（电力电子与电力传动专业论文）中功率dcdc变流器标准化模块阻抗分析与拓扑优选.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d e s i g nf o rs t a n d a r d i z e di n t e g r a t e dp o w e r e l e c t r o n i cm o d u l e s ( i p e m ) a n d e n s u r i n gt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi n t e g r a t e db yt h ei p e m sa r et h em o s t i m p o r t a n tt a s k si nt h ep o w e re l e c t r o n i cs y s t e mi n t e g r a t i o ns t u d y t h em a i nr e a s o nf o rt h ei n s t a b i l i t yo fa ni n t e g r a t e ds y s t e mi st h ep o o r m a t c ho ft h ei m p e d a n c e so ft h em o d u l e s t oe n s u r et h es t a b i l i t yo fa n i n t e g r a t e ds y s t e m ，i t sn e e d e dt oi n c r e a s et h ei n p u ti m p e d a n c ea n dd e c r e a s e t h eo u t d u ti m p e d a n c eo ft h em o d u l e sa sm u c ha sp o s s i b l e t h ei m p e d a n c e s o fv o l t a g em o d ed c d cc o n v e r t e r s ( i nb o t hc c ma n dd c m o p e r a t i o n s 、a n d c u r r e n tm o d ed c d cc o n v e r t e r sa r ed i s c u s s e d ，m o d e l e da n de x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d t h ed i s s e r t a t i o na l s ov e r i f i e dt h em e t h o d sp r o p o s e dp r e v i o u s l yt o i m p r o v et h ei m p e d a n c e so ft h e s ec o n v e r t e r s t od e s i g ni p e m s t h et o p o l o g yt h a tf i t st h ea p p l i c a t i o nb e s ts h o u l db e p r o p e r l ys e l e c t e df i r s t t a r g e t i n g a tt h ea p p l i c a t i o n sf o rm i d d l ep o w e r d c d cc o n v e r t e r si nt h em a r k e t i n g ，b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，e l e v e n t o p o l o g i e s a st h ec a n d i d a t e t o p o l o g i e s f o ri p e m sa r es e l e c t e df r o m n u m e r o u st o p o l o g i e s ( m a i n l yt h ef u l lb r i d g et o p o l o g i e s ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， s i xp r o t o t y p e so ft h e ma r eb u i l t ，c o m p a r i s o na n de v a l u a t i o na r ed e s c r i b e d k e y w o r d s ：c o n v e r t e ri m p e d a n c e ，d c d ct o p o l o g i e s ，s t a b i l i t y , p o w e r e l e c t r o n i cs y s t e mi n t e g r a t i o n i l 浙江大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，功率器件的不断成熟，电力电子得到了越来越广 泛的应用。随着应用范围的扩大，传统的电力电子设备开发模式逐濒显露出开发 周期长、开发成本商、可靠性很难保证的缺点。我国3 c 认证( c h 抽ac o m p l l l s o r y c e m a t i o n ，中国强制认证) 的出台，对电力电子产品的研发提出了更高的要求。 在这种情况下，标准化的系统和有指导性的标准结构，就显得非常必要。 本章将首先对电力电子系统集成做较全面的阐述，主要包括电力电子系统 集成的背景、含义、目标及其研究现状。随后将通过分析目前市场上主流中功率 电力电子的产品与应用，提出本文的主要研究内容及意义。 第一节电力电子系统集成的背景 能源问题已经成为2 1 世纪全球性的焦点问题，而电力能源是一种应用最广 泛最直接的能源，可以视为人类现代文明的标志和发展直接推动力。 世界上，绝大部分电力能源在运用前都要加以处理，以满足各种设备对电源 的不同要求。电力电子技术已经成为现代工程中功率转换的基础技术。在e p 砒 的调查报告中指出，当今世界上4 0 的电力输送都要通过某种形式的电力电子设 备【l l 。到2 0 1 0 年这一数值有望达到8 0 。随着性价比更高的电力电子设备的广 泛应用，全世界的能源消耗有望降低至少3 5 i l 】，这对能源日益稀缺的现代社会 来说意义非常重大。 电力电子产品的开发设计包括电力电子器件、电路拓扑、封装、加工工艺、 无源器件设计、热设计、e m c 设计等多个方面。现今的电力电子装置都按用户 的不同要求和用途进行特殊设计的，是建立在大量的非标准的分立的元器件之上 的，造成研制周期长、成本高、使用不灵活等不利因素，另外电力电子产品的开 发不但需要专业的电力电子工程师，而且还需要众多的生产设备和大量的手工劳 工，因此电力电子行业不但是技术密集型行业，同时也是劳动密集型行业，从而 大大限制了电力电子装置成本的进一步降低和工业化生产的自动化，另外大量的 手工劳动和非标准器件的使用也给产品的可靠性带来了诸多不确定因素。 以上这些电力电子行业和电力电子技术的现状给电力电子的进一步发展提 出了新的挑战和目标，电力电子技术需要一个新的转折点以克服上述问题。这样 的一个转折点就要靠电力电子系统集成来实现。电力电子系统集成也是现代电力 电子发展的必然趋势。 浙江大学硕士学位论文 第一章 第二节电力电子系统集成的含义和目标 正如大规模集成电路( v l s i ) 技术的飞速进步给计算机技术、通讯和电子 技术带来了革命性变化一样，人们希望电力电子系统集成( p e s i ) 能不但给电力 电子技术本身带来进一步发展，而且对能源、工业生产过程全面实现自动化的发 展产生深远、革命性的影响。 电力电子系统集成应包括两个层次的集成：一个是模块级的集成，即电力电 子子系统的集成；另一个是系统级的集成，即电力电子实际应用系统的集成。 一、电力电子子系统的系统集成 电力电子子系统集成的目标是建立系列电力电子集成标准模块。电力电子标 准模块不是指一个专门的半导体，也不是个电路拓扑或者是一个无源元件，它 是一个高度集成的、能完成特定功能的、标准的电能处理单位。图1 1 是一个典 型的集成的电力电子标准模块【2 ，它具有一个完全的系统功能，包括：半导体器 件、门极驱动、电平转换、标准化的通讯接口、传感、保护、电源以及无源元件 等。电力电子标准模块具有一些基本特征，如通用性、可扩充性( 功能和模块本 身) 。 图1 1 典型的集成的电力电子标准模块1 2 1 电力电子标准模块的设计其中的一项工作就是为模块确定适用的拓扑。拓扑 需要具有高性能、良好的能用性、低成本等特征。标准拓扑的确定是电力电子标 准化中一项很重要的工作。 要进行电力电子拓扑的比较和优选，必须在一定的条件下进行：首先，必须 对所有的应用范围进行调查、划分和归类，确定基本的电气指标，并定义为若干 标准应用系列；然后，对各种拓扑在一定的应用条件下，定义一整套用来衡量的 拓扑性能的指标以评定拓扑的优劣。 此外，电力电子标准模块的设计还应包括拓扑稳定性的研究。这里的拓扑稳 定性不仅仅指单个模块工作的稳定性，还应包括拓扑并联、级联工作时的稳定性 问题。 电力电子标准模块的设计的另一项工作是确定模块的封装口】- 【14 1 。封装的确定 浙江大学硕士学位论文第一章 需要确定统一的模块体积，以及统一的硬件接口。这其中，还需要考虑模块的功 率密度及散热、热应力分布方面的问题【1 5 】。【2 0 】。 在电力电子模块集成度提高的同时，对控制方法及控制软件提出了最高的要 求。首先模块需要有标准的通讯接口标准；其次比较复杂的控制，如逆变器的数 字化控制等，均需要通过软件进行实现。而不同的电力电子模块在并联工作时， 有可能需要控制软件进行协调工作。这些方面都需要有比较完善的软件控制理 论。控制软件应该具有良好的可扩充性和一致的界面与接口，以适应不断更新的 电力电子发展的需要。 电力电子标准模块通过标准接口可以组成实际的电力电子应用系统，即更高 一级的系统集成。 二、电力电子实际应用系统的集成 电力电子实际应用系统的集成就是人们可以根据电力电子系统集成的理论 和设计规则，利用上述这些子系统方便地集成和扩展为最终用户所需要的电力电 子应用系统。 为了实现系统集成，必须对标准模块和实际应用系统控制器之间建立一套适 合于电力电子系统的高速通讯总线和能量传输母线技术，建立标准的通讯协议， 将各类标准模块自由、灵活及可靠的集成为一个实际的电力电子应用系统。 另外，对于一个实际的由标准模块集成的应用系统，还需根据标准模块的输 入输出特性，研究整体系统的稳定性。 图1 2 是一个典型的基于集成的电力电子实际应用系统的示意图。图中的滤 波器、a c d c 整流器、逆变器、d c 仍c 变流器均为电力电子标准模块，它们作 为电力电子子系统集成更高层次的应用系统。 图l - 2 典型的基于集成的电力电子实际应用系统 浙江大学硕士学位论文 第一章 三、电力电子系统集成的目标 电力电子系统集成的目标就是要改变电力电子行业的现状，使它更加适合与 现代技术发展的需要。 通过电力电子系统集成，人们就可以直接利用电力电子标准模块方便地集成 为一个目标的实际应用系统，这样就可以大大缩短和减少复杂系统的研制和开发 周期及经费。另外，可以类似于装配一台个人计算机一样，通过标准模块的增减 ( 插拔式) 或更换，使得一个实际系统能够有效快捷地实现性能或功能的转换， 以更符合现场需要。电力电子系统集成将使得电力电子行业变成为一个类似于计 算机行业一样的工业部门，大大提高生产的自动化和减少开发周期与成本，使之 彻底向技术密集型行业转变。 第三节电力电子系统集成的研究现状 对于电力电子技术领域内这样一个方向性的发展趋势，国际上先进的工业化 国家极为重视，都投入了大量的人力和物力研究和开发s m a n p o h ，e r 产品，并已 取得显著成效，但目前还主要局限于电力电子控制芯片已有的利用p l c 控制器 和总线技术开发的大功率电力电子应用系统仍缺乏通用性和互换性。 美国政府于1 9 9 8 年9 月批准由美国国家科学基金委员会投资，建立美国电 力电子系统中心c p e s ( c e n t e rf o rp o w e re i e m o n i c ss y s t e m ) 。该中心由五所高校， 十几个研究所和1 0 0 多个公司参加，为期1 5 年，其核心任务之一就是研究开发 “集成电力电子模块”i p e m ( i n t e g m t e dp o 、v e re l e c t r o n j c sm o d u l e s ) ，他们拟研 究从5 0 0 w 到2 0 0 k w 的各类集成化的电力电子模块；开发基于这类集成模块的 各种应用于高性能电力传动、分布式配电系统、电源设备等领域的应用系统，并 准备在今后的1 0 年内以1 0 倍的增长速度来加速这项高技术产品的发展，以期在 工业、民用，特别是军事领域内( 美国海军首先倡导这样研究以用于船舶驱动电 气化) ，使电能变换和控制技术获得更新换代的变化。此外，欧洲国家也对小功 率集成系统展开了积极的研究。 对于这样一个方向性的发展趋势，国内外学术界和企业界均表示了热切的关 注。我国国家自然科学基金专门设立项目对电力电子系统集成的若干关键技术进 行研究。 4 第四节中功率d c d c 变流器目前在市场上的主要应用 a c d c 及d c d c 产品在市场上有着广泛的应用。发达国家把电源进行了非 浙江大学硕士学位论文第一章 常详细的分类。我国的电源市场发展尚不完善，对直流电源的分类不够细致。 习惯上，把直流电源分为计算机用开关电源、通讯用开关电源、工业用开关电源、 办公设备用开关电源、商业用开关电源和家用开关电源等六大领域。目前在国内 市场上，比较常见的中功率d c 仍c 功率变换器主要应用在以下几类产品中： 1 通信电源模块 2 电力电源模块 3 一部分电镀电解电源 4 一部分电焊机电源 这几种电源的输入输出条件列于表1 1 。 表1 1 部分中功率电力电子典型应用的输入输出条件 电源种类 典型输入电压( v ) 典型输出电压典型输出电流 输出功率范围 通信电源 3 8 0 4 0 0 ，3 4 0 6 0 04 8 v 2 4 v2 0 a 1 5 0 a1 k w 5 k w 电力电源 3 8 0 4 0 0 ，3 4 0 6 0 02 2 0 v ，1 1 0 v5 a 2 0 a1 k 啊k 5 k w 电镀电解电源 3 4 0 6 0 0 ，8 0 0 vo 1 2 v1 0 0 1 5 0 0 a1 5 k w 2 0 k w 直流电焊电源3 4 0 6 0 0 ，8 0 0 v 3 6 v ，9 0 v 5 5 0 0 a1 k w 2 0 k w 由于我国3 c 强制论证的出台，对较大功率的电源都有p f c 的要求。因此像 通信电源及电力电源等应用的输入通常都是单相p f c 级的输出，或是三相整流 的输出。而电解电镀电流及直流电焊电源通常都应用在三相输入的场合。 第五节本论文主要研究内容及意义 本论文是电力电子系统集成国家自然科学基金项目的一部分，研究的主要范 围包括电力电子级联稳定性分析中的阻抗分析与改进措施和电力电子标准模块 的拓扑优选。 电力电子系统集成的一个重要形式就是系统级联，由于级联的稳定性问题主 要是由阻抗不匹配引起的，因此本文将首先对电路的阻抗进行分析，并运用前期 研究中提出的改进方法对电路阻抗进行改进，并通过实验加以验证。 另外，本论文也将对前期通过大量理论和实验分析比较最终筛选出的1 1 种 。( 】) 各种电子计算机、中央处理器、存储装置用开关电源；( 2 ) 计算机外同终端设备，输入输 出装置用开芙电源；( 3 ) 有线通讯设备、程控交换机、户内通讯设备用开芙电源；( 4 ) 无线通 讯设各、发送设备、移动通讯设备用开关电源：( 5 ) ： 厂自动化、机器人、数控机床、空调 设备、电力控制设备用开关电源：( 6 ) 自动售货机、现金自动交付机、现金自动存储机用开 关电源；( 7 ) 显示器、示波器用开关电源；( 8 ) 医疗设备、试验仪器、汽车电子、液晶显示装 置用开关电源i ( 9 ) 文字 5 写机、个人计算机、传真机用开关电源；( 1 0 ) 复印机、速印机用开 关电源；( 1 1 ) 电视机、录像机用开关电源；( 1 2 ) 游戏机用开关电源；( 1 3 ) 数字音响、电予乐器 州开关电源；( 1 4 ) 磁带录音机、立体声泶放机用开关电源；( 1 5 ) 插头式开关电源、充电器用 开关电源和住宅设备用开关电源。 浙江大学硕士学位论文 第一章 中功率的d c 仍c 电力电子标准模块的侯选拓扑进行初步的样机制作和实验比 较，以进行进一步的优选，从而为后期确立中功率d c 仍c 电力电子标准模块的 最终拓扑做准备。由于时间的关系，本论文选取了其中6 种拓扑的样机进行比较。 塑垩盔堂堡圭茎垡笙苎兰二兰 4 】 【5 6 】 【8 【1 0 】 1 2 】 参考文献 l e e ，f c ；d e n g m i n gp e n g ，p o w e re l e c 仃o i l i c sb u i l d i n gb 1 0 c k 卸ds ”t e m m t e 鲫i o n ，i n ： c o n f 白- e n c er e c o r do f i e e e p i e m c ，2 0 0 0 ，v 0 1 1 ：1 8 钱照明，张军明，吕征宇，电力电子系统集成明，中国集成电路，2 0 0 3 ，7 p p 2 9 - 4 5 s 胁i lh a q u e ，k u nx i n g ，g u o - q u a l ll i i ，d 0 心私j n e l s o n ，d u s 柚b o r o j e v j c ，f c l e e ， p a c k a g i n gf o rt l l e m a im 锄a g 锄e mo fp o w e re l e c t r o n i c sb u i l d i i l gb 1 0 c k sl 】s m gm e t a lp o s t s i n t e r c o n n e c t e dp a r a l l e lp l a t es m l c t i 】r e i n ：p r o c e e d i n 拳o f i e e e i t h e r m1 9 9 8 ：3 9 2 3 9 8 r o b e na l e w i s ，j e h ylh u d g i l l s ，t h ee 彘c t sd u et op a c k a g ep a r a s i t i c so fap e b b 1 m o d u l e i n a n a r c pc i r c u i t i n ：p r o c e e d i n g so f e e p e s c l 9 9 8 ，v 0 12 ：1 9 5 1 1 9 5 6 h a q u es ，k l l nx i n g ，r a y - l e el 沁s u c h i c i t a lc t a ，g u 0 。q u a nl u ，n e l s o nd j ，b o 叫e v i c d ，l e ef c ，a ni 1 1 i l o v 撕v et c c q u ef o rp a c k a g i n gp o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c l ( su s t n g m e t a lp o s t si n t e r c o n n e c t e dp a r a l l e lp l a t es 廿w t u r e s i n ：皿e e 胁s o na d v a n c e dp a c k a g i n g ， 1 9 9 9 v 0 1 2 2 ：1 3 6 1 4 4 x i n g s h e n gl i u ，s h a ：c i lh a q u e ，j i n g g a n gw a i l 舀g u o - q u a i ll u ，p a c k a g i n go fi n t e g m t e d p o w e re l e c 仃o n i c sm o d m e si l s i n g 玎i p c h i pt e c h n o l o 科i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c2 0 0 0 ， v o l1 ：2 9 0 - 2 9 6 x i n g s h 明gl 沁x i u b 啪j i n 备g u o q u a nl uc h i p - s c a l ep a c k a g m go fp o w e rd e v i c e sa n d n sa p p l i c a t i o ni ni n t e 粤m e dp o w e re l e c t r o n i c sm o d u | e s 1 1 1 ：髓e 廿姐so n a d v a n c e d p a c k a g i n g ，2 0 0 1 ，v o l _ 2 4 ：2 0 6 - 2 1 5 g u o - q u a l ll u ，x i n g s h e n gl i u ，a p p l i c 撕0 n o fs 0 1 d e r a b l ed e v i c e sf o ra s s e m b l i l l g t h r e e - d i m 锄s i o n a lp o w e re l e c t r o n i c sm o d u l e s i n ：p r 。c e e d i n g so f 皿e p e s c2 0 0 0 ，v o l 。3 ： 1 2 6 1 - 1 2 6 6 z h e 脚a nl i 8 n 备f r r e dc ，l e e ，g q l u ，d u s h a nb 删e v i c ，e m b e d d e dp o w e r - am u l 吐l 斜e r i n t e g m t i o nt e c l l 芏1 0 1 0 舒 f o rp a c k a g i n go fi p e m sa n dp e b b s i n ： p r o c e e d i n g s o f 匝e e i w i p p2 0 0 0 ：4 1 - 4 5 k a l y a ns i d d a b a 仕u l a ， z h o uc h e n ，d 1 l s h 8 nb o r o j e v i c ， e v a l u a t i o no fm e t a l p o s t i n t e r c o l l n e c t e dp 8 r a i i e lp l a l es t n l c t i l r ef p o w e re l e c 订。砖cb u i l d i n gb l o c l ( s ，i n ：p r 。c e e d m 昏 o f i e e e - a p e c2 0 0 0 v 0 1 | i ：2 7 1 2 7 6 z h e n x i a nl i 如g ，f r e dc l e e ，e m b e d d e dp o w e rt e c h n 0 1 0 9 yf o ri p e m sp a c k a g i n g a p p l i c 撕o n s i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e _ a p e c2 0 0 l ，v 0 1 2 ：1 0 5 7 - 1 0 6 1 x i n g s h e i 】gl i u ；h a q u e ，s ；g u o - q u a nl t l ，n m e - d i m e n s i o n a lf l i p c h i po nn e xp a c k a g m g f o rp o w e re l e c 仃0 i l i c s 印p 】i c a l i o i l s i i l ：i e e et r a l l s o na d v a l l c e dp a c k a g i n g ，2 0 0 l ，v 0 1 2 4 ： 7 口 口 口 浙江大学硕士学位论文第一章 】- 9 【1 3 】 j o h ng b a i ，g u o - q u a nl u ，x i n g s h e n gl i u ，f l i p - c h i po nn e xi n t e g r a t e dp o w e re l e c 们n i c s m o d u l e sf o rh i 曲d e n s 时p o w e ri n t e g r a t i o n i i l ：i e e e 缸舶s o na d v 锄c e dp a c k a g i n g 2 0 0 3 ， v 0 1 2 6 ：5 4 5 9 【1 4 】z x l i a i l 岛f c l e e ，j d v a 士1w y kd b o r o y e v j c l l ，e s c o t t ，j c h e l l b l u ，y p a n g ， i n t e g r a t e dp a c k a 西n go fa1k ws w i t c h m gm o d u l eu s m gp l 卸盯i n t e r c o 肋e c t0 ne n l b e d d e d p 0 ，e r c l l i p s t e c l 】1 1 0 l o 留i n ：p m c e e d i n g so f i e e e - a p e c 2 0 0 3 ，v 0 1 1 ：4 2 - 4 7 15 】 j o n a l lz h o uc h e l l y m gf e n gp a l l g ，d u s h a nb o r o y e v i c h ，e 1 a - m ep s c 0 廿，k a r e na t h o l e e l e c 埘c a l 锄d 也e n n a l1 a y o l l t d e s i g nc o m i d e r a t i o n sf 研i m e 黜dp o w e re l e c 廿o i l i c s m o d u l e s i i l ：p r o c e e d i n g so f i e e e 一认s2 0 0 2 ，v 0 1 1 ：2 4 2 2 4 6 【1 6 】 j o n a l lz l l o uc h e l l y i n g x i 锄gw uc s t e l l eg e n c e ，d 哪h 锄b o r o y e v i c l l j 拍h e l g eb o h n ， h n 昭r a t e de l e c 仃i c a l 蛐d l e r n l a ia n a l ”i so fi n t e g r a t e dp o w e re l e c n o n i c sm o d u l e su s h l g i s i g h ti n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c2 0 0 1 ，v 0 1 2 ：1 0 0 2 - l 0 0 6 【1 7 】 j o n a hz c h e n ，y i n g x i a l l gw u ，d u s h a nb o r 0 ”v i c h ，j 柚h b o h n ，i n t e g r a t e de l e c 蜘c a la n d t 1 1 e m a lm o d e l i r 培a n da i l a l y s i so f i p e m s i i i ：p r o c e e d i n g so f e e - c o m p e l2 0 0 0 ：2 4 也7 1 8 s e u n 乎y ol c e ，l j n g y i l l 抽a o ，j o h a nt s 时d o m ，w g o d c n d a a l ，j d v 柚w 儿t h e m a l a n a l y s i sf o rs e r i e s “：i n t e g r a t e dp a s s er e s o n a mm o d u l eb a s e do nf i 面t e - e l e m e n tm o d e l i n g i n ：p r o c e e d i n g so f i 吼一p e s c2 0 0 2 ，v o l 2 ：1 0 0 9 - 1 0 1 4 1 9 s e u n g - y ok e ，w g o d e n d a a l ，j d v a nw y kt h e r f n o - m e c h a l l i c a ls 订e s sa n a l y s i sf o ra 1 1 i m e g r a t e dp a s s i v er e s o n a n tm o d u l e i n ：p r o c e e d i n g so f 皿e e - i a s2 0 0 2 ，v o i 3 ：1 7 5 2 1 7 5 7 2 0 】 s i i n o ns w n ，z h e n x i a nl i a n 舀f r e dc l e e ，g u o - q u a nl u ，t h e m a lp e r f o m a n c eo fa p o w e re l e c 订m i c sm o d u l em a d eb yt 1 1 i c k f i l mp l 锄a 丁i m e r c o i l r i e c t i o no fp o w e rd e v i c e s i n ： p r o c e e d i n 擎o f 皿e - i t h t m2 0 0 2 ：1 0 9 7 一u 0 1 8 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章阻抗分析与改进措施 电力电子系统集成首先要研究电力电子标准模块，利用电力电子标准模块， 进一步集成为用户所需的实际应用系统。在这个集成的过程中必然会涉及到标准 模块( 包括e m i 滤波器) 级联、串并联时是否能够稳定的问题。 通过分析可以知道，实际应用系统集成过程中出现不稳定的主要原因是由于 前后级子系统阻抗不匹配引起的，我们要从根本上消除这个现象必须首先分析各 模块的阻抗特性，主要包括输入和输出阻抗，并对之进行改进。 本章将分析一个典型的b u c k 电路的阻抗特性及改进措施，并通过实际测试， 验证理论分析正确性与改进措施的可行性。 9 浙江大学硕士学位论文 第二耄 第一节系统级联不稳定因素分析和判定 2 1 1 系统级联不稳定因素分析 电力电子实际应用系统集成的过程中，尽管其每个子系统，即电力电子标准 模块，都能够稳定的工作，但由于当两个或多个模块之间，由于阻抗不匹配的问 题，会使得整个上级系统不能稳定工作。这里的阻抗不匹配主要是指负载模块在 闭环工作时，从其输入端看呈现负阻抗特性，它与输入源的阻抗相互作用，引起 系统不稳定。 个典型的基于标准模块集成的电力电子实际应用系统如图2 1 所示。 图2 1 基于标准模块集成的电力电子实际应用系统 在图2 1 的实际应用系统中，在a 、b 、c 和d 处，由于模块之问阻抗不匹 配，从而相互作用，引起系统不稳定。从该图中，我们也可以得知在实际的系统 中容易出现不稳定的主要界面有：( a ) 滤波器一a c 巾c 变流器、( b ) a c d c 变 流器d c 巾c 变流器( 中间包括滤波器) 、( c ) 输入滤波器一d c c 变流器、( d ) 输入滤波器d c ，a c 变流器。 对a 、b 、c 和d 这4 个存在不稳定因素的界面，我们可以用的如图2 2 所 示的等效框图来表示。 浙江大学硕士学位论文 第二章 g l 粤盛 g 2 z 0 z i 。 + 图2 2 级联系统的等效通用模型 图中表示两个子系统级联在一起，而且每个子系统在级联前都能独立稳定工 作。当两个子系统级联以后，整个系统的传递函数可以如下推导得出： 表g 2 = k ： 沼。 f ：岳鲁：警 沼：， 1 + z o 乙1 + l “。7 巾厶0 其中1 ”一i i ，g - 与g 2 分别为源模块和负载模块的传递函数- 2 1 2 系统级联不稳定判定方法 在整个传递函数中，1 + 瓦项表示了系统级联后的负载效应和源效应。我们 可以把1 + 毛视为一局部回路增益( l i n o r l o o pg a i n ) f l 】。因为单个系统是稳定的， 这样我们就可以通过判定t h 的稳定性来判定整个系统的稳定性，即看t m 能否 满足n y q u i s t 准则。 因为r i m 代表了源模块的输出阻抗和负载模块的输入阻抗，这样我们就把问 题转化为研究子系统的输入与输出阻抗的问题了。这与传统稳定性判别方法相 比，我们无须知道每个模块的内部结构和参数，也不需要对整个系统进行建模， 而只要能够计算或测得源模块的输出阻抗和负载模块的输入阻抗就可以判定两 者级联后整个系统的稳定性，这样就显得更为方便和简单，也更符合工程设计的 习惯。 用图2 3 所示的n y q u i s t 曲线图就可以对局部回路增益，i h 进行稳定性判断， 即看t m 的复平面曲线是否包围( 1 ，0 j ) 这个点。如包围该点，则整个系统将 浙扛大学硕士学位论文 第二章 不稳定；相反，如没有包围该点，则级联后的系统将是稳定的，而且曲线离( - 1 ， o j ) 这个点越远说明级联系统越稳定。它可以用增益裕度g m 和相位裕度a 表示。 在实际的工程应用中，考虑到参数的变化，一般要求相位裕量在3 0 。到6 0 。之 间，增益裕量在6 d b 以上( 即g m 2 ) 。 i m 睡 a 吲、n 。 。 图2 - 3 t m 的n y q u i s t 曲线圈 在如何适当的规定阻抗要求以保证系统的稳定性方面，已经进行了许多研究 工作1j _ 1 0 l 。从一般意义上来说，为了解决实际应用系统集成过程中出现阻抗不 匹配的问题，对输入阻抗的要求是越商越好，对输出阻抗越低越好。这在图2 3 中1 h 的n y q u i s t 曲线图中也可以直观看出来，乙= 争，因此随着| 乙i 的增大和 m l 乙f 的减小，i 丁圳将减小，即远离( 一l ，0 j ) 这一点，前面已经提到过，随着t h 曲线远离该点，系统的稳定性越好。 因此，为了能让级联系统稳定工作，我们需要尽量提高负载模块的输入阻抗 和降低源模块的输出阻抗。本章接下来几节将分析d c d c 变流器的阻抗特性， 并针对前期提出的阻抗改进措施进行实验测试以验证其可行性。 2 1 3 本节小结 本节首先分析了系统集成中，基于模块集成的实际应用系统出现不稳定的主 要因素为模块之间阻抗不匹配而相互作用引起的。并将实际应用系统简化为一简 单、通用模型，并在此基础上只需知道源模块的输出阻抗与负载模块的输入阻抗 便可简单判定系统的稳定性。 同时，通过分析可知，为了能使级联系统稳定工作，我们需要尽量提高负载 模块的输入阻抗和降低源模块的输出阻抗。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二节电压模式控制c c m 方式下d c d c 变流器输入阻抗 2 2 1 常用变流器统一小信号模型 基本的d c d c 变流器拓扑有6 种，即b u c k ，b o o s t ，b u c k b o o s t ，c u k ，z e t a 和s e p i c ，前三种是最常用的基本拓扑，带隔离的d c 仍c 变流器也可以归纳到这 三种拓扑上来。后三种结构比较复杂，很少用到，而且后三种拓扑可以看做是前 三种的组合，如c u k 电路是一个b u c k 电路和b 0 0 s t 电路的组合。所以我们只分 析前三种拓扑的输入输出阻抗特性。 在c c m 状态下工作时，这些d c d c 变流器都可以用一个统一的小信号模 型来表示 ，如图2 4 ，其主要参数对照表2 1 。 图2 _ 4c c m 状态下基本d c 巾c 变流器统一小信号模型【1 表2 1 基本d c 肥c 变流器小信号模型参数1 p ( d ) e f l ( s ) j f 2 ( s )kc e 盘c 露1 dv 徊21v 拈ll c b o o s t1 - d v o1 l e ，i t v “1 - d ) 。r 1 l ，( 1 - d ) c b h c k - b o o 缸 一( 1 一d 徊 v 0 仍21 s d l 瓜v 以1 一哕r l l ，( 1 - d ) c 2 2 2 开环输入阻抗分析与测试 参照图2 4 ，在c c m 模式下，在未加反馈环节之前，交流器的输入阻抗， 即开环输入阻抗的表达式为： z 。，= 卢2 ( 月e + s 上。+ ( r c + 1 j c e ) 且工) = 兰：墨! ：! ! ：! 墨墨墨! ! ! ：! 墨! 墨圭：! 墨! 墨! ! ：曼! 墨! ：墨! ：竺13 墨圭竺1 5 c 。( 月工+ 胄c ) + 1 ( 2 3 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章 在这里，我们先忽略等效串联电阻和电容等效串联电阻( e s r ) 的影响， 假设负载为电阻性负载。这样开环输入阻抗可简化为： z 矿2 生唼铲 占l 。“，+ j ( 2 4 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可求得，开环输入阻抗为一个二阶系统，在谐振点 附近存在明显的幅值下跌，其谐振点频率和最小输入阻抗为： 。多 丘= 1 2 协厄百( 2 5 ) q = 也厉 在这里，设计一b u c k 样机作为验证，其具体参数如下： 输入电压n _ 2 0 v ，输出电压v 0 = 1 0 v ，输出功率p o = 2 0 w ， 输出电容c ：4 7 0 f ，输出电感l 1 2 5 h ，开关频率b = 1 0 0 k h z ， 图2 5 为对样机m a 血c a d 建模所得曲线和用频率响应分析仪a p 2 0 0 对样机的 控制到输出的传递函数g v d ( f ) 测试所得曲线图。 ( a ) 建模曲线图( b ) 实际测试所得曲线 图2 5 样机传递函数g “( f ) 实际测试波形图 从图中可以很明显看到在7 0 0 h z 左右时出现l c 谐振点。相位由o 。迅速下 跌，理论上相位会一直跌到1 8 0 。，但由于输出电容e s r 的影响，因此在高频 段存在一零点，因此相位在高频段又出现往上抬的趋势。 对开环输入阻抗建模可得图2 6 ， 浙江大学硕士学位论文第二章 7_ 。；+ l _ ”y r 。，。 4 一 。 2 。” 镬冀 墨一 u 一涠n 二 ； 吣j l ，： i 一曩一 j x 搿1 。 一 ；= i _ 。辘“ t 譬 - 5 _ l ii ll 矿i l 矿 f 他q u 嘎h z ) ( a ) 幅值曲线 ( b ) 相位曲线 图2 6b u c k 样机开环输入阻抗建模幅值曲线 同时，计算可得，f m i n ；6 5 6 6 3 2 h z ，z 亡i 【。j 。) = 1 3 4 4 2 d b 。 对样机进行实际测试，得到b u c k 的开环输入阻抗如图2 7 。 ( a ) 幅值曲线 ( b ) 相位曲线 图2 - 7 实际测得的开环输入阻抗z e i 从上面的理论分析和实际测量可知，变流器的输入阻抗在l c 谐振频率点存 在着一个明显的下跌，这在系统级联过程中是非常不利的，因为前面我们已经分 析得出结论：变流器的输入阻抗越高越好。 2 2 3 电压环对输入阻抗的影响 当变流器加入电压型负反馈的反馈环节后，其输入阻抗就完全改变了，具体 如下： z 。= 1 r 1 l t ( 2 - 6 ) l + 丁乞，l + 丁石( 占) 也一出 其中t 是环路增益，胄m 砬为相同功率下的等效输入电阻，分别可以表示为 船醇知翦呻站 子-日己皂目#= 浙江大学硕士学位论文 第二章 丁：型：垒：墨坠兰：互塑 ( d ) ( 2 7 ) 哪) 2 兀再而再面i 面差焉焉戋了西再瓦丽 r 折一如= r ( 2 8 ) ( 2 9 ) 同样，我们先忽略等效串联电阻和电容等效串联电阻( e s r ) 的影响 假设负