主从控制输入串联输出并联全桥直流变换器的研究

摘要

近些年来，直流电网受到国内外专家的关注，但是直流电网还面临着高压大功率DC-DC变换器技术方面的挑战。采用模块串并联型DC-DC变换器更有能力满足不同电压等级和功率的需求，具有良好的应用前景。为了克服“DC-DC变换器应用在输入电压高、输出电流的大场合稳定性差”这一难题，本文研究了输入串联输出并联型（Input-Series and Output-Parallel，缩写成ISOP）直流变换器系统，该系统的基本模块采用带变压器隔离的全桥型直流变换器。然而，设计ISOP直流变换系统的关键是如何实现模块间的输入均压和输出均流。 本文详细地分析了直流电网中ISOP系统输入均压和输出均流的重要性，并且推导了两者之间的关系，只要能够保证输入均压，就能实现输出均流。针对这一特性，提出了含有移相控制环节的主从控制方法：主控制电路控制输出电压的稳定，从控制电路实现模块间的输入均压和输出均流。主、从控制电路都包括两个部分：主控制电路第一部分为输出电压误差放大环节，采用输出电压反馈控制，第二部分为移相环节；从控制电路第一部分为输入电压偏差控制环节，以控制两个相邻模块间输入电压偏差到零为目标，第二部分为移相控制环节。本文着重建立了从控制电路第一部分的数学模型，推导了输入电压偏差采样信号的传递函数框图，接着详细地分析了移相控制全桥直流变换器的开关模态及其工作原理，然后推导了输出滤波电感电流扰动和输入电压扰动对占空比（移相角）影响的表达式，并在此基础上建立了主从控制ISOP全桥直流变换系统的等效小信号模型。在理论分析的基础上，结合UCC3895移相芯片的原理搭建了两模块ISOP变换系统，进行了系统仿真，最后搭建了原理样机，对仿真结果和样机实验结果进行了详细地分析，验证了主从控制ISOP全桥直流变换系统的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题提出的背景

1.1.1 直流电网的提出

1.1.2 直流电网的定义

1.1.3 大功率DC-DC变换器在直流电网中的应用

1.2 课题的研究意义及研究内容

第二章 ISOP直流变换系统拓扑和主从控制方法的确立

2.1 开关管的选取

2.2 基本模块拓扑的选取

2.3 控制策略的提出

2.3.1 ISOP直流变换系统的控制方法简述

2.3.2 主从控制方法的提出

2.4 主从控制ISOP全桥直流变换系统的优点

2.5 本章小结

第三章 主从控制均压均流的实现方式

3.1 输入均压的必要性

3.2 输出均流的必要性

3.3 ISOP系统输入均压与输出均流的关系

3.4 实现均压均流的主从控制电路结构

3.4.1 主从控制电路的基本控制结构

3.4.2 电流环H的必要性

3.4.3 从控制电路第一部分的数学模型

3.5 移相控制的基本原理

3.5.1 移相控制电路模态分析

3.5.2 零电压开关（ZVS）的实现

3.5.3 副边占空比的丢失

3.6 特性分析

3.7 本章小结

第四章 主从控制ISOP全桥直流变换器的建模

4.1 引言

4.2 基本模块小信号数学模型的推导

4.3 ISOP移相全桥直流变换器小信号模型

4.4 主从控制ISOP全桥直流变换系统整体小信号模型的建立

4.5 本章小结

第五章 仿真与实验验证

5.1 仿真验证

5.1.1 仿真电路的主要参数

5.1.2 UCC3895简介

5.1.3 UCC3895移相模块的搭建

5.1.4 实验电路的仿真及其分析

5.2 原理样机的设计

5.2.1 变压器的设计

5.2.2 输出滤波电感的设计

5.2.3 功率器件的选取

5.2.4 谐振电感的设计

5.2.5 输出滤波电容和输入电容和选择

5.3 控制电路的设计

5.4 实验结果

1）驱动信号

2）额定功率

3）轻载情况

4）输入母线电压跳变

5.5 本章小结

第六章 结论

6.1 全文总结

6.2 后期工作展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢