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DC-DC变流器的柔性变拓扑研究

陈威  
【摘要】: 电力电子标准电源模块的普适化和通用化,是继电力电子电源模块标准化后,电力电子系统集成工作的进一步深入发展。标准电源模块的普适化和通用化,可在电力电子系统集成标准电源模块成功实际推广应用,从而形成电力电子产业新的推动力这一过程中,起到举足轻重的作用。变拓扑柔性变流器技术是电力电子标准电源模块普适化和通用化的具体体现。本文围绕着“变拓扑柔性变流器”这一全新的概念,在具有功能同构性质的拓扑软开关优化、符合变拓扑含义的双向DC-DC变流器软开关优化、拓扑的同构和对偶理论、变拓扑柔性变流器的拓扑寻求、拓扑切换电路构造、拓扑切换策略、拓扑兼容方式,以及变拓扑柔性变流器的主要构成范式和应用等一系列方面上展开了广泛的研究,在电力电子标准电源模块的普适性方向上提出具有实践操作价值的完整思路和理论,这些思路和理论的总和,即构成了变拓扑柔性变流器理论的基本体系和研究框架,对提高标准电源模块的普适性和通用性具有指导性意义。 电力电子拓扑的基本研究始终是电力电子功率变换领域的主体。针对电力电子系统集成的前期拓扑优化研究中,优化拓扑的个异性强,拓扑优化方案通用性不足的情况,根据标准电源模块候选拓扑内部功能模块电路构造的异同提出了功能同构拓扑的概念,并按照中小功率和中大功率等级两种应用场合的分类提出了具有通用性意义的软开关方案,在此基础上还做了进一步的深入优化。这种按照功能同构形式对标准电源模块候选拓扑进行研究的方法,可根据电力电子拓扑内在电路功能模块的构成方式和具体实施方式,系统性地推举并派生出相互之间关系程度密切的一系列关联拓扑,形成了功能同构的拓扑族,扩展了变拓扑柔性变流器的子拓扑候选范围。同时对功能同构拓扑族中具体个例元素的研究,又有望在诸项期望的电气性能提高上取得新的突破,从而又可以形成一类新的电力电子功能同构拓扑族。研究结果表明,采用该功能同构的方式对电力电子拓扑进行研究,确实可提升拓扑优化方向的针对性、增加拓扑之间的相互关联性并提高新颖拓扑创新能力的有效性,从而证明了根据功能同构概念研究并优化电力电子拓扑的这一方式的正确性和可行性 研究了能量双向传递时开关管电气应力对等的双向DC-DC变流器,提出了完整的实用型电力电子拓扑整流二极管ZCS关断技术的判断理论和实现方法。根据导出的理论,构建了含有24种元素的具有输出整流二极管ZCS性质的三元件谐振拓扑族,并通过三元件谐振拓扑族中拓扑元素同构和对偶的推演和组合,又提出一族总计24种具有斩波开关管可ZVS开启、整流开关管可ZCS关断的开关损耗最小化的“双软”双向DC-DC拓扑,完全符合变拓扑变流器应用的概念。实验样机也验证了提出的拓扑在能量双向传递的两种工作模式下均能高效率工作,具有较高的功率密度和成本优势。双向DC-DC变流器,特别是“双软”的双向DC-DC变流器研究在变拓扑变流器的子拓扑寻求和子拓扑/工作模式切换方面具有重要的指导意义,同时也是现有的变拓扑变流器相关理论和技术从DC-DC变流器的范畴能成功拓展到有关交流变流器应用领域中去的关键。 在前期拓扑优化研究的基础上,探讨了狭义变拓扑变流器所应具备的3个主要性质,从全方位上对狭义变拓扑变流器在宽输入范围应用场合中的构成理论作了深入研究:提出狭义变拓扑变流器子拓扑电路之间必然有同构或对偶的关系,需要按照电力电子电路同构和对偶的原则来寻找适合于构成狭义变拓扑变流器的子拓扑电路;发现了子拓扑切换电路使用器件数目最简化的可能性一定存在,并提出了关于所需最少切换继电器个数的基于数学转换矩阵的推导算法;提出了一种具有通用性质的能量消耗式子电路切换策略,并绘制了相应的子电路模式切换逻辑状态机;对于小信号的兼容提出了数控法和反馈补偿法两种设计思路,对于磁元件的兼容提出了改变匝数和谐振选频两种设计思路。给出了两个狭义变拓扑变流器的具体实施例,在分别验证了变拓扑变流器所具有的3点性质的同时,还具体说明了如何根据狭义变拓扑变流器的构成理论积极构造高性能、低成本的变拓扑变流器,因而证明了狭义变拓扑变流器理论的正确性和其实用价值。 从广义变拓扑变流器的定义以及和狭义变拓扑变流器之间的区别出发,说明了广义变拓扑变流器允许其中的元器件可以不被完全复用、以及构成方式和切换方式均较为灵活的特点,并讨论了其具有的3个主要性质,系统性地归纳并总结了广义变拓扑变流器构成的3个主要大类范式(包括7种小类子范式)。通过对每一个子范式按照工业界的实际应用现状和学术界的科研成果的一对一案例研究表明,该广义变拓扑变流器构成范式的提出,能够反映电力电子行业在提高电源产品普适性应用和研究上的最新现状,可代表普适性电力电子产品的发展趋势,具有理论体系上的发展意义和实践领域上的指导意义。根据广义变拓扑变流器理论构建的实际样机不但完全证明了广义变拓扑变流器所具有的3个性质和构成理论的正确性,还说明了广义变拓扑变流器理论的应用广泛性和在实际中的应用价值。


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