的生成535.3 反饋環(huán)路的補(bǔ)償545.4

16、 數(shù)字器的設(shè)計(jì)585.5 本章小結(jié)61第 6 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析626.1 輕載實(shí)驗(yàn)626.2 半載實(shí)驗(yàn)646.3 滿載實(shí)驗(yàn)666.4 本章小結(jié)68第 7 章 總結(jié)與展望697.1 全文工作總結(jié)697.2 今后工作展望70致謝71參考文獻(xiàn)72V理工大學(xué)第 1 章 緒論1.1 課題研究背景及意義隨著全球的飛速發(fā)展以及人口的激增，人類對(duì)能源的需求日益增加，在這種背景下，石油天然氣等油氣得到大規(guī)模的開發(fā)利用，管道技術(shù)迅速發(fā)展，并且在天然氣等流體類能源體系中扮演越來越重要的。在水、石油、方式無法企及的的方面，管道有著其他突出優(yōu)勢(shì)1。據(jù)全統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)的主要管道干線總里程已經(jīng)超過了 300 萬公里，并

17、且仍在以驚人的速度迅速增長(zhǎng)，這些的調(diào)配和的可持續(xù)發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)2。為全球能源土壤的成分十分復(fù)雜，既有固態(tài)和液態(tài)成分，也有氣態(tài)成分，這些成分構(gòu)成的化學(xué)環(huán)境時(shí)刻侵蝕著埋在的金屬管道。土壤中的復(fù)雜成分使金屬表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了許許多多腐蝕微電池，其中有的地方電位為負(fù)， 發(fā)生金屬的腐蝕溶解，我們稱之為腐蝕微電池的陽(yáng)極，而有的地方電位為正， 發(fā)生化學(xué)上的氧化還原反應(yīng)，我們稱之為腐蝕微電池的陰極，另外土壤中的水則為陰極和陽(yáng)極之間的電流提供了流通回路。金屬腐蝕看似普通，隨時(shí)隨地都有發(fā)生，但是這種現(xiàn)象會(huì)造成相當(dāng)嚴(yán)重的損失。首先是方面的損失，金屬材料會(huì)因腐蝕而造成巨大的直接或間接的損失，保守估計(jì)

18、每年全球因金屬腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵材料相當(dāng)于年鋼鐵生產(chǎn)量的 30%左右，雖然我們可以利用各種先進(jìn)的技術(shù)對(duì)其中的一部分回收再利用，但由于腐蝕的仍會(huì)有 10%左右的白白浪費(fèi)掉。然而金屬設(shè)備的腐蝕毀壞帶來的間接損失則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬材料本身的價(jià)值，例如、橋梁、輪船、飛機(jī)、鍋爐等等，它們需要復(fù)雜的技術(shù)和工藝，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過金屬原材料的價(jià)格。根據(jù)美國(guó) NBS 的統(tǒng)計(jì)，1975 年全年金屬腐蝕給美國(guó)造成的損失高達(dá) 700 億之多，占當(dāng)年 GDP 的 4.2%。在 1997 年由于金屬腐蝕造有關(guān)金屬腐蝕造成的損失的研另根據(jù) 1999 年光明日?qǐng)?bào)的相關(guān)，我國(guó)成的損失超過了 2800 億元。此外，一些其他究結(jié)果也己經(jīng)向

19、外界公布，據(jù)統(tǒng)計(jì)這些的金屬腐蝕損失大約占生產(chǎn)總值(GDP)的 3%4%左右；其次是安全性方面的影響，金屬腐蝕可能造成一些重要設(shè)備或者零部件的致命性毀壞，從而重特大事故，例如輪船船體受1理工大學(xué)到海水腐蝕形成孔洞漏水導(dǎo)致輪船沉沒，容器由于金屬腐蝕發(fā)生，儲(chǔ)存是物質(zhì)的金屬容器由于金屬腐蝕發(fā)生泄漏等等，此類事故不勝枚舉；再次環(huán)境方面的影響，金屬腐蝕不僅會(huì)浪費(fèi)地球上有限的金屬，而且金屬腐蝕形成的蝕坑還會(huì)造成工程中有害物質(zhì)的泄漏，進(jìn)而造成環(huán)境污染和人類健康問題，如金屬供水管道中的腐蝕產(chǎn)物將會(huì)隨著水流一起進(jìn)入千家萬戶，從而直接或間接進(jìn)入，室外的金屬腐蝕物浸入土壤和地表水會(huì)破類賴以生存的的洋污染1。環(huán)境，海底

20、油氣管道由于金屬腐蝕引起油氣泄漏會(huì)造成海由上述分析可知，金屬腐蝕已經(jīng)給發(fā)展和人類生活等各個(gè)方面都造成了嚴(yán)重的影響，我們必須采取有效的方法來降低金屬腐蝕速率，以避免金屬腐蝕造成的事故給人類帶來的影響。人類在同金屬腐蝕這一自然現(xiàn)象作頑強(qiáng)科研成果。的過程中，不斷摸索和總結(jié)其中的科學(xué)規(guī)律，已經(jīng)取得了一定的金屬腐蝕，目前工程師們通常采取的技術(shù)方法主要有合理設(shè)計(jì)、選用恰當(dāng)?shù)慕饘俨牧?、埋地金屬管道的生存環(huán)境、對(duì)金屬表面采取防腐處理，以及采用耐腐蝕性能更好的非金屬材料等等。目前在工程應(yīng)用上一般都會(huì)同時(shí)采用幾種技術(shù)，以期達(dá)到更好的防腐效果。其中電化學(xué)保與防腐涂層應(yīng)用得到了廣泛的應(yīng)用，它可以彌補(bǔ)單一方法的缺陷，從

21、而更加和自動(dòng)化技術(shù)的徹底有效地抑制金屬材料的腐蝕。隨著微電子技術(shù)、不斷發(fā)展，研究設(shè)計(jì)出具有更高可靠性、更好安全性、不間斷供電、維護(hù)方便（甚至免維護(hù)）、化、智能化的新一代防腐系統(tǒng)就迫在眉睫34。1.2 陰極保護(hù)原理所謂的陰極保，顧名思義就是將需要被保護(hù)的金屬設(shè)備看作陰極，并使其極化，從而消除表面的電化學(xué)不均勻性，從而達(dá)到金屬保護(hù)的目的。陰極保是一種非常有效的防腐措施，應(yīng)用歷史也已經(jīng)超過百年，且使用范圍越來越廣泛5。一些要求在腐蝕介質(zhì)中使用數(shù)十年的設(shè)備，例如海洋鉆井平臺(tái)、碼頭、輪船、埋地金屬管道、電纜等，我們必須采用陰極保護(hù)的方法來降低金屬的腐蝕速率，增強(qiáng)其耐腐蝕性，延長(zhǎng)金屬設(shè)備的使用。工程應(yīng)用數(shù)

22、據(jù)表明，陰極保護(hù)產(chǎn)生的效益十分顯著，可以算一筆賬，我們需要超過 1億元的費(fèi)用來建造一座海上鉆井平臺(tái)，而使用陰極保護(hù)的施工費(fèi)僅僅需 1002理工大學(xué)200 萬元，占其中很小一部分，如果不采用防腐措施的話，平臺(tái)的使用5 年，而采用陰極保護(hù)后可使用 20 年以上。只有的原理如圖 1-1 所示6，下面結(jié)合圖例對(duì)其機(jī)理加以分析說明。陰極保當(dāng)未采用陰極保護(hù)時(shí)，金屬表面腐蝕微電池的陽(yáng)極、陰極極化曲線 EOA 和 EOC 在點(diǎn) S 相交，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位和電流分別為金屬的自腐蝕電位 Ecorr 和腐蝕電流Icorr 。腐蝕微電池的陽(yáng)極在 Icorr 的作用下不斷溶解，從而被腐蝕破壞?，F(xiàn)在考慮對(duì)金屬采用陰極保護(hù)的

23、情況，此時(shí)金屬的總電位在外加陰極電流 I1 的作用下由原先的 Ecorr 變到 E1 ，總的陰極電流 IC1 包括外加的陰極電流 I1 和金屬陽(yáng)極的腐蝕電流 I A1 。從圖中顯而易見這時(shí)的金屬腐蝕微電池陽(yáng)極電流 I A1 比原先未加保護(hù)時(shí)減小了，也就是腐蝕過程減緩了，從而部分保護(hù)了金屬體。金屬體的電位隨著外加陰極電流的增大而減小，直至外加陰極電流 IC外 提供全部電流，此時(shí)金屬陽(yáng)極電流將減小為零，金屬體的總電位等于腐蝕微電池陽(yáng)極的起始電位 EOA ，這時(shí)候金屬體的表面只會(huì)發(fā)生陰極的還原反應(yīng)，而沒有了金屬陽(yáng)極的溶解，金屬體從而得到了完全的保護(hù)，我們稱此時(shí)的金屬體電位為最小保護(hù)電位。由上文的分析

24、我們可以得到這樣的結(jié)論，即要使金屬體不被腐蝕得到完全的保護(hù)，我們可以用陰極保護(hù)的方法將它陰極極化到其腐蝕微電池陽(yáng)極的平衡電位。為了使保護(hù)效果更好，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常選擇比腐蝕微電池的陽(yáng)極平衡電位稍低一些的保護(hù)電位7。EAEOCIcorrEcorrSE 1I 1EOACI0I A 1I C 1I C 外圖 1-1 陰極保護(hù)原理示意圖3理工大學(xué)目前最常用的有兩種陰極保種則稱之為外加電流陰極保，一種稱之為犧牲陽(yáng)極陰極保，另一。犧牲陽(yáng)極陰極保的原理，就是尋找一種新的金屬材料并將它與被保護(hù)金屬體連接起來，這種新材料的電位必須比被保護(hù)金屬體更負(fù)，讓它充當(dāng)犧牲陽(yáng)極，為被保護(hù)金屬體提供陰極保護(hù)電流，使被保

25、護(hù)金屬體極化，從而達(dá)到降低腐蝕速率的目的。由于被保護(hù)金屬體的電位比犧牲陽(yáng)極的電位高，兩者之間的電位差就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流從犧牲陽(yáng)極流出，然后陰極電流通過電解質(zhì)提供給被保護(hù)金屬體，再經(jīng)過土壤流回犧牲陽(yáng)極，形成了一個(gè)完整的電流回路，陰極極化電流將金屬體極化，因此得到了保護(hù)。陽(yáng)極金屬材料隨著的電流不斷被腐蝕消耗掉，犧牲陽(yáng)極法因此而得名。犧牲陽(yáng)極陰極保不需要外加電源，也不用花很多時(shí)間去管理它，且對(duì)鄰近構(gòu)筑物造成的干擾很小，但是這種方法的保護(hù)范圍較小，保護(hù)電流也不能連續(xù)可調(diào)，投產(chǎn)調(diào)試工作較為繁瑣。外加電流陰極保就是將外加電源的負(fù)極與被保護(hù)金屬體相連接，對(duì)金屬體進(jìn)行保護(hù)的陰極保護(hù)電流由外加電源提供，從而降低腐

26、蝕速率。埋地的輔助陽(yáng)極將外加電源提供的保護(hù)電流引入，然后再通過土壤介質(zhì)流回被保護(hù)金屬體，這樣一來需要被保護(hù)的金屬體就變成了陰極，在其表面上不發(fā)生金屬離子的氧化反應(yīng)而只發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)而可以抑制其腐蝕過程。外加電流陰極保從 20 世紀(jì)早期開始就在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，效果較為理想，常應(yīng)用于土壤及海泥中金屬體的防腐。 與 犧牲陽(yáng)極陰極保相比，外加電流陰極保的驅(qū)動(dòng)電壓較高，輸出電流較大并連續(xù)可調(diào)，可根據(jù)被保護(hù)金屬體的大小調(diào)節(jié)輸出電流，保護(hù)范圍比較大，特別適合于那些大口徑、長(zhǎng)距離的油氣輸送管道的防腐。為了延長(zhǎng)其使用，可選用可靠性更好的不溶性陽(yáng)極。當(dāng)然，這種方法需要增加外部電源，從而增加了設(shè)備成本，且

27、對(duì)附近的構(gòu)筑物有一定的干擾，此外需要定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)管理。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由直流電源、參比電極以及輔助陽(yáng)極等幾個(gè)主要部分節(jié)，始終。直流電源的輸出電流可以根據(jù)外界腐蝕環(huán)境條件的變化而自動(dòng)調(diào)被保護(hù)金屬體的電位在保護(hù)電位范圍內(nèi)波動(dòng)。參比電極通過與外加直流電源配合來被保護(hù)金屬體的保護(hù)電位，一般要求參比電極較難被極化，可逆性也要好，可以使電位保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定、靈敏、準(zhǔn)確。輔助陽(yáng)極用來把保護(hù)電流輸送到被保護(hù)的金屬體上，可以用來做輔助陽(yáng)極的材料應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性，取材方便，價(jià)格低廉。長(zhǎng)，通流能力強(qiáng)；有較好的機(jī)械強(qiáng)度，易于；4理工大學(xué)1.3 陰極保護(hù)電源的研究現(xiàn)狀由前文可知，外加直流電源是外

28、加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中一個(gè)十分的部件。目前國(guó)內(nèi)廣泛使用恒電位儀給陰極保護(hù)系統(tǒng)提供外加電流，恒電位儀能夠使電極電位保持恒定，它主要在金屬體的腐蝕電解質(zhì)電位經(jīng)常波動(dòng)的環(huán)境中應(yīng)用，比如像航行中的船，它的電解質(zhì)流速不斷變化。據(jù)全統(tǒng)計(jì)，恒電位儀已經(jīng)遠(yuǎn)不止占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)外加電流陰極保護(hù)市場(chǎng)的半壁。現(xiàn)在市場(chǎng)上像可控硅恒電位儀、磁飽和電抗器和晶體管恒電位儀等各種各樣的恒電位儀琳瑯滿目。其中可控硅恒電位儀在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被廣泛使用，它的輸出功率大，使用器、晶閘管整流器、長(zhǎng)，主要組成部件有電位給定器、脈仲觸發(fā)器、直流放天保護(hù)器和穩(wěn)壓電源等?，F(xiàn)在我們來簡(jiǎn)單分析一下恒電位儀是如何工作的。將分別測(cè)得的參比電極電位(V參 )與電位給

29、定器的給定電位（V給 ）作一個(gè)比較得到一個(gè)電位差( DV )，DV 經(jīng)晶體管做成的直流放大器信號(hào)放大后供給后級(jí)的脈沖觸發(fā)器，脈沖觸發(fā)器就會(huì)輸出移相范圍的大小與直流放大器的輸出電壓大小成正比的移相脈沖，然后由該觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管整流器，晶閘管導(dǎo)通角的大小與觸發(fā)脈沖的移相范圍大小成正比，所以我們可以知道可控硅整流器的輸出電流值與信號(hào)電位差大小成正比。若恒電位儀工作的外界環(huán)境條件發(fā)生變化，或者是電源的電壓出現(xiàn)了波動(dòng)，使得參比電極測(cè)出的被保護(hù)金屬體的電位發(fā)生正向移動(dòng)，那么由前分析可知直流放大器的輸出也將會(huì)隨著增大，脈沖觸發(fā)器的移相角也會(huì)隨之增大， 輸出電壓隨之變大，進(jìn)而流到被保護(hù)金屬體上的電流也會(huì)增大

30、，使其體電位負(fù)向移動(dòng)，直至與給定電位值相等，反之亦如此，在此不再贅述8。根據(jù)前文的描述我們可以知道，恒電位儀是目前國(guó)內(nèi)使用比較廣泛的陰極保護(hù)電源，這種電源采用的是傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)，也就是以可控硅（即晶閘管）作為功率開關(guān)器件的整流技術(shù)，這種技術(shù)經(jīng)過多年的研究發(fā)展，應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是也仍具有許多缺點(diǎn)：（1）晶閘管是電流型器件，相比之下其開關(guān)速度較慢，所以限制了變壓器的工作頻率的提高，這樣的話恒電位儀的體積做得十分龐大笨重，占用空間7，也耗費(fèi)了的金屬，不利于降低成本；（2） 電網(wǎng)電壓的波動(dòng)會(huì)使工作電壓發(fā)生變化，從而影響輸出的穩(wěn)定性；（3） 效率比較低，不利于節(jié)能；（4） 低壓大電流輸出的工作條

31、件下，有很大的紋波和嚴(yán)重的諧波污染，對(duì)5理工大學(xué)電網(wǎng)側(cè)的干擾比較大；（5） 系統(tǒng)的抗外界干擾的能力比較差，這樣一來就容易使功率管誤導(dǎo)通；（6） 工作時(shí)的噪聲污染嚴(yán)重。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，許多具有更加優(yōu)良性能的功率器件和更先進(jìn)的的方法相繼涌現(xiàn)，與此同已經(jīng)出現(xiàn)了的電路拓?fù)?、更加精確理論以及更加完善的電路分析方法，所有的這些都為研制出靜動(dòng)態(tài)性能更好、重量更輕、體積更小、效率更高、更加智能化的新型金屬防腐電提供了更為有利的客觀條件9。與傳統(tǒng)的恒電位儀相比，新型的金屬防腐電源應(yīng)該具備以下的一些優(yōu)點(diǎn)：（1） 高開關(guān)頻率，小型化、輕量化；（2） 高效率和高功率因數(shù)；（3） 穩(wěn)定精度高；（4） 噪聲污

32、染小；（5） 模塊化工作，冗余度高，方便進(jìn)行維護(hù)；（6） 自動(dòng)化程度高，高度智能化?；谝陨系姆治觯覀兛梢灶A(yù)見用具有更加良能的現(xiàn)代電力電子器件（如 MOSFET、開關(guān)電源取代）取代以可控硅為的傳統(tǒng)電力電子器件，用高頻化的方式的傳統(tǒng)電源，用更智能化的方式和技術(shù)取代落后的方式和人工，具有這些優(yōu)點(diǎn)的智能化電源是現(xiàn)代防腐電發(fā)展的必然趨勢(shì)1。1.4 開關(guān)變換器的發(fā)展方向開關(guān)電源的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)的發(fā)展，而電力電子技術(shù)的發(fā)展又反過來促進(jìn)了開關(guān)電源的進(jìn)步，二者是密切相關(guān)的。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高以及電力電子理論研究的深入，性能良好的電力電子器件不斷涌現(xiàn)。在現(xiàn)關(guān)電源技術(shù)中，普遍使用 MOSFET 作

33、為功率開關(guān)器件，這得益于 MOSFET較之其他功率器件具有良好的性能。作為電壓型器件的 MOSFET，其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率較之功率晶體管要小很多，且開關(guān)頻率可以做得很高。隨著相關(guān)學(xué)科技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)（1）高頻化關(guān)電源技術(shù)正朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：早期的開關(guān)電源普遍使用功率晶體管作為開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)6理工大學(xué)頻率也較低。從變壓器相關(guān)理論可知，工作頻率越低則變壓器體積越大，故早期的開關(guān)電源體積都做得很大。而現(xiàn)關(guān)電源中廣泛使用電壓驅(qū)動(dòng)型器件MOSFET 作為功率器件，開關(guān)頻率高，可以達(dá)到上百甚至數(shù)百 KHz，從而使電源體積不斷減小，功率密度越來越高1011。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，

34、不斷涌現(xiàn)的新型功率器件將會(huì)為開關(guān)電源的高頻化提供強(qiáng)大新動(dòng)力。（2）數(shù)字化傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用模擬方式，一般使用許多分立元器件搭建而成，其響應(yīng)速度、精度等都由電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件本身的參數(shù)決定，如果我們想要將開關(guān)電源的性能進(jìn)一步提高，那就只能在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上面做文章或者使用性能更好的元器件，但這會(huì)對(duì)電源的研發(fā)帶來諸多不便。此外，模擬信號(hào)在傳輸過程中還會(huì)出現(xiàn)波形失真、畸變以及受到電磁干擾等影響，這些都不利于提高開關(guān)電源的性能12。隨著數(shù)字電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)半導(dǎo)體公司相繼推出的數(shù)字器的精度不斷提高，運(yùn)算速度也越來越快，能夠滿足開關(guān)變換器應(yīng)用設(shè)計(jì)的需求。開關(guān)電源采用數(shù)字很多復(fù)雜的先進(jìn)技術(shù)好處很多

35、，不僅設(shè)計(jì)靈活，便于修改，而且能夠?qū)⑺惴☉?yīng)用到其中，可移植性強(qiáng)，能大大提高開關(guān)電源的性能。所以，開關(guān)電源數(shù)字化有著非常廣闊的前景1113。（3） 高效率傳統(tǒng)的開關(guān)電源在硬開關(guān)條件下工作，此時(shí)開關(guān)管的開關(guān)損耗嚴(yán)重，且隨著開關(guān)頻率的提高開關(guān)損耗將顯著增大，二極管的反向恢復(fù)問題也將變得更加嚴(yán)重，這些因素降低了電源的效率，且限制了變換器的高頻化、小型化發(fā)展， 也難以進(jìn)一步提高其功率密度14。然而相比之下，軟開關(guān)方式的變換器的開關(guān)管在零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS）模式下工作，能夠大大降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，從而提高電源的整機(jī)效率和工作頻率，這樣也更符合節(jié)能環(huán)保的要求。（4） 模塊化如果開關(guān)

36、電源采用模塊化設(shè)計(jì)的話，一方面可以實(shí)現(xiàn)分布式電，另一方面也可以輕松進(jìn)行并聯(lián)擴(kuò)容以靈活改變輸出功率。而且模塊化電源的冗余度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)起來也更為簡(jiǎn)便。目前已經(jīng)有很多商品化的模塊電源面市。1.5 本課題研究?jī)?nèi)容7理工大學(xué)本文結(jié)合應(yīng)用背景，陰極保護(hù)電源的應(yīng)用特點(diǎn)，采用帶倍流整流的移相零電壓開關(guān)（ZVS）變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái) 500W（50V/10A）的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，器為 Microchip 公司的數(shù)字處理器 dsPIC33FJ16GS504，系統(tǒng)開關(guān)頻率為 100kHz。本文具體所做的工作如下：（1）研究了倍流整流移相ZVS 變換器的工，詳細(xì)分析了電路在各個(gè)模態(tài)的工作情況，并對(duì)超前橋

37、臂開關(guān)（ZVS）的差異進(jìn)行了分析比較；滯后橋臂開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（2）運(yùn)用狀態(tài)空間平均法建立了倍流整流移相ZVS 變換器的號(hào)模型，并用軟件得到對(duì)象的；（3）對(duì)倍流整流移相ZVS 變換器的硬件電路參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括主功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電源的設(shè)計(jì)，并用軟件 PSPICE 對(duì)主功率電路進(jìn)行了；（4）運(yùn)用開關(guān)變換器零極點(diǎn)補(bǔ)償理論設(shè)計(jì)了環(huán)路補(bǔ)償器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了數(shù)字系統(tǒng)；（5）制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證分析思路和設(shè)計(jì)方法是否正確。8理工大學(xué)第 2 章 陰極保護(hù)電源開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)與原理分析緒論部分已對(duì)陰極保護(hù)電源的工作了一個(gè)簡(jiǎn)單的，并闡述了開關(guān) 電 源 的

38、發(fā) 展 方 向 。 本 章 將 結(jié) 合 陰 極 保 護(hù) 電 源 的 特 點(diǎn) ， 重 點(diǎn) 對(duì)倍流整流移相ZVS變換器的基本拓?fù)浜凸みM(jìn)行詳細(xì)的。2.1 陰極保護(hù)電結(jié)構(gòu)油氣輸送管道大多處于沙漠等人跡罕至的地方，這些地區(qū)電網(wǎng)無法覆蓋，而使用遠(yuǎn)距離輸電的成本又太高，這些決定了陰極保護(hù)電的應(yīng)用環(huán)境條件。為了給這些孤立的陰極保護(hù)電供電，以太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)非常好的選擇。同時(shí)，在這些環(huán)境下工作的系統(tǒng)最好實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)，這樣維護(hù)起來就相對(duì)容易。因此，我們要求陰極保護(hù)電源系統(tǒng)具有高效率和高功率密度的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的以恒電位儀為顯然不能滿足這些要求，所以研究新型的陰極保護(hù)電必要。的陰極保護(hù)電就

39、顯得尤為一種新型的陰極保護(hù)電結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，整個(gè)系統(tǒng)由光伏或者風(fēng)能供電（或者由其他的交流電經(jīng)整流得到所需的直流電），由于每個(gè)陰極保護(hù)電源系統(tǒng)功率有限，它所能保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)大小是一定的，故需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情決定所需的陰極保護(hù)電的數(shù)量（圖中畫出了 2 個(gè)完全一樣的陰極保護(hù)電）。由圖可知，陰極保護(hù)電由外加的開關(guān)變換器、電位檢測(cè)和器、輔助陽(yáng)極和參比電極等組成。開關(guān)變換器是陰極保護(hù)電中一個(gè)十分關(guān)鍵的組成部分，它的主要作用是為被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)提供陰極極化電流， 其性能的好壞將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。實(shí)際應(yīng)用時(shí)將開關(guān)變換器的負(fù)極 與被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)相連接，正極與輔助陽(yáng)極相連接，然后再放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)

40、效參比電極。陰極保護(hù)電流由開關(guān)變換器的正極流出，依次流經(jīng)輔助陽(yáng)極、土 壤電解質(zhì)和被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)后流回開關(guān)變換器的負(fù)極，如此形成一個(gè)完整的閉 合回路，這樣一來被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)就作為陰極，表面不發(fā)生金屬離子的氧化反 應(yīng)而只發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)而抑制了腐蝕過程。參比電極用來與開關(guān)變換器配合，檢測(cè)被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位，通過調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的輸出電壓來確保被保9理工大學(xué)護(hù)金屬結(jié)構(gòu)得到充分的保護(hù)。陰極保護(hù)的電化學(xué)原理已在第述，在此不再贅述。1章有過詳細(xì)的闡圖 2-1 陰極保護(hù)電結(jié)構(gòu)2.2 開關(guān)變換器基本拓?fù)渑c工分析由圖 2-1 可知，開關(guān)變換器是陰極保護(hù)電中的重要組成部分，是本文研 究 的 重 點(diǎn) 。 本 設(shè)

41、 計(jì) 中 的 開 關(guān) 變 換 器 將 采 用 副 邊 帶 倍 流 整 流 的移相ZVS變換器，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。圖中4 是超前橋臂和滯后橋臂的四個(gè)功率開關(guān)管，而 D1 : D4 和C1 : C4 則分別是相對(duì)應(yīng)開關(guān)管的體二極結(jié)電容（也可以是外加的二極電容），Llk 是變壓器繞組的漏感，Cb 為串接在繞組的阻斷電容， DR1 和 DR 2 是副邊的輸出整流二極管， C f 是10理工大學(xué)輸出濾波電容，Lf 1 和 Lf 2 是輸出倍流整流電路的兩個(gè)輸出濾波電感，RLd 表示負(fù)載。為了開關(guān)管的軟開關(guān)能夠更容易實(shí)現(xiàn)，將移制方式應(yīng)用于該變換器，每個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通（實(shí)際電路

42、為防止同一橋臂的開關(guān)管直通會(huì)留有一定死區(qū)），超前橋臂和滯后橋臂相對(duì)應(yīng)的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖之間相差一個(gè)，稱之為移相角，我們通過調(diào)節(jié)這個(gè)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，這就是移制方式與傳統(tǒng)的 PWM方式調(diào)節(jié)占空比大小的不同之處所在15。其中，Q 超前于對(duì)管Q ，Q 超前于對(duì)管Q ，故超前橋臂由Q 和Q 組成，1滯后橋臂由Q2 和Q4 組成。43213L f 1Q1Q2C 2C 1DDLlkDR1i s12VAiDR1OVini pCbBiDR2DTR2rQ 3Q4Lf 2C 4C 3D3D4圖 2-2 倍流整流移相ZVS變換器基本拓?fù)浔读髡饕葡郱VS變換器的工作波形如圖 2-3 所示。在開始具體

43、分析電之前，我們首先作出如下的假設(shè)16：二極管都看作是理想的元器件；路在各個(gè)開關(guān)模態(tài)的詳細(xì)工（1）所有的功率開關(guān)（2）所有的變壓器、電感器和電容都看作是理想的元器件；（3） C1C3Clead , C2 Lf ;C4Clag ;（4） Lf 1Lf 2（5）輸出濾波電容Cf 視為無窮大，因此可以將輸出電壓VO 看成一個(gè)恒壓源。在一個(gè)周期中倍流整流移相ZVS變換器一共有 12 種開關(guān)模態(tài)，現(xiàn)將變換器在前半周期內(nèi)各模態(tài)的工作情況仔細(xì)分析如下， 相對(duì)應(yīng)的各開關(guān)模態(tài)等效電路如圖2-4 所示。因?yàn)樽儞Q器在后半個(gè)周期的工作情況與前半個(gè)周期大致相同，我們?cè)诖司筒辉僭敿?xì)展開討論。11C fRLd理工大學(xué)Q1Q

44、1Q 3tQ4Q2Q4tvAB0VintVini p0tvCb0tI Lf maxiLf 1iLf 1 + iLf 2iLf 2t0I Lf miniDR2iDR 1t0t 0t 1t 2 t 3t 4 t 5t 6t 7 t 8 t 9t10 t11 t12t13圖 2-3 倍流整流移相ZVS變換器的工作波形（1）開關(guān)模態(tài) 0： t1 時(shí)刻之前模態(tài)等效電路如圖2-4（a）所示。由圖可知，在t1 時(shí)刻之前，開關(guān)管Q1 和Q4是導(dǎo)通的，此時(shí)兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)之間的電壓VAB 等于輸入直流母線電壓Vin ，流ip 流經(jīng)開關(guān)管Q1 、變壓器Tr繞組、阻斷電容Cb 和開關(guān)管Q4 ，由同名端可知變壓器副壓為

45、正，輸出整流二極管 DR 2 導(dǎo)通， DR1 截止，能量通過12理工大學(xué)濾波電感 Lf 1 、濾波電容Cf 和整流二極管 DR 2 供給負(fù)載。濾波電感 Lf 1 兩端的正電壓使流過其中的電流iLf 1 不斷增大，而濾波電感 Lf 2 兩端的負(fù)電壓使流過其中的電流iLf 2 不斷減小。流經(jīng)兩個(gè)輸出濾波電感的電流iLf 1 、iLf 2 和繞組電流ip 的表分別為Vin KVO(tt )I+i(t)(2-1)Lf 1100LfVOi(t)I(tt )(2-2)Lf 2200Lfip (t)is (t) KiLf 1 (t) K(2-3)其中，K 是變壓器副邊的匝比，KNP NS ，I10 和 I2

46、0 分別是輸出濾波電感 Lf 1 和 Lf 2 在t0 時(shí)刻的電流大小。（2）開關(guān)模態(tài) 1： t1,t2 模態(tài)等效電路如圖2-4（b）所示。由圖可知，在t1 時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)管Q1 ，則原流ip 給Q1 的結(jié)電容C1 充電，同時(shí)給Q3 的結(jié)電容C3 放電，由于結(jié)電容C1 和C3的，Q1 漏極和源極之間的電壓VDS 的上升率受到限制，因此Q1 可近似看作是流ip 對(duì)阻斷電容Cb 進(jìn)行充電，導(dǎo)致Cb 兩端電壓vCb零電壓關(guān)斷。與此同時(shí)慢慢上升。在這個(gè)時(shí)間段里，流ipiLf 1K ，由于輸出濾波電感 Lf 1 比較大，那么其電流iLf 1 基本上會(huì)保持不變，故可認(rèn)為ip 也保持不變，可看作是一個(gè)近似的恒

47、流源，這樣的話C1 兩端電壓將會(huì)線性增大，C3 兩端電壓將會(huì)線性減小，其表分別為I p (t1 ) (tv (t)t )(2-4)C112CleadI p (t1 ) (tv (t)Vt )(2-5)C 3in12Clead在t2 時(shí)刻，功率開關(guān)管Q3 的結(jié)電容C3 兩端的電壓已經(jīng)下降到零，此時(shí)其內(nèi)部寄生二極管 D3 將會(huì)自然導(dǎo)通，從而使開關(guān)模態(tài) 1 結(jié)束。該模態(tài)持續(xù)時(shí)間表達(dá)式為13理工大學(xué)2CleadVint(2-6)12I (t )p 1（3）開關(guān)模態(tài) 2： t2 , t3 模態(tài)等效電路如圖2-4（ c ）所示。由圖可知， D3 自然導(dǎo)通以后，開關(guān)管Q3 可以零電壓開通，因此為了使Q3 可

48、靠地零電壓開通，超前橋臂開關(guān)管Q1 和Q3 的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間td (lead ) 應(yīng)該大于t12 。雖然在這個(gè)時(shí)候開通了Q3 ，但是其實(shí)并沒有電流流過它，仍由 D3 繼續(xù)流通ip 。在這個(gè)開關(guān)模態(tài)中，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)電壓vAB0 ，阻斷電容Cb 的電壓使流ip 減小，同樣地，副流is也會(huì)相應(yīng)地減小，并且會(huì)使 DR1 開始導(dǎo)通。此時(shí)由于 DR1 和 DR 2 兩變壓器的次級(jí)側(cè)電壓將會(huì)被箝位在零電位，所以根據(jù)變壓器的通了，關(guān)系此時(shí)初級(jí)側(cè)電壓也為零，這樣一來變壓器繞組漏感 Llk 將承擔(dān)阻斷電容Cb 兩端的電壓，阻斷電容和漏感之間產(chǎn)生諧振17。在這個(gè)時(shí)間段里，兩個(gè)輸出濾波電感兩端的電壓均為

49、 VO ，在這個(gè)負(fù)電壓的作用下其電流均要線性下降，并且 Lf 2的電流iLf 2 將從正值變?yōu)樨?fù)值。在t3 時(shí)刻， isiLf 2 ，那么就有iDR 20 ，輸出整流二極管 DR 2 將自然關(guān)斷，而此時(shí)iDR1iLf 1 + iLf 2 ， DR1 會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，從而完成了兩個(gè)整流二極管的換流。在這個(gè)時(shí)間段里兩個(gè)輸出濾波電感的電流、流以及阻斷電容兩端的電壓表分別為VOi(t)I(t )(tt )(2-7)Lf 1Lf 1 22LfVOi(t)I(t )(tt )(2-8)Lf 2Lf 2 22Lfi (t)VCb (t2 ) sin w(t) cosw(t) + I (ttt )(2-9)wLp2p 22lkvCb (t)wLlk I p (t2 ) sin w(tt2 ) + VCb (t2 ) cosw(tt2 )(2-10)式中， w1Llk Cb 。（4）模態(tài) 3： t3, t4 模態(tài)等效電路如圖2-4（d）所示。由圖可知，在這個(gè)時(shí)間段里，開關(guān)管Q3 的寄生體二極管 D3 和開關(guān)管Q4 繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)兩個(gè)橋臂中點(diǎn)電壓vAB0 。副流二極管 DR 2 關(guān)閉而