极端负载条件下输入串联输出并联组合变换器系统控制策略的研究

摘要

近年来，电力电子系统集成受到越来越多的关注，其中标准化模块的串并联技术是主要研究内容之一。将多个直流变换器模块分别在输入侧串联和输出侧并联，所构成的输入串联输出并联型(Input-Series Output-Parallel，ISOP)变换器系统适用于高输入电压、大功率的直流变换场合。为了保证该系统可靠工作，必须确保各模块的输入均压和输出均流，然而原有控制策略在轻载以及短路限流等极端负载条件下无法实现输入均压，会造成模块的输入电压过高而损坏。本文研究在极端负载条件下实现各模块输入均压的控制策略。
　　 本文揭示了极端负载条件下，原有控制策略无法实现ISOP变换器系统各模块输入均压的原因，指出由于各模块之间存在损耗差，而极端负载条件下系统的输出功率趋近于零，原有输入均压控制策略无法通过调节各模块的输出功率来平衡模块间的损耗差，因而造成各模块的输入电压不均衡。为此，本文对原输入均压控制策略进行改进，提出极端负载条件下的输入均压控制策略，即改变输入均压环权值和辅助均压电路，这两种控制策略在保留原控制策略优点的同时，实现了极端负载条件时各模块的输入均压和输出均流。
　　 全桥变换器适合作为ISOP变换器系统的基本模块。本文详细分析了全桥变换器在轻载时分别采用移相控制和双极性控制的工作原理，并对比分析了其损耗，指出轻载时采用双极性控制，开关管的开通损耗、开关管和变压器原边绕组的通态损耗均低于移相控制。为此本文将移相控制和双极性控制结合起来，重载时采用移相控制，轻载时采用双极性控制，从而可以大大减小轻载时的损耗，并保证了重载时的高效率。论文给出了该方法的实现电路，实现了移相控制和双极性控制的平滑切换。
　　 本文设计了一台由两个2.5kW全桥变换器模块组成的ISOP变换器原理样机，对所提出的极端负载条件下的输入均压控制策略和提高全桥变换器轻载效率的控制策略进行了仿真和实验验证，结果均表明所提出的控制方案是正确有效的。