宽重复频率独立式脉冲功率直流电源系统关键技术研究

摘要

脉冲功率电源技术始于世界各国对于国防科研需求。随着开关技术、半导体器件及储能元件的进步，脉冲功率电源系统朝着高频化、小型化、轻量化及模块化的方向发展。相比于传统非脉冲功率直流电源系统，脉冲功率直流电源系统中往往具有平均功率负载与脉冲功率负载并存的工况，因此设计中需同时保证对平均功率负载及脉冲功率负载的高质量可靠供电。以蓄电池为主的储能单元具有能量密度大、可靠性高等优点而被广泛应用于直流电源系统中，但其同时存在功率密度小、循环寿命短等缺点。由于重复性脉冲功率负载峰值功率大且重复频率高，因此若单独采用蓄电池作为重复性脉冲功率电源系统储能元件，较大的蓄电池峰值功率容量配置势必导致电源系统平均功率容量浪费并进一步降低电源系统整体功率密度。同时，重复性脉冲功率负载引起的频繁高倍率充放电电流会导致蓄电池内部发热量剧增并大幅缩短蓄电池的使用寿命，此外高峰值功率变化引起的直流母线电压波动甚至会影响电源系统其他模块的正常工作。本文从重复性脉冲功率负载工况及脉冲功率储能元件特性着手，结合已有直流电源系统拓扑结构，深入开展脉冲功率技术相关知识及混合储能直流电源系统关键技术的研究。提出基于蓄电池/超级电容的混合储能双母线直流电源系统架构并对其工作模式进行分析研究，以实现降低脉冲功率负载对直流稳压母线的干扰、改善脉冲及非脉冲功率负载供电质量并提高电源系统供电可靠性和功率密度的目标，为脉冲功率直流电源系统的高效稳定工作提供可靠方案。
　　本研究主要内容包括：⑴为解决传统Boost非隔离升压变换器中固有的右半平面零点导致动态响应较差的问题，提出基于多磁路耦合的磁集成升压变换器拓扑，旨在消除变换器右半平面零点、提高动态响应能力的同时抑制输入输出电流纹波。针对低压大电流脉冲功率负载特性，提出基于 Buck变换器的抽头式可变电感降压变换器拓扑，通过改变变换器动态过程中的等效输出电感值，实现低稳态电流纹波及高动态电流变化率的优势结合。⑵为降低脉冲功率负载对主直流母线带来的扰动，结合抽头电感结构提出输入电流纹波抵消变换器拓扑，通过增加辅助电感、电容并与抽头电感共同工作，简化输入电流纹波抵消的设计制造过程。同时结合交错式变换器功率等级大、等效工作频率高以及辅助电感纹波抵消方案的优点，提出交错式纹波抵消变换器方案，为大功率脉冲功率辅助变换器的设计提供新的思路。⑶在超级电容储能元件宽电压变化范围的工作特性的基础上，研究宽电压变换器拓扑工作特性及优化方案，提出多工作模式的变结构桥式变换器拓扑，优化变换器宽电压范围的稳态工况并提高变换器在宽电压范围下的工作效率。同时引入磁集成技术，以解决桥式变换器输入电流断续的问题。提出基于输入电压反馈的分段式变幅值三角载波控制方案，简化宽电压变换器环路优化设计过程并抑制工作模式切换时引起的功率波动，为磁集成多模态变结构桥式变换器高效稳定工作提供保证。⑷针对50Hz-1kHz的宽重复频率范围脉冲功率负载供电提出基于混合储能方式的双直流母线脉冲功率电源系统架构以及对应的多路脉冲能量供给方案。同时针对电源系统中各子模块的工作需求，分别提出了基于磁集成技术及抽头式可变电感技术的升压及降压式高动态响应脉冲功率变换器拓扑、基于耦合电感技术及抽头电感技术的低电流纹波脉冲功率辅助变换器拓扑以及基于磁集成技术的宽电压范围高效多模态变结构桥式变换器拓扑。文中所提及研究内容，为混合储能式双母线脉冲电源整体架构研究以及其中各子模块的优化设计提供了有效的解决方案。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 多模式混合储能型双母线脉冲电源系统

2.1 引言

2.2 蓄电池/超级电容混合储能电源系统分析

2.3 改进式混合储能双母线脉冲功率电源系统

2.4 脉冲功率电源系统实验结果

2.5 本章小结

第3章 磁优化式高动态响应变换器研制

3.1 引言

3.2 耦合电感式高动态响应变换器方案

3.3 磁集成式高动态响应升压变换器设计

3.4 抽头电感降压式高动态响应变换器设计

3.5 本章小结

第4章 输入电流纹波抵消技术研究

4.1 引言

4.2 辅助电感电流纹波抵消技术设计

4.3 抽头电感式纹波抵消脉冲功率辅助变换器的提出

4.4 交错并联式电流纹波抵消变换器研究

4.5 本章小结

第5章 高效率宽电压范围隔离拓扑研究

5.1 引言

5.2 宽电压范围变换器拓扑分析

5.3 磁集成式宽电压范围多模态变换器设计

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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