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基本DC/DC变换器的组合拓扑及控制方法研究

罗全明  
【摘要】: 随着技术的不断进步,对DC/DC变换器的性能要求越来越高,如何提高是电力电子领域研究的热点之一。本论文以提高变换器功率处理能力、动态负载性能以及抗输入电压扰动能力为主要目标,在基本DC/DC变换器的组合拓扑及控制方法方面做了一些基础性、探索性研究,所作主要工作如下: 首先提出了交错串联DC/DC变换器,以交错串联BUCK变换器为例分析了其工作原理及性能特点,结果表明:交错串联DC/DC变换器具有开关器件电压应力低、动态负载性能好等优点,适用于电压较高的场合。 为完善基本双频变换理论,首先根据拓扑等效变换,在基本双频BUCK、BOOST、BUCK-BOOST变换拓扑的基础上,推导出了系列基本双频变换拓扑。研究了基本双频变换器和改进双频变换器的工作模式,提出了改进双频变换器工作模式的判定方法。通过对改进双频变换器性能的详细分析,提出了低频电感的选取原则,还特别分析了低频电感电流次谐波振荡问题,并提出了抑制措施。 为优化双频变换拓扑,提出了复合双频变换器,其高频单元为三电平,低频单元为两电平。与三电平BUCK变换器相比,复合双频BUCK变换器具有更高的效率,与改进双频BUCK变换器相比,复合双频BUCK变换器具有高频开关电压应力低,输出滤波电感电容小,动态负载性能好等优点。 为提高变换器的动态负载性能和抗输入电压扰动能力,提出了两种电压-单周控制方法,即V2-OCC控制和OVDC-OCC控制。分析了它们的控制原理,建立了小信号模型,进行了频域仿真分析及实验验证,结果表明:采用V2-OCC控制比PID-OCC控制能获得更优的动态负载性能,但抗输入电压扰动能力稍差,而采用OVDC-OCC控制与PID-OCC控制一样可获得最优的抗输入电压扰动能力,而且动态负载性能也得到了提高。 为便于实现过流保护及均流控制,提出了一类电流-单周控制方法,即C+-OCC控制、C-OCC控制、C--OCC控制,建立了小信号模型,进行了频域对比仿真分析和实验验证。结果表明:采用C+-OCC与C-OCC控制性能接近,但采用C+-OCC控制能获得更优的动态负载性能。当输入电压增加或负载减轻时,采用C--OCC控制会使输出电压会减小,这与常规控制方法明显不同。综合起来看,C+-OCC控制具有更优的性能。在此基础上,把电流-单周控制方法成功用于改进双频BUCK变换器,达到了预期效果。 此外,还提出了一种新的零电压转移辅助网络,分析了基于该辅助网络的BOOST变换器的工作原理及性能特点,结果表明,在整个输入电压和负载变化范围,所有开关器件都近似实现了软开关,而且循环能量小,减小了导通损耗,变换器效率得到了提高。最后将其成功用于单相无整流桥BOOST功率因数正,进行了实验验证。


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