高精度半导体制冷大功率程控电源关键技术研究--《哈尔滨工业大学》2015年硕士论文
高精度半导体制冷大功率程控电源关键技术研究
【摘要】：现代超精密仪器装备需要高精度恒温循环冷却水来减少温度误差的影响,半导体制冷器可以为循环恒温冷却水系统提供优良的制冷性能。针对半导体制冷器驱动过程中大功率、大电流与系统中可编程控制的需求,开关电源是最佳选择。然而开关电源的开关工作原理使其输出耦合大量的噪声与谐波,将会影响半导体制冷功率控制精度,进而影响循环冷却水的温控精度。因此,针对半导体制冷的应用背景,对开关电源中的关键技术进行研究并改善开关电源输出性能十分必要。根据以上应用背景与问题,本文对开关电源进行原理分析,具体研究改良开关电源输出特性的关键技术,并完成了开关电源样机的整体设计与研制,进行了相关性能测试。本文主要内容如下:首先,针对半导体制冷用大功率开关电源的设计要求,对电源的电路结构、材料器件、工作方式等各个方面进行了调查和综述。经过对比分析后,确定了基于全桥变换器的开关电源基本架构;其次,从半导体制冷器的工作特性出发,结合高精度循环冷却水系统的实际使用需求,核算开关电源的设计指标,并完成基于全桥变换器架构的功率开关驱动脉冲调制方式、驱动电路结构、输出整流电路拓扑、电路稳压环路反馈控制方式等关键模块的选择设计,形成完整的开关电源电路原理方案;再次,结合开关电源的工作过程,探究知输出纹波的主要来源为功率开关驱动电路、功率开关工作过程与整流二极管的关断过程等工作电路开关过程中形成的振荡,继而分析振荡形成的电路机理,运用谐振分析方法,计算得到核心元器件的关键参数,并使用标准仿真软件进行仿真,经分析验证设计结果正确、参数合理;对开关电源高频变压器的磁芯结构参数选择方法进行理论分析,推导建立高频变压器磁芯选择公式,设计了低漏感的变压器,满足课题参数与功能需要;同时确定了电源输出端所需要的输出滤波结构及其核心参数,以满足课题需求;然后,根据控制理论,从电源稳压系统中提取出控制环路;运用开关电源环路控制的小信号模型,计算出各个模块传递函数并最终导出整体控制回路的传递函数;根据频域分析方法,对电源稳压控制系统进行了开环传递函数的特性分析与三极点-双零点补偿网络的设计,良好的补偿了输出滤波器中大容量电感与电容双极点,增强了系统的稳定性。为进一步提高系统的安全性与稳定性,为电源系统增加缓启动电路与两级过流保护电路,并设计完成了基于单片机的检测电路与数控系统等辅助工作环节;最后,对开关电源中核心环节的关键技术参数进行仿真验证和实验测试,证明了使用谐振分析方法确定器件参数并进行波形整形对于输出性能具有明显的改善效果;在此基础上,组装工程样机,对开关电源的主要性能指标包括控制线性度、频率响应、纹波与噪声进行了测试。结果表明,本文所设计开关电源在11.290V输出下,经过参数设计与波形整形,纹波从190m V降至88m V,电压控制线性度达到0.44%,调节带宽为1.2k Hz,最终测试最大功率可以达到933W,说明了本文中对于开关电源设计中所涉及的关键技术研究的正确性与合理性,为进一步研究提供基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TN86【目录】：
摘要4-6Abstract6-11第1章 绪论11-26 1.1 课题背景及研究目的和意义11 1.2 国内外研究现状及分析11-24
1.2.1 大中等功率开关电源的常见拓扑12-15
1.2.2 功率开关驱动脉冲的调制方法15-16
1.2.3 开关电源稳压控制方式的发展16-19
1.2.4 功率半导体的的类型与发展现状19-22
1.2.5 磁性材料的发展22-23
1.2.6 开关电源的EMI与EMC23
1.2.7 新型大功率、大电流开关电源的发展23-24 1.3 课题主要研究内容24-26第2章 大功率程控电源总体方案设计26-36 2.1 引言26 2.2 大功率程控电源的设计要求26-28 2.3 程控电源的系统方案设计28-35
2.3.1 整体方案28-29
2.3.2 开关脉冲调制方式选择29
2.3.3 功率开关管驱动方式设计29-32
2.3.4 输出整流拓扑选择32-34
2.3.5 稳压控制方式选择34
2.3.6 电路原理框图34-35 2.4 本章小结35-36第3章 开关电源关键电路的分析与设计36-57 3.1 引言36 3.2 功率开关的性能分析36-40
3.2.1 功率MOS开关的结构特性分析36-38
3.2.2 COOLMOS功率开关的工作特征分析38-40 3.3 功率开关的辅助优化电路设计40-47
3.3.1 开关驱动电路选择与参数设计40-44
3.3.2 功率开关波形整形辅助电路设计44-47 3.4 输出整流RC吸收电路设计47-50
3.4.1 整流器吸收电路分析与设计48-49
3.4.2 设计结果仿真分析49-50 3.5 高频变压器设计50-53 3.6 输出滤波电路设计53-56
3.6.1 输出滤波电感的参数计算54-55
3.6.2 输出滤波电容的参数计算55-56 3.7 本章小结56-57第4章 程控电源的方案验证与关键模块优化57-70 4.1 引言57 4.2 开关电源系统性能分析与补偿网络设计57-65
4.2.1 开关电源系统性能分析58-63
4.2.2 补偿网络设计63-65 4.3 保护电路设计65-69
4.3.1 上电缓启动电路65-67
4.3.2 初级过流保护与次级过流保护67-69
4.3.3 监测电路设计69 4.4 本章小结69-70第5章 实验与分析70-83 5.1 引言70 5.2 关键电路的实验测试与分析70-75
5.2.1 功率开关栅极驱动电路测试70-72
5.2.2 功率开关RC吸收电路测试72-74
5.2.3 整流二极管RC吸收电路测试74-75 5.3 实验准备75-78
5.3.1 样机功能性电路模块测试75-76
5.3.2 样机组装与实验平台搭建76-78 5.4 电源系统控制线性度实验78-79 5.5 电源闭环控制频率响应实验79-80 5.6 电源输出纹波与噪声实验80 5.7 输出功率实验80-81 5.8 本章小结81-83结论83-85参考文献85-90致谢90-91
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京公网安备75号基于WiFi的混合室内轨迹追踪技术研究与实现--《上海交通大学》2015年硕士论文
基于WiFi的混合室内轨迹追踪技术研究与实现
【摘要】：近年来无线定位技术快速发展,具有GPS定位功能的智能手机已经十分普及,定位技术在人们生活中的各个方面也都开始扮演越来越重要的角色,各式各样的基于位置的服务(Location-based Service,LBS)纷纷出现,常见的服务包括查看地图、导航、消费推荐等。随着位置服务日益发展,越来越多的挑战也开始出现,其中一个最大的问题就是如何保证这些服务能够工作于室内环境下,由于室内建筑物对信号屏蔽阻隔等因素,GPS信号在室内环境下会受到严重的干扰,这就导致了基于GPS的室外定位系统无法在室内环境中满足精度要求,甚至无法正常工作。基于这种挑战,本文将对室内定位技术进行深入的研究分析,总结现有定位算法中基于专有设备、信号测距和信号指纹的应用场景和优缺点,并在这些基础上提出一种基于WiFi的混合室内轨迹追踪技术解决方案。这个方案首先借鉴众包的思想,将定点采集任务通过大量的普通用户来完成。在采集过程中,本方案提出了一种基于手机加速度周期性变化特点的计步方法,该算法通过匹配用户行走时加速度波形和计算最大周期的自相关性来识别用户运动状态。这种算法与现有的峰值、零点等算法精度一致,但是降低了对手机携带方式的要求。而在建立指纹图谱的过程中,本方案提出了一种基于匹配物理平面图和逻辑平面图中共同路径的关键节点识别方法,为分层定位算法的选择提供了依据。本方案还针对部分具有过道等特征的室内场景提出了一种基于指纹参考点的导航算法,这种算法通过本文提出的计步方法和指纹参考点进行移动方向判断,并通过序贯蒙特卡洛方法实现了对目标的连续定位。在降低对手机携带方式依赖的假设下,达到了与现有的利用方向传感器的定位技术相同的精度。本文首先介绍了室内定位及相关技术的研究背景和研究现状,提出本文的研究内容与创新之处。其次阐述了一些当前主流的室内定位算法,分析其各自的特点及不足,并以此提出了本文的研究思路,介绍了本文涉及的各项技术原理。然后本文基于手机的加速度传感器和WiFi信号接受器,提出了一系列设计思想,对定位过程中,离线数据采集、在线定位算法、校准等关键技术进行了深入研究。接着在此基础上实现了一个原型系统,并基于对真实场景的部署和实验,验证了本文方法的有效性。最后总结全文并对室内定位的后续研究和挑战进行展望。
【关键词】：
【学位授予单位】：上海交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TN92【目录】：
摘要3-5ABSTRACT5-9第一章 绪论9-13 1.1 研究背景9 1.2 研究现状与存在的问题9-10
1.2.1 国内外研究进展9-10
1.2.2 现有研究存在的问题10 1.3 研究内容与取得的成果10-12
1.3.1 研究目标10-11
1.3.2 研究内容与成果11
1.3.3 研究创新点11-12 1.4 论文框架12-13第二章 室内定位技术分析13-29 2.1 相关研究现状13-23
2.1.1 基于特殊设备的定位13-14
2.1.2 基于WiFi信号测距的定位14-17
2.1.3 基于WiFi信号指纹的定位17-23 2.2 研究存在的问题23-24 2.3 本文的技术路线24-25 2.4 相关理论介绍25-28
2.4.1 定位计算方法25-26
2.4.2 粒子滤波器26-28 2.5 本章小结28-29第三章 基于WiFi的室内轨迹追踪关键技术研究29-52 3.1 整体架构设计29-31 3.2 非现场勘探技术31-41
3.2.1 计步测量32-35
3.2.2 方向测量35-37
3.2.3 指纹图谱与关键节点37-41 3.3 基于信号强度的方向估计41-45 3.4 基于粒子滤波的航位推测45-51
3.4.1 连续蒙特卡洛定位45-46
3.4.2 基于信号强度的连续定位46-49
3.4.3 校准49-51 3.5 本章小结51-52第四章 基于WiFi的室内轨迹追踪的设计与实现52-67 4.1 应用场景与部署52-53
4.1.1 场景描述52
4.1.2 设备部署52-53 4.2 定位方案系统实现53-62
4.2.1 系统架构图53-55
4.2.2 数据采集层55-57
4.2.3 定位服务层57-58
4.2.4 定位算法层58-61
4.2.5 系统运行界面61-62 4.3 实验结果分析62-66
4.3.1 非现场勘探技术的方案验证62-63
4.3.2 基于指纹图谱的航位推测技术精度分析63-66 4.4 本章小结66-67第五章 总结与展望67-69 5.1 主要结论67 5.2 研究展望67-69参考文献69-72研究生阶段所参与的科研项目（附录）72-73致谢73-74攻读硕士学位期间已发表或录用的论文74-76
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