耦合电感高增益升压变换器拓扑及副边谐振软开关技术

摘要

近年来，直流微网在商业街、数据中心、小型民宅等应用场合得到广泛关注。其中，由光伏、燃料电池和储能单元组成的混合能源发电并网系统是重要组成单元，通过功率调节器(Power Conditioning System，PCS)将光伏、燃料电池等新能源接入高电压等级直流母线往往需要具有高升压增益比、低输入电流纹波的DC/DC变换器。而且，为了进一步提高电能传输效率，具有高效率、低成本的隔离直直变换器成为工业界和研究学者所追求的目标。本论文以高增益变换器电路拓扑和软开关隔离直直变换器为研究对象，开展相关方面的研究。
　　第一部分:耦合电感高升压增益变换器拓扑
　　本论文提出并研究了基于无源无损LC吸收电路的耦合电感高升压增益变换器电路拓扑，详细分析了变换器的工作原理，给出了电压传输增益、开关器件电压应力和输入电流纹波特性的理论分析。分析结果表明:引入无源无损LC吸收电路网络，耦合电感Boost变换器中的漏感能量得到有效利用，开关管两端的电压尖峰得到抑制，可选取低电压等级、低导通电阻的开关管以降低开关管的导通损耗，提高了变换器的效率。此外，该变换器还保持了输入电流的连续性且增大励磁电感和减小耦合电感变比可进一步减小输入电流纹波，从而减小了输入滤波器的设计难度。为了解决漏感引起的输出二极管两端电压尖峰震荡问题，进一步提出了无源无损LC吸收电路的耦合电感倍压单元高升压增益变换器，详细分析了其工作原理及工作特性。
　　基于零纹波Boost变换器电路单元，本论文提出了无源无损吸收电路的耦合电感、耦合电感倍压单元和三绕组零输入电流纹波高升压增益变换器，详细分析了变换器的工作原理及工作特性。针对已有的高增益变换器电路拓扑，进行了相应的性能对比分析。由分析可知，采用耦合电感技术，增加控制设计自由量耦合电感变比，在不需要极限占空比的情况下，获得了变换器的高增益特性。采用带分立电感的零输入电流纹波Boost变换器单元，近似地实现了变换器的零输入电流纹波。变压器漏感能量通过吸收回路二极管释放能量到箝位电容，继而电容通过续流二极管向负载传递能量，有效利用了漏感能量。箝位电容将开关管电压箝位，降低了其电压应力，可选取低导通电阻的MOSFET以减小导通损耗和成本。相比于传统的耦合电感变换器，三绕组耦合电感变换器在获得高升压增益特性的同时，还减小了输出端二极管的电压应力。
　　第二部分:隔离DC/DC变换器的副边谐振软开关技术
　　在分析传统移相全桥(Phase Shift Full Bridge，PSFB)软开关变换器工作原理的基础上，详细分析了其电压传输增益比与占空比丢失之间的联系、开关管零电压开通(ZeroVoltage Switching，ZVS)软开关的实现条件、环流损耗、变换器输出二极管寄生震荡现象产生的原因等。基于此，提出并研究了副边谐振软开关全桥变换器，采用移相控制技术和不对称控制技术，分别实现了全桥变换器的零电压零电流软开关和全负载范围软开关。同时，该变换器输出二极管电压应力箝位于输出电压，且实现了二极管的零电流关断(Zero Current Switching，ZCS)，有效抑制了输出二极管的电压尖峰震荡现象，消除了二极管的反向恢复损耗，同时还消除了传统移相全桥的环流损耗，从而进一步改善了变换器的性能。详细分析了变换器的工作原理及软开关实现条件，给出了详细的设计原则。
　　详细分析了不对称半桥变换器的直流稳态特性、软开关实现条件、开关器件应力和励磁电感存在的直流偏量，在此基础上，提出并研究了一种新型非调节隔离DC/DC变换器，也称为DC/DC变压器。详细分析了该变换器的工作原理及直流稳态特性、软开关实现条件。分析结果表明:该变换器实现了一次侧开关管的ZVS开通和二次侧二极管的ZCS关断，将整流二极管电压钳位在输出电压，从而减小了二极管的电压应力，且输出二极管电压应力不受占空比的影响。同时，本论文提出并研究了不对称半桥副边谐振PWM开关变换器，详细分析了变换器的工作原理及直流稳态特性，给出了副边二极管的软开关实现条件及电压应力的理论推导。分析结果表明:该变换器实现了开关管的ZVS开通和输出二极管的ZCS关断，且原边开关管的电压应力箝位在输入电压，输出二极管的电压应力几乎与占空比无关，变换器的电压增益与隔离Buck类变换器类似，呈现线性增益特性。此外，该变换器的输出端存在滤波电感，减小了输出电压的纹波。
　　为了验证理论分析的正确性，本论文搭建了相应的实验样机平台，给出了相应的实验结果和实验数据。实验结果对本文的理论分析进行了很好的验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及选题意义

1．2 高增益变换器的研究现状

1．2．1 基于开关电容／开关电感单元的高增益变换器

1．2．2 基于耦合电感的高增益变换器

1．2．3 基于Built-in-Transformer单元的高增益变换器

1．2．4 级联与串并联高增益变换器

1．2．5 零纹波高增益变换器

1．3 隔离全桥变换器软开关技术的研究现状

1．3．1 ZVS全范围软开关技术

1．3．2 ZVZCS软开关技术

1．3．3 ZCS软开关技术

1．4 隔离半桥变换器软开关技术的研究现状

1．5 论文的主要工作

1．5．1 研究内容

1．5．2 章节安排

第2章 基于LC吸收电路的耦合电感高增益变换器

2．1 引言

2．2 基于LC吸收电路的耦合电感高增益变换器

2．2．1 电路拓扑的提出

2．2．2 工作模式分析

2．2．3 工作特性分析

2．2．4 实验结果与分析

2．3 基于LC吸收电路的耦合电感倍压单元高增益变换器

2．3．1 电路拓扑的提出

2．3．2 工作模态分析

2．3．3 工作特性分析

2．3．4 实验验证

2．4 本章小结

第3章 零输入电流纹波高增益非隔离变换器

3．1 引言

3．2 耦合电感零输入电流纹波高增益变换器

3．2．1 电路拓扑的提出

3．2．2 工作模态分析

3．2．3 工作特性分析

3．2．4 实验结果与分析

3．3 耦合电感倍压单元零输入电流纹波高增益变换器

3．3．1 电路拓扑的提出

3．3．2 工作模态分析

3．3．3 电压增益特性

3．3．4 元器件的应力分析

3．3．5 性能对比分析

3．3．6 实验验证

3．4 零输入纹波三绕组耦合电感高增益变换器

3．4．1 电路拓扑的提出

3．4．2 工作模态分析

3．4．3 电压增益

3．4．4 开关管与二极管电压压力分析

3．4．5 励磁电感Lm的临界条件

3．4．6 电容Co1，Co2，Cc和C1的选取原则

3．4．7 性能对比分析

3．4．8 实验结果与分析

3．5 本章小结

第4章 软开关隔离型全桥变换器

4．1 引言

4．2 隔离全桥变换器的移相控制软开关技术

4．2．1 全桥变换器电路拓扑架构

4．2．2 移相全桥变换器的工作原理

4．2．3 移相全桥变换器的工作特性

4．3 ZVZCS移相副边谐振全桥变换器

4．3．1 电路拓扑

4．3．2 工作原理分析

4．3．3 直流增益特性

4．3．4 ZVS和ZCS软开关实现条件

4．4 不对称控制副边双谐振全桥变换器

4．4．1 电路拓扑架构

4．4．2 工作原理分析

4．4．3 电压增益

4．4．4 软开关实现条件分析

4．4．5 副边谐振电感和谐振电容的设计原则

4．4．6 开关器件的选取

4．4．7 实验验证

4．5 本章小结

第5章 软开关隔离型半桥变换器

5．1 引言

5．2 隔离半桥变换器的不对称控制软开关技术

5．2．1 直流稳态分析

5．2．2 软开关条件分析

5．2．3 励磁电感的直流偏量

5．2．4 开关器件应力分析

5．3 副边双谐振非调节隔离半桥变换器

5．3．1 副边谐振AHB变换器拓扑的提出

5．3．2 工作原理分析

5．3．3 直流稳态特性分析

5．3．4 DCX的实现条件及软开关条件

5．3．5 实验验证

5．4 不对称控制半桥副边谐振PWM变换器

5．4．1 电路拓扑架构

5．4．2 工作原理分析

5．4．3 直流稳态特性分析

5．4．4 软开关条件及应力分析

5．4．5 实验验证

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果