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多电平Boost变换器拓扑结构及其控制策略研究

陈剑飞  
【摘要】:在风电、光伏、燃料电池等新能源发电领域中,多电平Boost变换器凭借电压增益高、器件应力小和纹波小等优势,越来越受到人们的关注。本文针对多输入源、输入电压高输出电压高和输入电压低输出电压高的应用场合,分别推演出三类多电平Boost变换器拓扑结构,并在此基础上研究各自的闭环控制策略。在现有的多输入源应用场合,由两电平Boost变换器输出串联构成的组合系统结构,存在升压能力不足的缺点。为此,本文提出有源开关电容网络和无源开关电容网络,并相继推出并联型开关电容网络组和串联型开关电容网络组。在此基础上,构建了基于并联型开关电容网络组的多输入多电平Boost变换器和基于串联型开关电容网络组的多输入多电平Boost变换器,其中前者通过电容电压自均衡功能实现所有电容电压的自均衡,并基于部分电容电压串联累加达到升压目的,后者中各个开关电容网络具有电容电压自均衡功能,并通过所有电容电压串联累加达到升压目的。二者的优缺点表现为:具有同时供电功能和分时供电功能;随着开关电容网络数量的增加,电压增益逐渐增大,各个器件的电压应力较小;由于没有采用交错调制方式,调制简单,但是输入电流纹波和开关管电流应力大。采用单电压闭环控制策略对所提拓扑结构进行了闭环实验研究,实验结果验证了所提电路拓扑的正确性与可行性。在输入电压高和输出电压高的应用场合,现有的输入串联输出串联(ISOS)多电平Boost变换器升压能力有限。为此,本文结合串联交错结构和无源开关电容网络,推演出一种含开关电容网络的ISOS多电平Boost变换器,并以含开关电容网络的ISOS五电平Boost变换器为例,对其进行了电路原理和工作性能分析。分析结果表明:串联交错结构的应用,使得输入电流纹波大大减小,纹波频率为开关频率的两倍;输出端呈现出五个电平,有利于将各个器件的电压应力减小为输出电压的四分之一。与ISOS五电平Boost变换器相比,含开关电容网络的ISOS五电平Boost变换器减少了一半的开关管数量,节约了器件成本和驱动电路设计成本;尽管增加了两个电容,但是电压增益增大一倍,而且由于无源开关电容网络的存在,使得中点电位平衡控制变得更加简单。研究了由电压外环、电流内环和均压环构成的三环控制策略,解决了由于器件参数不一致导致的中点电位不平衡问题。对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真和实验研究,验证了所提电路拓扑及其控制策略的正确性与可行性。在输入电压低和输出电压高的应用场合,现有的输入并联输出串联(IPOS)多电平Boost变换器的输出电容电压应力较大。结合并联交错结构和有源开关电容网络,本文推演出一种IPOS三电平Boost变换器,使得由非隔离型Boost变换器构成的IPOS多电平Boost变换器成为可能。从功率守恒的角度,分析了输入均流与输出均压之间的关系,指出在两个Boost模块器件参数相同的情况下,输入均流可保证输出均压。因此,在飞跨电容的作用下,使得输入均流,输出也均压。然而,在实际应用中两个Boost模块的器件参数不可能完全相同,可能会对中点电位平衡造成一定的影响。为此,详细分析了输出分裂电容容值、输入分裂电感感值、开关器件的导通压降和寄生电阻对中点电位的影响,分析结果表明前三种因素对中点电位的影响较小,可忽略不计,但是寄生电阻对中点电位的影响不可忽视。因此,在分别研究了双环控制策略I和双环控制策略II的基础上,分别研究了含均压环的三环控制策略I和三环控制策略II。另外,推演出IPOS多电平Boost变换器的统一化拓扑结构及其三环控制策略,进而推导出了IPOS多输入多电平Boost变换器的统一化拓扑结构及其控制策略。对所提拓扑结构及其控制策略进行了仿真与实验研究,验证了理论分析的正确性与可行性。


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