多电平Boost变换器拓扑结构及其控制策略研究

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。

目录

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中文摘要

英文摘要

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 含交错调制的多电平Boost变换器研究现状

1.3 不含交错调制的多电平Boost变换器研究现状

1.4 论文的主要研究内容

2 基于开关电容网络组的多输入多电平Boost变换器

2.1 开关电容网络

2.2 基于并联型开关电容网络组的双输入四电平Boost变换器

2.3 基于串联型开关电容网络组的双输入四电平Boost变换器

2.4 比较分析

2.5 实验研究

2.6 本章小结

3 含开关电容网络的ISOS多电平Boost变换器

3.1 含开关电容网络的ISOS多电平Boost变换器拓扑推导

3.2 ISOS五电平Boost变换器工作原理分析

3.3 性能分析

3.4 对比分析

3.5 三环控制策略

3.6 仿真分析

3.7 实验验证

3.8 本章小结

4 IPOS三电平Boost变换器

4.1 拓扑推导

4.2 工作原理分析

4.3 脉冲电流抑制方法

4.4 性能分析

4.5 对比分析

4.6 器件参数对中点电位的影响

4.7 双环控制策略

4.8 三环控制策略

4.9 仿真分析

4.10 实验研究

4.11 本章小结

5 IPOS三电平Boost变换器的拓展研究

5.1 IPOS四电平Boost变换器

5.2 IPOS多电平Boost变换器统一化拓扑结构及其控制策略

5.3 IPOS多输入多电平Boost变换器

5.4 综合分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者攻读博士学位期间的主要研究成果

B. 参与的课题研究