（电力电子与电力传动专业论文）dcdc模块阻抗特性研究.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 p o w e re l e c t r o n i c s s y s t e mi n t e g r a t i o n ( p e s oh a sb e e nb e i n ga ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n tt r e n di np o w e re l e c t r o n i c s t h ea i mo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st or e s e a r c ht h e i m p e d a n c eo f d c d cc o n v e r t e r s ，w h i c hi sas m a l lp a r to f t h ep e s ip r o j e c t i ti sv e r y i m p o r t a n t f o rs t a n d a r dt o p o l o g i e ss e l e c t i o n , s t a b i l i t ye s t i m a t i o nf o rc a s c a d e dp o w e r e l e c t r o n i c ss y s t e m , a sw e l la st h ec o n s t i t u t i o nf o rt h ei m p e d a n c es t a n d a r do fd c d c c o n v c l - t e r s t h em p u ta n do u t p u ti m p e d a n c e so ft h ev o l t a g em o d ec o n t r o l l e dd c d cc o n v e r t e r s u n d e rc c m o p e r a t i o na r e 丘r s t l ya n a l y z e d t h ei n t l u e n e e so ft h el o o pg a i na n d p a r a s i t i cp a r a m e t e r so nt h ei m p e d a n c e sa r ed i s c u s s e d , a n dt h er e q u i r e m e n t st ot h e l o o pg a i na n dp a r a s i t i cp a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e di no r d e rt oi m p r o v et h ei m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c s i ti sh e l p f u lf o ra n a l y z i n gt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ee x a c ta n dd e p e n d a b l e e x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e di m p e d a n c e s ad e t a i l e dr e v i e wa n dc o m p a r i s o nw i t hv a r i o u s i m p e d a n c em e a s u r i n gm e t h o d sa r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ec o m p a r i s o n , a ni m p r o v e d i m p e d a n c em e a s u r i n gm e t h o dw i t ha w i d ei m p e d a n c er a n g ef o rd c d cc o n v e r t e r si s p r o p o s e d a n ds o m ef a c t o r st oi n f e c to nt h em e a s u r e di m p e d a n c er e s u l ta l ed i s c u s s e d a n dt h es o l u t i o n sa r ea l s op r o p o s e d t ov e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ei m p e d a n c em e a s u r f f l l l c l l ti ss p e c i a l l yc a r r i e do u t o i laz c tf u l lb r i d g ec o n v e r t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e a s u r i n g p r o c e s s c a nb eu s e dt oa n a l y z eo t h e rd c d cc o n v e r t e r st o oa n dt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h ez c tf u l lb r i d g ed c d cc o n v e r t e rc a nb ea sas t a n d a r d i z e do n e k e yw o r d s ：i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s , i m p e d a n c em e a s u r e m e n t , d c d c c o n v e r t e r s ，p 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 n n 浙江大学硕士学位论文第一章 第一章绪论 随着电力电子技术应用范围的不断扩大，电力电子产品需求的不断增加，同 许多技术领域一样，电力电子系统集成，标准化和模块化技术成为电力电子技术 发展的必然趋势1 1 q 。本章首先介绍了论文研究的背景电力电子系统集成的 概念和主要内容，在此基础之上介绍了系统集成中模块级联的稳定性问题，引出 了论文研究的内容和意义，并简要介绍了这一研究领域的研究现状。 第一节电力电子系统集成介绍 一个标准的、模块化的、可编程的系统有利于加速系统级水平的设计，极大 的提高电力电子产品的标准化、模块化、智能化和生产自动化程度。 电力电子系统集成包含两个层次的集成：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 电力电子子系统的系统集成，就是将功率器件、电路元件、控制器、传感器 及动作开关等集成为一个完整的智能的电力电子子系统。图卜1 是一个用多芯片 封装【7 j 3 】实现的电力电子子系统集成的示意图。如图所示，该结构模块包括有裸 芯片形式的二极管和现代功率半导体器件( 如p o w e r 如s f 盯、i g b t 等) ，它们被 安装在具有高导热性的高性能陶瓷和金属基扳上，以保证有效的散热同时将控 制电路、门极驱动电路、缓冲电路、电流、温度传感器、电平变换电路和保护电 路等也采用专用集成电路裸芯片或表面贴装元件的形式组装在同一块陶瓷基片 上，再采用绝缘技术将高、低压元件作电隔离处理，采用特殊手段实现内部电气 连接，最后通过两维或三维立体封装为一个小系统。由接口电路接受外部微控制 器提供的控制信号，实现电能的变换控制。 图卜i 用多芯片封装实现标准化电力电子智能模块的示意 浙江大学硕士学位论文 第一章 电力电子子系统级的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。一个 典型的集成的电力电子标准模块如图卜2 所示。智能电力电子标准模块所包含的 元、部件要比常规的智能功率模块多得多：除了半导体器件以外，还包括了门极 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，它具 有一个完全的系统功能。智能标准模块包含有两种类型的接口：功率传输接口和 数据通讯接口。通过这些接口，几个不同类型的标准模块就可以组成一个新的系 统。 输出 通信接 图卜2 典型的电力电子智能标准模块示意图 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、模块本 身) 等。所谓通用性，是指电力电子标准模块可以适应广泛的应用场合，为数不 多的电力电子标准模块通过软件设置可以适应大部分的应用场合。可扩充性包括 两方面的含义，一个是标准模块的系统功能可以扩充，另一个是模块内部功能可 以扩充，就是说，标准模块可以通过附加标准的其他功能部件，实现其他的功能 以更好的适应特定的应用场合，比如，实现拓扑的变化。 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。 图卜3 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 d 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。 浙江大学硕士学位论文 第一章 图1 3 基于集成电力电子子系统的集成电力电子应用系统示意图 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。 第二节电力电子集成系统中模块级联稳定性问题 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 一步组合成用户所需要的实际应用系统。在这个组合过程中，必然会涉及到标准 模块的级联、串联和并联，并且有时为衰减不同模块对外的高频开关纹波，一般 在标准模块的输入端和母线上需要外加e m i 滤波器。在这个集成过程中，可能会 出现系统不稳定的情况，这种不稳定情况包含两种，小信号稳定性和大信号稳定 性。 引起这种不稳定情况的主要原因是由于电力电子标准模块是单独设计的，尽 浙江大学硕士学位论文第一章 管单个模块本身是稳定的，但是系统中模块间的相互作用、标准模块和输入滤波 器之间的相互作用可能会导致整个系统的不稳定。 图卜4 为输入l c 滤波器带电力电子模块负载的简化电路图。电力电子模块 的输入阻抗在一定的频率范围内具有负阻特性，如果输入阻抗的幅值小于输入滤 波器的有效阻尼电阻，滤波器就会有净的负阻尼电阻，滤波器就会振荡。通常模 块的输入阻抗在环路增益带宽以内的负阻值是不变的，如果滤波器的谐振频率低 于模块的环路增益带宽，滤波器在谐振频率处的输出阻抗峰值就必须小于输入阻 抗的幅值，否则就会振荡，系统不稳定。 l - r l l l 一 有效阻尼负载阻抗 电阻 图l _ 4l c 滤波器后接电力电子模块负载 目前，针对系统小信号稳定的研究非常多【1 抛1 1 。1 9 7 6 年，m i d d l e b r o o k 等人 提出了阻抗分析法，这种方法被后面的学者广泛采用并得以改进。基于这一分析 方法，电力电子级联系统的稳定性很大程度上取决于级联的源模块和负载模块的 阻抗特性。因此研究系统的稳定性的问题就转化为研究系统中模块的输入输出阻 抗特性的问题。与传统的稳定性分析方法相比，阻抗分析法具有明显的优点。它 无须知道每个子系统的内都详细参数，也不用对整个系统进行建模，可以只根据 子系统的输入输出特性来进行分析，更加符合工程设计的习惯。 因此，为保证系统的稳定性，可以从两方面入手：从系统级层次，为保证系 统稳定的需要，可以对每个子系统( 模块) 的阻抗提出要求；从子系统( 模块) 层次，每个子系统的输入输出阻抗特性必须满足系统的要求。 第三节d c d c 模块阻抗特性研究现状 由前面的介绍知道，模块的阻抗特性可以用于级联系统的稳定性判断，同时 模块的阻抗特性也反映了模块自身性能的好坏，如模块的瞬态响应等性能。因此 浙江大学硕士学位论文第一章 对不同拓扑结构，不同工作模式，不同控制方式下的电力电子模块的阻抗特性进 行研究具有重要意义。本论文主要研究的对象是d c d c 模块，因此以下将重点介 绍d c d c 模块阻抗的研究现状。 目前，对于d c d c 模块阻抗特性的研究主要集中在以下几个方面。 一是三类基本变流器闭环阻抗的理论推导和规一化 2 22 6 1 。基于电力电子变流 器的小信号模型，对不同的工作模式( 连续模式c c m 和断续模式d c m ) ，不同的 控制方式( 电压模式控制c ，电流模式控制c m c 等) 下的变流器的闭环输出阻 抗进行理论研究，并考虑输出滤波电感和滤波电容寄生参数的影响。这些理论研 究成果是进一步研究电力电子标准模块阻抗特性的基础。 二是阻抗特性的改进措旌研究田, 2 5 1 。模块的阻抗特性与功率电路中元器件的 参数有关，如输出滤波电容，电感的大小，电容电感寄生参数的大小，开关管的 导通电阻，导通压降等；与模块的环路增益的带宽和相位裕度有关；与功率电路 中软开关辅助电路有关。目前针对改进模块阻抗特性的研究还很少，只有文献 2 7 基于环路增益提出了理论上的阻抗改进措施，即环路增益的带宽和相位裕度要满 足一定的要求。 三是基于电力电子系统集成的角度研究模块的阻抗标准【2 9 1 。模块阻抗标准的 制定对于电力电子系统的稳定性工作具有重要意义，只要系统中的模块达到阻抗 标准的要求，就可以保证系统的稳定性。模块阻抗标准的制定涉及很多其他标准 的确定，如标准的设计流程，标准的模块性能要求，标准的元器件参数等。同时 阻抗标准的制定应该是基于标准模块基础之上的，因此首先是要确定适用于电力 电子标准模块的拓扑结构。这一研究领域还有很多工作要做，目前阶段只是简单 探讨了影响模块阻抗的因素，如模块的功率等级，模块的开关频率及控铝4 方式等， 但研究的范围不够全面。 通过以上的总结可以看到，模块的阻抗特性的研究还有很多工作要做，需要 说明的是，模块阻抗特性研究的最终目标是确定模块的阻抗标准，这对电力电子 系统集成来说意义重大。 第四节本文主要研究的内容及意义 本文主要在电力电子系统集成国家自然科学基金项目已有研究成果的基础 上对d c d c 模块的阻抗特性做进一步的研究。主要包括以下几个方面的内容。 浙江大学硕士学位论文 第一章 基于基本交流器完整的小信号模型，详细分析影响阻抗特性的因素，在此基 础上从功率电路中元器件的寄生参数和环路增益两个方面总结和分析改进 阻抗特性的方法。 模块阻抗测量方法的研究。如何准确可靠的测量模块的阻抗对模块阻抗特性 的研究很有帮助，一方面可以验证前面的理论分析，另一方面可以直接用于 测量复杂的电力电子子系统，根据测量的阻抗特性来判断系统的稳定性。本 文详细分析了测量阻抗的各种方法，并确定了一组简单易操作的，适用测量 模块范围比较广的输入输出阻抗测量方法。 详细分析和测量了一种改进的z c t 全桥变流器的阻抗特性。z c t 全桥变流器 拓扑是初步遴选出的电力电子标准模块拓扑结构之一，对其阻抗特性的研究 可以用来验证改进阻抗特性的理论方法，并可以从阻抗特性的角度确定其是 否可以作为标准拓扑结构。本文重点分析了z c t 软开关辅助电路对模块阻抗 特性的影响。 确定了d c d c 模块阻抗特性的分析流程，用于优选中功率d c d c 电力电子标 准模块的拓扑结构。 本文研究的内容对于遴选电力电子标准模块的拓扑结构，模块阻抗标准的制 定以及电力电子级联系统的稳定性分析具有一定的意义。 浙江大学硕士学位论文第一章 参考文献 【1 】l e e ，f c ，d e n g m i n gp e n g ，p o w e re l e c t z o n i c sb u i l d i n gb l o c ka n ds y s t e mi n t e g r a t i o n ，i n ： c o n f e r e n c er e c o r do f 皿e e p i e m c ，2 0 0 0 ，v 0 1 1 ：1 - 8 【2 】k e v i nt k o m e g s y , d e s i g ni s s u e si np o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ( p e b b ) s y s t e m i n t e g r a t i o n , i n ：c o n f e m n c er e c o r do f i e e e v l s i ，1 9 9 8 ：4 8 - 5 2 【3 】e r i c s e n , t ，p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k s - as y s t e m a t i ca p p r o ht op o w e re l e c t r o m c s ，i n ： c o n f e r e n c er e c o r do fi e e e - p o w e re n g i n e e r i n gs o c i e t ys u m m e rm e e t i n g , 2 0 0 0 ：1 2 1 6 - 1 2 1 8 4 】j d v a nw 兆f r e dc l e e ，p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya lt h ed a w no ft h en e w m i l l e n n i u m s t a t u s a n d f u t u r e ，i n ：p r o c e e d i n g s o f l e e e - p e s c ，1 9 9 9 ，v 0 1 1 ：3 - 1 2 【5 】l e e ，f c ；v a nw y k , j d ；b o r o y e v i c h , d ；g u o - q u ml u ；z h c n x i a nl i a n g ；b a r b o s a , p ， t e c h n o l o g yt r e n d st o w a r das y s t e m - i n c a - m o d u l ei np o w e re l e c t r o n i c s ，i n ：i e e e - c i r c u i t sa n d s y s t e m sm a g a z i n e 2 0 0 2 ：4 2 2 【6 】钱照明，张军明，吕征宇，电力电子系统集成，中国集成电路，2 0 0 3 ，7 p p 2 9 4 5 【7 】：x i n g s h e n gl i n , s k a t i lh a q u e ，j i n g g s n gw a n g , c m o - q u a nl u ，p a c k a g i n go f i n t e g r a t e dp o w e r e l e c t r o n i c sm o d u l e su s i n g 脚l l i pt e c h n o l o g y , i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c ，2 0 0 0 ，v 0 1 1 ： 2 9 0 - 2 9 6 【8 】x i n g s h e n gl i n , x i n k u a nj i n g ，g u o - q n a nl u ，c h i p - s c a l ep a c k a g i n go f p o w e rd e v i c e sa n di t s a p p l i c a t i o ni ni n t e g r a t e dp o w e re l e c t r o n i c sm o d u l e s ，i e e et r a u s0 1 1 , a d v a n c e dp a c k a g i n g ， 2 0 0 1 ，2 4 ( 2 ) ：2 0 6 - 2 1 5 【9 】9g u o - q u a nl u , x i n g s h e n gl i u , a p p l i c a t i o no fs o l d e r a b l ed e v i c e sf b ra s s e m b l i n g t h r e e - d i m e n 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 o c e e d i n g so fi e e e - p e s c ，2 0 0 0 ，v 0 1 2 ： 1 2 6 1 1 2 6 6 【1 0 】z h e n x i a nl i a n g , f r r e dc l e e ，g q l n , d u s h a nb o r o j e v i c ，e m b e d d e dp o w e r - am u l t i l a y e r i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yf o r p a c k a g i n go f l p e m sa n dp e b b s ，m ：m e b i w 口p ，2 0 0 0 ：4 1 4 5 【11 】k a l y a ns i d d a b a t t u l a , z h o uc h e r t , d u s h a nb o r o j e v i c ，e v a l u a t i o no f m e t a lp o s ti n t e r c o n n e c t e d p a r a l l e lp l a t es 虮l c 眦f o rp o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k s ，i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c ， 2 0 0 0 ，v 0 1 i ：2 7 1 - 2 7 6 【1 2 】z h e n x i a nl i a n g ，f r e dc l e e ，e m b e d d e dp o w e rt e c h n o l o g y f o ri p e m sp a c k a g i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章 a p p l i c a t i o n s ，i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c ，2 0 0 1 ，v 0 1 2 ：1 0 5 7 - 1 0 6 1 【1 3 】x i n g s h e n gl i u ；h a q u e ，s ；g - u o - q u a nl u ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf l i p - c h i po nf l e xp a c k a g i n gf o r p o w e re l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o n s ，i e e et r a m o i la d v a n c e dp a c k a g i n g ，2 0 0 1 ，2 4 ( 1 ) ：1 - 9 【1 4 】i l d m i d d l e r o o k ，i n p u tf i l t e rc o n s i d e r a t i o n si nd e s i g na n da p p l i c a t i o no fs w i t c h i n g r e g u l a t o r s ，i n ：c o n f e r e n c er e c o r do f i e e e - i a sa n n u a lm e e t i n g ，1 9 7 6 ：9 1 ，1 0 7 【1 5 】x i a o g a n gf e n g ，j 确t i nl i u ，a n df r e dc i c e ，i m p e d a n c es p e c i f i c a t i o n sf r os t a b l ed c d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m s ，i e e et r a m o np o w e re l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ，1 7 ( 2 ) ：1 5 7 - 1 6 2 1 6 】c a r lm w i l d r i c k , f r e x lc l e e ，b oh c h o ，a n db y u n g c h oc h o i , am e t h o do f d e f i n i n gt h e l o a di m p e d a n c es p e c i f i c a t i o nf o ras t a b l ed i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m , i e e et r a n so i l p o w e re l e c t r o n i c s ，1 9 9 5 ，1 0 ( 3 ) ：2 8 0 - 2 8 5 【1 7 】e w g h o l d s t o n , i ck a r i m i ，f c l e e ，j r a j a g o p a l a n , y p a n o v ，b m a n n e r s ，s t a b i l i t yo f l a r g cd cp o w e rs y s t e mu s i n gs w i t c h i n gc o n v e r t e r s ，w i t ha p p l i c a t i o nt ot h ei n t e r n a t i o n a l s p a c es t a t i o n , i n ：c o n f e r e n c er e c o r do f i e e e - i e c e c ，1 9 9 6 ：1 6 6 - 1 7 1 【1 8 】s s c h u l z ，b h c h o ，a n df c l e e ，d e s i g nc o m i d e r a t i o nf o rad i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m , m ： p r o c e e d i n g so f i e e e p e s c ，1 9 9 0 ：6 1 1 6 1 7 【1 9 】x i a o g a n gf e n g ，z h i h o n hy e ，k u nx i n g ，f r e dc l e ea n dd u s a nb o r o j e r i c 。i n d i v i d u a ll o a d i m p e d a n c es p e c i f i c a t i o nf o ras t a b l ed cd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m , i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c ，1 9 9 9 ，v 0 1 2 ：9 2 3 - 9 2 9 2 0 】x i a o g a n gf e n g , z l f i h o n hy e ，k a nx i n g , f r e dc l e ea n dd u s a nb o r o j e v i c ，l m p e d e n e e s i c i e c i f i c a t i o na n di m p e d a n c ei m p r o v e m e n tf o rd cd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m , i n ： p r o c e e d i n g so f i e e e - p e s c ，1 9 9 9 ：8 8 9 8 9 4 【2 1 】y p a n a n v ，j r a j a g o p a l a n , f c l e e ，a n a l y s i sa n dd e s i g no fnp a r a l l e l e dd c _ d c c o n v e r t e r sw i t hm a s t e r - s l a v ec u r r e n t - s h a r i n gc o n t r o l , i n ：p r o c e e d i n g so fi e e e - a p e c ， 1 9 9 7 ，v 0 1 1 ：4 3 6 - 4 4 2 【2 2 】d o n g s o ok i 玛d o n g k o o ks o n , b y u n g c h oc h o i ，i n p u ti l n p c d a l l c ea n a l y s i so fp w m d c - t o - d cc o n v e r t e r s ，i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - a p e c ，2 0 0 6 ：1 3 3 9 1 3 4 6 2 3 】z a m i e r c z u k ，m k ，c r a v e n s ，r c ，i i , r e a t t i ，a ，c l o s e d l o o pi n p u ti m p e d a n c eo fp w m b u c k - d e r i v e dd c d cc o n v e r t e r s ，i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e i s c a s 1 9 9 4 , v 0 1 6 ：6 1 - 6 4 2 4 】k a z i m i e r c e u k ，m k ，c r a v e n s ，r ch a r r i n g t o n ，j p ，c l o s e d - l o o pi n p u ti m p e d a n c eo fa v o l t a g e - m o d e - c o n t r o l l e dp w mb o o s td c - d cc o n v e r t e rf o rc c m ，i n ：p r o c e e d i n g so f t h e3 7 t h 8 浙江大学硕士学位论文第一章 m i d w e s ts y m p o s i u mo i l ，1 9 9 4 ，v 0 1 2 ：1 2 5 3 1 2 5 6 2 5 】k a z i m i e r c z u k ，m k ，c r a v e n s ，i l ，h ，i n p u ti m p e d a n c eo fc l o s e d - l o o pp w mb u c k - b o o s t d c - d cc o n v e r t e rf o rc c m ，i n ：p r o c e e d i n g so f i e e e - i s c a s ，1 9 9 5 ，v 0 1 3 ：2 0 4 7 - 2 0 5 0 【2 6 】k r i v e n t s o v , s g ，m a y e r , j s ，a nc x a e e x p r e s s i o nf o rt h ei n p u ti n 删a n c eo ft h eb u c k c o n v e r t e r i n c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e ，i n ：p r o c e e d i n g s o f i e e e - p e s c , 2 0 0 1 , v 0 1 1 ：3 5 1 - 3 5 6 【2 7 3z h a n g , j m ，x i e ，x gj i a o ，d z ，z h a o m i n gq i a l l ，s t a b i l i t yp r o b l e m sa n d 坤l i ti n l p e d c e i m p l d v e l l l e l a t f o rc a s c a d e d p o w e r e l e c t r o n i c s y s t e n e ,i n ：p r u c e e d i n g s o f i e e e - a p e c ，2 0 0 4 , v 0 1 2 ：1 0 1 8 1 0 2 4 【2 8 】张军明，中功率d c d c 变流器模块标准化若干关键问题研究，杭州：浙江大学博士学 位论文2 0 0 4 1 2 9 t a ow u ，x i n b or u a n , s t a n d a r d i z a t i o no fi n p u to u t p u t i n p e d a n c es p e c i f i c a t i o n so fb u c k c o n v e r t e r sb a s e do i lt h e s y s t e mi n t e g r a t i o nc o n c e p t , kp r o c e e d i n g s o f i e e e - i p e m c , 2 0 0 6 , v o l 3 ：1 - 6 【3 0 d v e n a b l e , s o u t r l o a di n t e r a c t i o n si nm u l t i - u n i tp o w e rs y s t e m s ，v e n a b l et e c h n i c a lp a p e r # 1 2 ，v e n a b l ei n d u s t r i e s 9 浙江大学硕士学位论文 第二章 第二章d c d c 模块阻抗特性理论研究 电力电子系统集成中一项重要的工作就是要确定标准模块的拓扑结构，这些 标准模块的拓扑结构需要具有一定的优越性能，如拓扑对应的标准模块的损耗要 小，效率要高；可靠性要高；串并联，级联拓展潜力要大；可集成性要好等。虽 然找到适用于所有应用场合的拓扑是不可能的，但对于确定应用场合总会存在一 个相对性能优越的拓扑结构。如前面的分析，模块的阻抗特性是衡量模块性能的 一个重要指标，因此对模块的阻抗特性和改进方法的研究很有必要。 电力电子系统集成国家自然科学基金项目针对中功率d c d c 变流器模块标 准化的关键问题已有一定的研究成果l 。文献 1 】对中功率范围的拓扑( 主要是 全桥d c d c 变流器拓扑) 进行了较为全面的分类和比较，并初步筛选出了1 1 种中功率电力电子标准模块的候选拓扑。其中大部分拓扑可以归为隔离型的 b u c k 拓扑，这些拓扑对应的模块主要工作在c c m 模式下，并均可用光耦隔离的 电压模式控制方式来实现，因此本章将重点分析电压模式控制的c c m 方式下 b u c k 交流器的阻抗特性和改进方法，为第四章详细分析中功率模块的阻抗特性 奠定理论基础。 第一节基本d c d c 交流器阻抗表达式 基本的d c d c 变流器的拓朴有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朴，带隔离的d c d c 变流器也可以归纳 到这三种拓朴上来。后三种由于结构复杂，较少被采用。而且，后三种变流器也 可以看作前三种的组合，如c u k 电路是一个b o o s t 和b u c k 电路的组合。所以我 们只分析前三种变流器的输入输出阻抗特性。 在c c m 工作下，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【4 l ，如图2 1 所示，图2 - 2 为相应小信号模型的系统框图，其主要参数列于表 2 1 。 表2 1 基本d o d c 变流器小信号模型参数 p ( d ) e f l ( s ) j f 2 ( s )l e c 。 b u c k1 d v o d 2 1 v 。瓜 1lc b o o s t1 d v o1 - s l j r v g ( 1 一d 、2 r 1 l ；0 一d 、2 c b u c k - b o o s t- ( 1 一d ) dv d d 21 - s d k 瓜v 以1 - d ) 2 r1 l ( 1 一d 1 z c 浙江大学硕士学位论文 第二章 图2 - 1c c m 基本d c d c 交流器的小信号模型等效电路 图2 - 2 基本d c d c 变流器小信号模型系统框图 图2 - i 中足为输出滤波电容的等效串联电阻( e s r ) ，r 为考虑输出滤波电 感的等效电阻和变流器中所有开关器件导通电阻后的等效电阻，k p 为电压反馈 系数，彳( s ) 为补偿网络的传递函数，1 v 为p w m 的传递函数。 由图2 1 定义皿( 5 ) = 可雨r l 丽i ( r 丽+ i 丽s c f ) ，则有： 也蜘五i 而j 丽再瓦薏最美是瓦瓦巧面石瓦q 舢 浙江大学硕士学位论文第二章 图2 - 2 中g 0 ( s ) 为输入到输出的传递函数，吼0 ) 为控制到输出的传递函数。 则有： 啪) = 嚣 啪) = 警 环路增益r ：垒：兰竺! ：鱼! 生 匕 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 输出蚯扰醐加石1 丽t 嘣班等州一器) ( 2 - 5 ) 一、基本交流器输入阻抗表达式 定义z i ( s ) 为变流器的开环输入阻抗，乙( s ) 为变流器的闭环输入阻抗。根据 输入阻抗的定义乙= 争，由图2 - 1 ，当o ( s ) = o 时，可得开环输入表达式： 互o ) = ( d ) 2 ( 也+ j + ( r + l l s e ) r l ) ：兰兰墨堕圣卫竺竖生墨墨丛墨：墨：互! 鱼生( d ) z j e ( 见+ 疋) + l 、7 ( 2 - 6 ) 下面来推导闭环输入阻抗的表达式。 首先假设参考输入电压扰动量- - 0 ，输出电流扰动量乙卸，由输入阻抗 的定义，推导出闭环时输入电流扰动量与输入电压扰动量露的关系即可得到闭 环输入阻抗表达式。 由图2 1 可知，输出滤波电感电流的扰动量由两部分组成，一部分是由输 入电压的扰动量引起的乏一、，一部分是由占空比孑引起的乏一。 戡啪，= 器卜筹 沼7 ， 浙江大学硕士学位论文 第二章 啪，2 糍卜警 协s ， 器删+ 警俄。 ：竺塑盟坐兰：丝塑型 2 当卸，= o 时，由式( 2 5 ) 可得：吃( j ) = 导警露( s ) ( 2 1 。) 由图2 - 2 可得：吃o ) = 吒o ) ( j ) + g 。0 ) - 孑0 ) ( 2 1 1 ) 蚁像2 “2 _ 3 ) 确吒= 篇 ( 2 1 2 ) 衲= 一而t ，历1 而。露 ( 2 1 3 ) 乏= 南。筹删 协1 4 ) ( + 乏) 2 ( 志+ 面心+ 乏) ( 2 - 1 5 ) 由式( 2 - 1 5 ) 可得：乏2 而1 乏+ 枷 ( 2 1 6 ) 驭加幸覃1 专等1 ，y 协 = 止i + t 赤i + t 南r l 南v 9 1 o j 、“。 、 z f ( j ) ( _ d ) 2 五( s ) 浙江大学硕士学位论文 第二章 闭环输入阻抗为： 讪，2 鬻= c 击赤一南，而b 。 协 二、基本变流器输出阻抗表达式 定义z o ( j ) 为变流器开环输出阻抗，z 。( s ) 为变流器闭环输出阻抗。根据输 出阻抗定义z o = 一；- q 。- ，由图2 - 1 ，c t ( s ) = o ，乓o ) = o 时，变流器的开环输出阻 抗( 考虑变流器负载电阻也) 表达式为： z o ( s ) = ( r + s t ) l j ( r c + 1 i s e ) 吃 ： 生