Zeta式多电平交-交直接变换器研究

摘要

目前国内外对多电平技术在AC/AC直接变换中的应用研究很少，尚处于学术前沿性研究阶段。本论文研究了Zeta式多电平交-交直接变换器。从拓扑结构、工作原理、控制策略及稳态工作特性、电压频谱结构、仿真验证与优化、原理样机设计及试验几方面系统地研究了Zeta式三电平交.交直接变换器，并研制了500VA原理样机。 本文首先介绍了AC/AC变换技术、多电平技术及其在AC/AC变换中的应用情况。然后分别从三电平功率单元的提取思想和多电平技术的目的出发，提出了Zeta式多电平交.交直接变换器的拓扑结构：Zeta式四电平和Zeta式三电平。相比非隔离式和低频、中频隔离式交.直.交型多电平AC/AC变换器，其实现了单级变换，相比非隔离式Buck三电平交-交变换器，其可实现升降压变换。 主体部分系统研究了Zeta式三电平交.交直接变换器，提出了非互补控制策略，对比分析互补控制策略，详细阐述了非互补控制如何提高变换器的可靠性，可有效防止模式切换时发生共态关断现象，同时又不会发生共态导通现象。系统地分析了变换器的稳态工作特性，电感电流、电容电压纹波系数。又对比分析了Zeta式三电平、两电平Buck和Cuk交-交变换器的电压频谱结构，证明了三电平技术改善了变换器频谱结构，可减小滤波器的体积和重量，提高输出波形质量。还用仿真对理论分析进行验证，同时为原理样机的参数设计提供优化。最后给出原理样机在三种不同负载下的试验波形及结果。 本文最后还对多电平技术在交-交变换器中的应用进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1绪论

1.1引言

1.2 AC/AC变换技术

1.2.1交-直-交型AC/AC变换器

1.2.2直接AC/AC变换器

1.3多电平技术

1.3.1多电平DC/AC变换技术

1.3.2三电平DC/DC变换技术

1.4多电平技术在AC/AC变换器中的应用

1.4.1交-直-交型多电平AC/AC变换器

1.4.2 Buck非隔离式三电平AC/AC变换器

1.5本论文主要研究内容及意义

1.6结论

2 Zeta式多电平交-交直接变换器的拓扑结构及工作原理

2.1引言

2.2 Zeta直流变换器概述

2.3 Zeta式多电平交-交直接变换器拓扑结构

2.4 Zeta式多电平交-交直接变换器的工作原理

2.4.1 Zeta式四电平交-交直接变换器的工作原理

2.4.2 Zeta式三电平交-交直接变换器的工作原理

2.5总结

3 Zeta式三电平交-交直接变换器的非互补控制策略和稳态工作特性

3.1引言

3.2 Zeta式三电平交-交直接变换器的非互补控制策略

3.2.1互补控制策略

3.2.2非互补控制策略

3.3 Zeta式三电平交-交直接变换器的稳态工作特性

3.3.1主要电压之间的关系

3.3.2电感L1和L2中电流连续工作条件及连续时纹波电流系数

3.3.3电容C1和C2两端的纹波电压系数

3.3.4功率开关管两端的电压应力

3.4结论

4 Zeta式三电平交-交直接变换器输出滤波器前端电压频谱结构

4.1引言

4.2 Zeta式三电平交-交直接变换器输出滤波器前端电压频谱结构

4.3 Buck型两电平交流斩波器输出滤波器前端电压频谱结构

4.4 Cu]k型两电平交流斩波器输出滤波器前端电压频谱结构

4.5三者输出滤波器前端电压频谱结构比较

4.5.1 Zeta式三电平交-交直接变换器与Buck型两电平交流斩波器输出频谱比较

4.5.2 Zeta式三电平交-交直接变换器与Cuk型两电平交流斩波器输出频谱比较

4.6结论

5 Zeta式三电平交-交直接变换器的仿真优化

5.1开环仿真结果

5.1.1升压情况仿真

5.1.2降压情况仿真

5.2闭环仿真结果

5.3非互补控制策略提高可靠性仿真验证

5.4结论

6 Zeta式三电平交-交直接变换器原理样机设计

6.1系统结构

6.2功率电路设计

6.2.1功率电路结构

6.2.2指标要求与参数选取

6.2.3功率管的选取

6.2.4 RC缓冲电路的设计

6.2.5输入滤波器的设计

6.2.6输出滤波器的设计

6.2.7储能电感和电容的设计和选取

6.3控制电路设计

6.3.1基准正弦电路

6.3.2 PI误差调节电路

6.3.3三角载波电路

6.3.4 PWM比较产生电路

6.3.5触发信号产生逻辑电路及过流保护电路

6.3.6驱动电路

6.4结论

7 Zeta式三电平交-交直接变换器原理样机试验结果

7.1阻性负载试验结果

7.2感性负载试验结果

7.3容性负载试验结果

7.4原理样机典型工作情况指标测试

7.4.1典型工作性能指标

7.4.2典型工作试验数据

7.5结论

8总结与展望

8.1论文研究内容及意义总结

8.2多电平交-交变换器的展望

致 谢

参考文献

附录