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DC-DC变流器的柔性变拓扑研究

作　者: 陈威
导　师: 吕征宇
学　校: 浙江大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 电力电子系统集成柔性变拓扑软开关拓扑同构拓扑对偶
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

致谢  7-9
摘要  9-11
Abstract  11-14
目次  14-19
第1章绪论  19-36
  1.1 引言  19-22
  1.2 系统集成DC-DC标准电源模块拓扑的普适化研究途径  22-27
    1.2.1 实用化软开关技术  22-24
    1.2.2 拓扑的宽输入电压范围适应性技术  24-27
  1.3 变拓扑柔性变流器的基本概念及研究现状  27-32
    1.3.1 变拓扑柔性变流器的基本概念和原理  27-28
    1.3.2 变拓扑柔性变流器技术的分类  28-30
    1.3.3 变拓扑柔性变流器的研究现状  30-32
  1.4 选题的背景和本文完成的主要工作  32-36
    1.4.1 本文的选题背景和意义  32-33
    1.4.2 本文完成的主要工作  33-36
第2章变拓扑柔性变流器标准电源模块的功能同构拓扑软开关优化  36-90
  2.1 中小功率功能同构宽范围输入ZVS软开关PWM单端DC-DC拓扑族  38-58
    2.1.1 功能同构ZVS软开关双管正激拓扑族  39-46
      2.1.1.1 代表拓扑(RROI)的主要工作原理和电路分析  41-43
      2.1.1.2 实验结果和波形  43-45
      2.1.1.3 功能同构ZVS软开关双管正激拓扑族的比较  45-46
    2.1.2 功能同构ZVS软开关双管正反激拓扑族  46-52
      2.1.2.1 代表拓扑(ACOI)的主要工作原理和电路分析  47-50
      2.1.2.2 实验结果和波形  50-51
      2.1.2.3 功能同构ZVS软开关双管正反激拓扑族的比较  51-52
    2.1.3 功能同构ZVS软开关双管反激拓扑族  52-58
      2.1.3.1 代表拓扑(ACOI)的主要工作原理和电路分析  53-56
      2.1.3.2 实验结果和波形  56-57
      2.1.3.3 功能同构ZVS软开关双管反激拓扑族的比较  57-58
  2.2 中大功率功能同构宽范围输入ZVS+ZCS软开关双端谐振DC-DC拓扑族  58-88
    2.2.1 功能同构第四类LLC串联谐振变流器拓扑族的提出和优化  59-69
      2.2.1.1 功能同构的第四类LLC串联谐振变流器拓扑族  60-65
      2.2.1.2 多相交错并联第四类LLC谐振变流器的新颖控制策略  65-69
    2.2.2 功能同构谐振元件分置LC+L并联谐振变流器拓扑族的提出和优化  69-87
      2.2.2.1 谐振元件分置LC+L并联谐振变流器及其功能同构拓扑族  69-84
      2.2.2.2 适合于谐振元件分置LC+L并联谐振变流器的同步整流驱动控制策略  84-87
    2.2.3 中大功率功能同构ZVS+ZCS串联谐振电路和并联谐振电路比较  87-88
  2.3 本章小结  88-90
第3章狭义变拓扑变流器的典型应用:双向DC-DC变流器  90-128
  3.1 软开关双向DC-DC变流器的实际应用难点  92-93
  3.2 整流二极管零电流关断的定义及判别方式  93-95
  3.3 整流二极管零电流关断的实用方式及主要特征  95-99
    3.3.1 PWM电路中的DCM型di/dt  95-96
    3.3.2 调频(Fequency Modulated,FM)电路中的谐振型di/dt  96-98
    3.3.3 实用ZCS实现方式的主要特征  98-99
  3.4 实用整流二极管零电流关断技术的应用实例分析  99-104
    3.4.1 DCM型di/dt方式的应用实例  99-100
    3.4.2 谐振型di/dt方式的应用实例  100-104
  3.5 开关损耗最小化的谐振型双向DC-DC变流拓扑族  104-122
    3.5.1 开关损耗最小化的双向DC-DC谐振网络拓扑族的提出  104-109
    3.5.2 新颖的开关损耗最小化的谐振型双向DC-DC变流器电路构成及工作方式  109-114
    3.5.3 电路设计和参数计算  114-122
      3.5.3.1 电路特性分析  114-117
      3.5.3.2 电路关键参数设计步骤  117-120
      3.5.3.3 样机实验结果  120-122
  3.6 "双软"的双向DC-DC变流器和变拓扑柔性变流器研究之间的联系  122-126
    3.6.1 整合拓扑寻求  123-124
    3.6.2 工作模式的切换与兼容  124-126
      3.6.2.1 平滑调制型  124-125
      3.6.2.2 非平滑调制型  125-126
  3.7 本章小结  126-128
第4章狭义变拓扑柔性变流器的构成理论  128-159
  4.1 狭义变拓扑变流器的主要性质和特点  128-130
  4.2 狭义变拓扑变流器构成方法论  130-141
    4.2.1 狭义变拓扑柔性变流器的子电路拓扑寻求  130-135
    4.2.2 狭义变拓扑变流器子电路间的切换实现电路  135-138
    4.2.3 狭义变拓扑变流器子电路间的切换控制策略  138-139
    4.2.4 狭义变拓扑变流器子电路兼容方法设计  139-141
      4.2.4.1 小信号的兼容  140
      4.2.4.2 磁元件的兼容  140-141
  4.3 具体实施案例和样机实验结果  141-157
    4.3.1 实施例一:适用于200V～800V超宽输入电压范围的狭义变拓扑变流器  142-149
      4.3.1.1 实例一的拓扑构成原则  144-145
      4.3.1.2 实例一的子电路间切换方式  145-146
      4.3.1.3 实例一样机实验结果  146-149
    4.3.2 实施例二:200V～400V宽输入电压范围效率最优化的狭义变拓扑变流器  149-157
      4.3.2.1 实例二的拓扑构成原则  151-152
      4.3.2.2 实例二的子电路间切换方式  152-154
      4.3.2.3 实例二样机实验结果  154-157
  4.4 本章小结  157-159
第5章广义变拓扑柔性变流器的构成范式和趋势  159-206
  5.1 广义变拓扑柔性变流器的主要性质和特点  160-162
  5.2 广义变拓扑柔性变流器的构成范式和趋势  162-166
    5.2.1 微功率、小功率等级变流器的集成化与多功能化  162-163
    5.2.2 中大功率等级变流器的整体系统级性能最优化  163-164
    5.2.3 控制方式的数字化和智能化  164-166
      5.2.3.1 控制电路的设计简化和空间集成化  164-165
      5.2.3.2 变流器整体性能提高  165-166
  5.3 广义变拓扑柔性变流器构成范式的案例佐证和个案研究  166-179
    5.3.1 微、小功率等级变流器的集成化与多功能化构成范式案例研究  166-173
      5.3.1.1 案例:集成入输入源  167-171
      5.3.1.2 案例:集成入输出端  171-173
    5.3.2 中大功率等级变流器的整体系统级性能最优化构成范式案例研究  173-176
      5.3.2.1 案例:拓扑切换交替工作方式  173-174
      5.3.2.2 案例:附加功能同构电路或电路模块  174-175
      5.2.2.3 案例:变流器控制方式改变  175-176
    5.3.3 控制方式的数字化和智能化的构成范式案例研究  176-179
      5.3.3.1 案例:控制电路的设计简化和空间集成化  176-177
      5.3.3.2 案例:变流器整体性能提高  177-179
  5.4 广义变拓扑变流器构造范式理论指导下的实施例  179-203
    5.4.1 具有100V～400V宽输入范围的最简拓扑LLC+C谐振型变拓扑变流器  179-199
      5.4.1.1 LLC+C变拓扑变流器的电路构成和主要工作原理  180-184
      5.4.1.2 电路设计和参数计算  184-194
      5.4.1.3 实验数据和结果  194-199
    5.4.2 新型用于同步整流的具有时变电容的缓冲网络  199-203
      5.4.2.1 时变电容的缓冲吸收网络电路构造和工作原理  201-202
      5.4.2.2 实验数据和结果  202-203
      5.4.2.3 具有时变电阻、时变电容及两者之组合的缓冲吸收网络拓扑族  203
  5.5 本章小结  203-206
第6章结论和展望  206-212
  6.1 结论  206-209
  6.2 工作展望  209-212
附录  212-221
参考文献  221-234
攻读博士学位期间成果附录  234-237
攻读博士学位期间申请的专利  237
攻读博士学位期间主要承担的科研项目  237

DC-DC变流器的柔性变拓扑研究

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