（电力电子与电力传动专业论文）dcdc模块化组合变流器的研究.pdf

浙江大学博士学位论文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 ss y s t e mi n t e g r a t i o ni ss e e n 船趾i m p o r t a n td e v e l o p m e n tt r e n d i np o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u en o w a d a y s r e s e a r c ho nm o d u l a ra n dc o m b i n e d d c d cc o n v e r t e l si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o j e c t si nt h ep o w e re l e c t r o n i c s y s t e mi n t e g r a t i o n t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h el a r g ei n p u ta n do u t p u tc u r r e n tr i p p l e f l u c t u a t i o n 、h i g hv o l t a g es t r e s s e so ft h es e c o n d a r y - s i d ed i o d e s 、l a r g el o s s e so ft h e p o w e rd e v i c e s 、h i g he l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee t ei nt h es i n g l ep o w e rc o n v e r t e ro f h i 曲v o l t a g ea r e a , m o d u l a ra n dc o m b i n e dd c d cc o n v e r t e r sw i t hn a t u r a l l yi n p u t ( o u t p u t ) v o l t a g ea n do u t p u t ( i n p u t ) c u r r e n ts h a r i n ga r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i n a d v a n t a g e so ft h em o d u l a rp o w e rc o n v e r t e r si n c l u d e ：l o wv o l t a g ea n dc u r r e n ts t r e s s e s o ft h ep o w e rd e v i c e s ；s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nr e l i a b i l i t yb yi n t r o d u c i n gd e s k e d l e v e lo f r e d u n d a n c y ；s t a n d a r d i z a t i o no fc o m p o n e n t sl e a d i n g t or e d u c t i o ni n m a n u f a c t u r i n gc o s ta n dd e v e l o p i n gt i m e ；p o w e rs y s t e m sc a nb ee a s i l yr e c o n f i g u r e dt o s u p p o r tv a r y i n gi n p u t - o u t p u ts p e c i f i c a t i o n s ；a n dh i g h e re f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t y o f t h eo v e r a l ls y s t e m ，e s p e c i a l l yw i t hi n t e r l e a v i n gc o n t r o lm e t h o d s t h ea d v a n t a g e so ft h et w ot y p e so ft h ei n p u t - p a r a l l e la n do u t p u t - s e r i e sa n do n e t y p eo ft h ei n p u t - s e r i e sa n do u t p u t - p a r a l l e lm o d u l a rd c d cc o n v e r t e ra r ev e r i f i e db y ap l e n t yo fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw o r k t h es y s t e mp o w e rl e v e li se n l a r g e db yt h e p a r a l l e ls t r u c t u r eo fe a c hm o d u l a ra tt h ei n p u t - e n d ( o ro u t p u t - e n d ) ，a n dt h ev o l t a g e l e v e li se n l a r g e db ) ，t h es e r i e ss t r u c t u r eo fe a c hm o d u l a ra tt h eo u t p u t - e n d ( i n p u t - e n d ) a sas i n g l e u n i to f t h em o d u l a rc o m b i n e dc o n v e r t e r s ，f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r sa r em a i n r e s e a r c ho b j e c t sc h o s e nt od i s c o v e rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n p u t - p a r a l l e l a n d o u t p u t - s e r i e sa sw e l la st h a to ft h ei n p u t - s e r i e sa n do u t p u t - p a r a l l e lm o d u l a rd c d c c o n v e r t e r s ，a n dt h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sc a l lb ee x t e n d e da n da p p l i e dt ot h ec i r c u i t s t r u c t u r e so f t h eh a l g b r i d g e 、f o r w a r d 、p u s h p u l la n ds oo n t h e i n t e r l e a v i n gc o n t r o l t e c h n i q u e sa n dc o n s t a n td u t yc y c l es t r a t e g i e s a r e a d o p t e dt o a c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m i nt h i s p a p e r , f i r s t l yt h ef u l l b r i d g em o d u l a rd c - d cc o n v e r t e r sc o n n e c t e di n i n p u t p a r a l l e l a n d o u t p u t s e r i e ss y m m e t r i c a l l y a r e s t u d i e d ，a n dt h er e s e a r c h c o n c l u s i o n se x h i b i tt h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：l o wv o l t a g es t r e s s e si nt r a n s f o r m e r s e c o n d a r ys i d ed i o d e s ；l o wc u r r e n ts t r e s s e so ft h ep o w e rd e v i c e s ；o u t p u tv o l t a g e s h a r i n g ；i n p u tc u r r e n ts h a r i n g ；s m a l lv o l u m eo fi n p u ta n do u t p u tf i l t e r s e c o n d l yt h e 浙江大学博士学位论文 f u l l b r i d g em o d u l a rd c d cc o r l v e r t e r sc o n n e c t e di ni n p u t - p a r a l l e la n do u t p u t - s e r i e s d i s s y m m e t r i c a l a r es t u d i e d , a n dt h er e s e a r c hc o n c l u s i o n se x h i b i tt h ef o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：s m a l ln u m b e ro fi n d u c t o r s ；f a s td y n a m i cr e s p o n s et i m ea n dl o wl o s s e so f t h es y s t e mb e s i d e st h a ti nt h ef u l l - b r i d g em o d u l a rd c - d cc o n v e r t e r sc o n n e c t e di n i n p u t - p a r a l l e la n do u t p u t - s e r i e ss y m m e t r i c a l l y t h i r d l y t h ef u l l - b r i d g em o d u l a r d c - d cc o n v e r t e r sc o n n e c t e di ni n p u t - s e r i e sa n do u t p u t - p a r a l l e la r es t u d i e d ，a n dt h e r e s e a r c hc o n c l u s i o n se x h i b i tt h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t h es i m p l i c i t yo ft h ec o n t r o l s t r a t e g y ；l o wv o l t a g es t r e s s e si nt r a n s f o r m e rp r i m a r ys i d em o s f e t , i n p u tv o l t a g e s h a r i n g ；o u t p u tc u r r e n ts h a r i n g ；s m a l lv o l u m eo f i n p u ta n do u t p u tf i l t e r ar e d u c e d - o r d e r s y s t e mm o d e la n dr e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o du s i n gt h e e q u i v a l e n te n e r g yc o n t r i b u t i o ni sp r e s e n t e dt oa l l e v i a t et h eh a r d n e s so fd e s i g n i n g c o n t r o l l e rr e s u l t i n gf r o mt h ec o m p l i c a t e dm o d u l a rc o m b i n e ds y s t e m t h ee f f e c to nt h es y s t e mq u a l i t yb r o u g h ta b o u tb yt h ep a r a m e t e rd i f f e r e n c e e x i s t i n gi nt h ec o m p o n e n t so fe a c hm o d u l a ri ss t u d i e dt ov c n f yt h ep r a c t i c a l i t yo ft h e s c h e m e s o m er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra r eo b t a i n e df r o ma na e r o n a u t i c a ls t a t i c c o n v e r t e ra n dam o d u l a ru n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ( u p s ) k c y w o r d l $ ：s y s t e mi n t e g r a t i o n , m o d u l a r , p a r a l l e l i n g s e r i e s ，f u l lb r i d g ec 帅v e r 雠， d c d cc o n v e r t e r , e n e r g yc o n t r i b u t i o n , a e r o n a u t i c a ls t a t i cc o n v e r t e r , u p s 1 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得堂鎏盘至或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：幸犯戮 签字日期：矽_ 7 年，瑚，工目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂鎏太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： j 钐、 导师签名： 签字日期：哆年f 月f e l 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学博士学位论文第一章 1 1 引言 第一章绪论 电能是当今时代最重要的能源形式。利用电能体现了人类的文明与进步，也 推动着人类的文明与进步。电能变换则是利用电能推动文明与进步的必由之路。 目前电能变换技术已经广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统、交 通运输、邮电通信、工业控制、日常生活等民用领域。伴随着蓄电池、太阳能电 池、燃料电池等新能源技术的发展，如何高效、洁净的利用变流技术，将新能源 变换为人类所需要的电能形式，对于新能源的开发与利用起着至关重要的作用。 对于各种新能源的转换技术等电力电子领域的相关研究成果，为国民经济的 各部门未来正常工作与运行提供了可靠的动力保证。这些可靠的动力保证的实施 是通过以各种功率变换器为核心的电力电子装置来实现的。因此：电力电子装置 的发展趋势与人们的生活密切相关。图1 1 给出了电力电子变换器的技术趋势。 从趋势图中可以看出，电力电子变换器会给人们提供更优质的服务，同时也给电 力电子研究人员提出了更高的要求。在各种电力电子变换器中，应用在输入输出 倒i i 电力电予娈抉器的技术趋势 中高压场合的变换器的性能优劣在某些方面体现了电力电子技术的发展水平。为 了能够为人们提供更优质的服务，中高压供电装置正逐步实现高可靠性、高效率、 低污染。 当前中高压大功率变换器的解决方案中研究比较集中的是多电平变换器技 术与模块化功率变换器的并联技术。 a 多电平变换器技术 浙江大学博士学位论文第一章 多电平技术的概念，开始于日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于1 9 8 0 年在 i a s 年会上提出的中点箝位型( n e u t r a l p o i n t c 1a i p e d ，n p c ) 单相逆变器电 路 6 。 从多电平变换器的研究成果来看，它具有以下一些优点 i - 9 ： 1 _ 每个功率器件仅承受i ( n 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低 耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路； 2 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( t h d ) ； 3 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出 电压波形，因而开关损耗小，效率高； 4 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平交换器， d v d t 应力大为减少，在高压大电机驱动中，有效防止电机转子绕组绝缘击穿， 同时改善了装置的e m i 特性； 5 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。 然而，现有的多电平变换器拓扑在实际应用中存在定的局限性。由于多电 平电路中使用大量的开关器件，随着电平数的增多，电路拓扑和控制的复杂性增 加，使变换器系统的可靠性降低。为了提高可靠性必须进行故障检测，如果对每 一个器件都设计一个故障检测电路，将会使系统变得很复杂，并且成本大大增加。 因此多电平变换器的实际应用性受到了挑战，同时给装置的生命周期与经济性造 成了很大的压力。 b 功率交换器的并联技术 并联技术已经广泛的用在a c d c 、d c d c 、d c a c 变换器里了 2 ，1 0 2 2 。 要实现各功率变换器的并联运行，晟关键是各功率变换器共同负担负载电流，即 要实现均流控制。并联控制方法一般分为集中控制、主从控制、分散式控制、环 链式控制和无互联线控制五种方案。在输入或者输出电压较高的场合，单纯依靠 并联变换器并不能满足高性能的系统要求，这种情况下，模块变换器的其他组合 方式就显示了优势，这就是本文研究的模块组合方案。 1 2 模块组合变换器拓扑 多电平技术与模块并联技术在一定程度上的局限性，给其他模块化组合变换 器的发展提供了历史机遇。变换器的组合方式有输入串联输出串联、输入串联输 出并联、输入并联输出并联、输入并联输出串联四种基本结构。本文主要研究输 入并联输出串联与输入串联输出并联的模块化组合变换器。这两种变换器的特点 是输入或者输出并联却不需要分散式控制、环链式控制、主从式控制所必须的并 浙江大学博士学位论文第一章 联均流母线，也不需要集中式控制的均流控制器以及无线式控制所需要进行复杂 的功率计算；输出或者输入按照一定的方式串联可以实现多电平变换器的功率管 耐压大大减小的优点，但是并不需要像多电平变换器那样随着电平数增多有着功 率器件大大增加、系统结构更加复杂、有源器件的控制也是非常繁杂等缺点。 输入输出隔离型直流变换器按照所用开关管的数量来分类。典型单管有正激 变换器，反激变换器。双管变换器有双管正激变换器，双管反激变换器，推挽与 半桥变换器四种。四管有全桥变换器。下面简要分析一下几种主要的隔离型直流 变换电路拓扑族。 1 2 1 正激变换器基本电路拓扑 1 5 ，2 3 3 3 正激变换器与全桥变换器有着各自的优点，它们分别在自己的领域里都有 广泛的应用。目前国内外对正激和全桥直流变换器研究较多，本文也主要研究基 图i 2 岛c d 复位正澈变换器的主电路 r r t 1 d 3 q 1 图1 3l c d 复位正激变换器的主电路 图1 4 有源箝位正激变换器的主电路图i5自然谐振复位的正激变换器的主电路 r 于这两种变换器的拓扑。 图1 2 1 5 是四种基本的单管正激变换器的主电路。这几种单管正激变换 器由于复位方式不同，各有特点。图1 2 利用激磁电感与c s 谐振产生反向磁化 电流复位，工作原理比较简单。但是磁化能量消耗在电阻中，导致效率降低，并 且主开关管工作在硬丌关状态。图1 3 所示的l c d 复位法克服了r c d 效率低的缺 点，把磁化能量经过无损通路回馈电源，并且适当工作可以吸收漏感能量，实现 r 浙江大学博士学位论文第一章 零电压开通。但是r c d 复位变换器的其他缺点还存在于基于l c o 复位的正激变换 器中。 图1 4 的有源筘位电路为磁化与漏感能量提供了无损的循环通道，但是电路 中循环能量较大，需要外部电感或者变压器加气隙来增加循环能量实现变压器复 位。当开关频率大于5 0 0 k h z 后，变压器就不再需要复位绕组或者复位电路，磁 化电感与功率器件间的寄生电容就可以实现磁通复位，如图1 5 所示。该电路消 除了复位绕组，电路简单，但是变压器复位与功率器件的寄生参数密切相关，设 计不便。而且谐振频率较低时，最大占空比不高，谐振频率较高时，开关上的电 压应力高。 从上面单管正激变换器电路分析可以看出，单管正激变换器电路结构简单， 但是主开关的电压应力比较大，不适合用在输出电压较高的场合。传统双管正激 变换电路解决了单管正激变换器电路的开关管电压应力较高的问题，但是其变压 器的复位电压等于输入电压。考虑到激磁电感的伏秒平衡，导通占空比d 必须小 于0 5 。为了获得相同的输出电压，必须提高变压器的变比，提高变比后，一个 明显的问题是开关管电压应力变高以及副边整流二极管的反向恢复较大。 t斟1 d 1l 1 酬 图1 6 传统双管正激变换器的主电路 图17 有源箝位双管正激变换器的主电路 图1 8 谐振复位职管正激变换器的主电路图1 9r c d 复位顾管正激变换器的主电路 为了改善变换器的性能，出现了基于各种复位方式的双管j 下激变换器 3 4 ， 3 5 。图1 6 图1 9 是四种有着复位功能的双管正激变换器。这些双管正激变 换器的性能虽然得到了改善，但是复位方式仍然具有图1 2 1 3 所示的复位方 式的缺点。 浙江大学博士学位论文 第一章 1 2 2 全桥变换器基本电路拓扑 3 6 4 6 图1 ：1 0 与图1 1 1 给出了四种基本的变压器副边整流电路和两种基本的全桥 ( a )( b )(c)【d) 固】1 0 四种基本的输出整流电路 变换器原边电路结构。当开关管的电压和电流定额相同时四管全桥变换器的输出 功率是双管隔离型变换器的两倍，是单管隔离变换器的四倍。因此全桥直流变换 器在直流变换器中的功率是最大，在高压大功率场合得到了广泛的应用。全桥移 相变换器拓扑自出现以来，因有着下列优点而受到普遍关注与广泛研究： a ) 带隔直电容的z v s 全桥变换器( b jz c s 全侪变换器 图1 1 1 两种基本的全桥变换器 ( 1 )充分利用电路中的寄生参数( 开关管的寄生电容和变压器的漏感) ， 实现有源开关器件的零电压开关。 ( 2 ) 功率拓扑结构简单。和硬开关d c d c 变换器一样，无需任何辅助开 关元件。 ( 3 ) 移相式控制电路简单。 ( 4 )输入输出隔离，电压增益范围较大。 ( 5 )容易输出较大功率。 全桥移相电路具有以上优点，也依然存在着下面的缺点： ( 1 )占空比丢失： ( 2 )变压器原边串联电感( 或者变压器漏感) 和副边整流二极管的寄生 电容发生振荡导致变压器副边整流二极管电压应力很高，反向恢复严重。 ( 3 ) 实现零电压丌关的条件只能在一定的负载范围内满足。 浙江大学博士学位论文 第一章 针对移相全桥变换器的缺点，出现了很多基于全桥电路的改进电路。这些改 进电路在一定程度上改善了移相全桥变换电路的一些缺点，但是并没有脱离全桥 变换电路的基本结构，因此很难从根本上消除全桥电路的一些缺点。 i 2 3组合型直流变换电路基本拓扑 1 5 ，2 7 ，4 7 5 4 3 由于不论是正激变换器还是全桥变换器，其拓扑本身的缺点不能通过改进电 路来克服。通过适当的组合来克服单个变换器本身不能克服的一些缺点，改善变 换器的性能，这就是模块组合变换器的基本思想。 在一些使用三相功率因数校正的大功率场合，有时三相功率因数校正电路 的输出电压高达7 5 0 8 0 0 v 。这时如果要采用m o s f e t 器件提高系统的开关频率， 就必须考虑降低开关管的电压，因此出现了在输入端串联的三电平直流变换器。 图1 1 2 一图1 1 4 是三种基本的三电平直流变换器 4 3 ，5 5 5 8 。 耪 i 三 苫峰 茜恕审u 图i1 4 基_ f 双变肚器的双正澈二三电、f 直流变换器 图i1 5 存输出电容侧串联的双i f 激直流盘换器 6 浙江大学博士学位论文 第一章 v i n 毒黻爵翰 ct ； ) d 碎却 兰琦臣 8 、，i n 毒黼衙 懈c t ) d 碎却 ql拙厂妒it l o 卜_ 1 _ jr 8 d4j铂 圈1 1 6 在输出撼渡电感耦合型的的双正激变换器 图1 1 7 在输出续流二极管侧并联的双正激变换器 上面图中的三电平直流变换器都是在输入端串联，输出端并联构成的。这三种最 基本的三电平直流变换器，即由半桥式直流变换器或者由两个双正激直流变换器 在输入端串联起来形成的三电平直流变换器。这种变换器的基本特点是开关管的 关断电压只有输入电压的一半，输入端的直流滤波电容容量较大，分别承担一半 的输入电压。图1 1 3 所示的三电平直流变换器的主电路控制不需要加均压控制 电路，而采用如图1 1 4 所示基于双变压器的双正激直流变换器需要加均压电路。 图1 1 5 一图1 7 是三种基本的正激变换器组合电路，这几种变换器可以降低输入 端开关管的电流应力。为了能够输出更大的功率，并且在中高电压时降低功率管 的额定电压，相比于半桥或者正激变换器，全桥变换器的模块电路是一种很好的 选择。 在通信电源中，要求将2 0 0 v 、4 0 0 v 直流电变为1 2 v ，4 8 v 的直流电：在航空 电源中把2 7 v 直流电变为2 0 0 v 或者4 0 0 v 的直流电；不白j 断电源中将1 2 v ，2 4 v 。4 8 v 变为3 6 0 v ，7 2 0 v 的直流电。这些电力电子装置中，由于输入输出电压增益较大， 当要求输出功率较大时，低电压端电流应力很高；高电压端的电压应力很高，单 靠一台变换器很难获得较好的性能，使用模块化组合变换器是一种很好的选择。 为了同时解决输入大电流，与输出高电压以及输入高电压输出大电流的问 题，本文主要选取移相全桥变换器以及双管正激变换器作为基本单元，研究了输 入并联输出串联以及输入串联输出并联的模块组合变换器。 1 3 选题的意义以及本文完成的主要工作 1 3 1 选题的意义 中高压电源在豳防，通信，工业生产，只常生活中育着广泛的应用。不断 浙江大学博士学位论文 第一章 提高的可靠性与与绿色性能使中高压电源日益受到广泛的关注。多电平功率变 换器与并联技术在中高压大功率场合的研究取得了一定的成果。随着多电平变 换器电平数的增多，电路拓扑与控制复杂，多电平变换器可靠性下降。并联技 术由于存在均流控制器造成的可靠性隐患以及复杂数字控制的高成本等问题， 在一些场合，并不是很好的选择方案。因此，寻求一种电路拓扑，它同时具有 多电平变换器与并联变换器的优点而克服其弊端，是一个有意义的工作。希望 新的电路拓扑具有下列优点：适合于中高压大功率场合；输入端与输出端通过 不同结构按模块组合但是没有均流控制器及复杂的软件计算；系统功率器件的 电压等级与组合变换器的模块数目成反比，但是不存在动态均压问题。 为了寻求一种主电路结构简洁，控制简单的电路结构。本文研究了输入端 并联输出端串联与输入端串联输出端并联的模块化组合直流变换器。这两种变 换器用高频变压器将低压输入端与高压输出端隔离开来，因此安全性好；高频 变压器低压端将n 组全桥( 正激等) 电路并联( 串联) 组合，每组变换器的功 率只是总的输出功率的1 n ，因此可以方便地扩大系统容量：输入端并联输出 端串联组合变换器在变压器副边高压输出端串联，因此输出整流二极管或者续 流二极管的电压应力低，可靠性高；输入端串联输出端并联结构的变换器输入 端开关管电压应力低，可靠性高；每组变换器单元的驱动脉冲相位互相交错， 因此输入输出电流脉动频率增加，输入输出滤波器的体积小。磁芯损耗低，功 率器件的电流应力低；由于整个系统是组合结构，电路简洁，所以可维护性好； 由于不需要软件或者硬件对各模块的进行均流处理，抛开了昂贵的高速微控制 器，因此经济性好。另外本文提出的在功率变换器的串联端共用一个输出滤波 电感的电路结构对于提高模块组合功率变换器的功率密度有相当大的作用。 目前中高压电源在很多部门的需求量很大，但是现在国内的大多数中高压 大功率电源采用传统电路结构，选用额定电压值很高的功率器件，这样电源系 统的功率器件反向恢复严重，电流与电压尖峰大，电磁干扰严重，可靠性低， 效率不高。因此研究模块化组合功率变换器，有很大的现实意义与实用价值， 将会对国家众多部门产生广泛的影响。电力电子系统集成的一个主要内容，也 是标准模块组合方式，因此也是电力电子前沿方向课题。 作者在论文即将成稿之际，分别与美国电力电子系统中心( c p e s ) 、美国 艾默生网络能源有限公司、美国v i c o r 公司的一些d c d c 变换器专家就最新 的d c d c 变换器产品及学术界研究成果进行了讨论。让作者感到欣慰的是， 本文的一些结论与一些最新最耀眼的d c d c 产品的特性相似，也给研究下一 代d c d c 变换器的工程师提供了参考思路。 浙江大学博士学位论文 第一章 1 3 2本文完成的主要工作 本文采用理论分析，计算机仿真和实验验证的方法深入研究了两种输入端 并联输出端串联以及一种输入端串联输出端并联的模块化d c d c 组合变换器及 其控制策略。并以航空电源与不间断电源为对象，把本文的研究成果在其中做 了应用实验。 论文的工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 研究了输入端并联输出端对称串联的模块化d c d c 组合变换器。对 基于两模块、三模块、四模块全桥整流型组合式d c d c 变换器进行了仿真、分 析、实验。对于这种电路结构，结合交错控制技术，详细的分析了这种变换器 的特点，控制策略，总结了这种变换器的规律。 ( 2 ) 研究了一种新型的模块化组合结构，即不对称串联的模块化组合变 换器。分别选用全桥整流型和全波整流型的全桥变换器、双管正激型变换器为 模块单元，进行了分析、仿真与实验。总结了输入端并联输出端不对称串联的 模块化组合变换器的特点与规律。 ( 3 ) 研究了输入端串联输出端并联的模块化组合变换器。以两模块、三 模块全桥型模块化组合变换器为对象，分析了新型的基于共同占空比控制方案 的输入端串联输出端并联模块化直流功率变换器的特点与规律。 ( 4 ) 针对组合变换器的控制，研究了一种新型的控制策略。 ( 5 ) 研究了三种不同模块单元的参数差异对于系统性能的影响。 ( 6 ) 针对不问断电源与航空静止变流器，研究了模块组合变换器在其中 的应用。 本文主要内容安排如下： 第一章介绍了输入并联输出串并联的模块化组合功率变换器的历史发展 机遇，相关主电路拓扑和控制策略的研究概况，本文的研究意义以及研究内容。 第二章研究了输入端并联输出端对称串联的模块化组合变换器。文章以 输出端全桥整流型全桥变换器作为模块单元进行研究。首先分析了移相全桥变 换器的工作模式和设计需要特别注意的几个因素。然后，在此基础上研究了两 模块，三模块，四模块输入端并联输出端对称串联的模块化组合变换器。文章 详细地分析了这种模块组合式全桥变换器的电路特点，给出了控制策略方案 总结了这种模块组合变换器的优点和规律。 第三章研究了输入端并联输出端不对称串联的模块化组合变换器。首先， 以输出端全波整流和全桥整流型的全桥变换器为基本模块单元，分析了输入端 9 浙江大学博士学位论文第一章 并联输出端不对称串联的模块化变换器的特点。为了与第二章的输入端并联输 出端对称串联的模块组合变换器进行对比，接着，研究了以输出端全波整流型 全桥变换器为基本模块单元的输入端并联输出端对称串联的模块组合变换器。 然后，研究了四模块组合式双管正激变换器在输入端并联输出端对称串联与不 对称串联时的特性。通过上面三组不同电路结构的对比，总结了输入端并联输 出端对称串联与不对称串联时的各模块的功率器件的电压应力和电流应力、磁 性元件数量、输入电流脉动频率、滤波电感电流脉动频率及幅值等特点，总结 了这两种结构方式的特点与规律。最后，采用基于等效能量贡献控制方案降阶 设计模块组合式功率变换器的控制系统。 第四章研究了输入端串联输出端并联模块化组合变换器。为了简化控制 电路，提高系统的可靠性，本文研究了基于共同占空比控制方案的输入端串联 输出端并联模块化直流变换器。文章对两模块组合、三模块组合变换器进行了 实验。最后提出了一个完全模块化的直流变换器的系统结构图。 第五章研究了模块元件参数差异对于系统性能的影响。首先，分析了模 块元件参数差异与系统性能的关系；然后分别研究了移相全桥模块、推挽正激 模块、双管正激模块参数差异对于系统的影响，验证了本文的模块化技术有较 强的鲁棒性。 第六章研究了模块组合d c d c 变换器的应用技术。首先，针对航空静止 变流器应用场合，研究了交错并联结构的两模块组合式双管正激变换器。其次， 在模块式不间断电源项目中，研究了输入端并联输出端串联的全桥变换器。 第七章对全文工作做了总结以及展望。 浙江大学博士学位论文第二章 第二章输入端并联输出端对称串联模块化全桥 变换器 d c - - d c 变换器在家用电器、工业控制、通信、国防、交通等领域都有着广 泛的应用。它作为独立电源，或者是其他开关电源的一部分，正朝着高频化，高 功率密度，大容量化的方向发展，其效率与可靠性也越来越高。 - ( ) 图2 i 全桥变换器主电路拓扑原理图 撕田 叵t i p 吃。 矿。， 口盛 0 t of lt 2t 3 f j1 6 1 7 t s1 9f i of l it 图2 2 全桥变换器主电路土要t 作波形 在d c d c 变换器中，b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、f o r w a r d 和f l y b a c k 等单管构成的电路般应用于中小功率场合。而在中大功率场合，一般采用全桥 o 浙江大学博上学位论文 第二章 变换器。全桥变换器是d c d c 变换器中最常用的电路拓扑之一，在中大功率 场合更是首选的拓扑【1 0 ，2 4 ，3 5 ，5 9 6 6 1 。 2 1 移相全桥变换器的工作特性 设计移相全桥变换器时需要特别考虑以下方面【6 7 】。 2 1 1占空比丢失 由于移相全桥变换器在换流过程需要一定的时间，在这段时间里，原边电 流不足以提供负载电流，副边整流二极管全部导通，输出电压为零，这样就丢失 了一部分的方波电压，如图2 2 所示。这段时间的占空比丢失d 帆为： = 篷笋z 掣竽 晓。 厶2 1 矿 图2 ，3占空比丢失髓开关频率和变雁器满感的变化曲线 i p ( t 3 ) 和i p ( t s ) 是图2 2 中t 3 、t 5 时刻变换器变压器原边电流值。图2 3 反映了输入 电压v i n = 2 4 v 瑜出电压v o = 2 0 0 v , 输出电流1 0 = 2 a 时，占空比丢失随开关频率和 变压器漏感变化而变化的曲线。从图2 3 可以清楚的看出占空比丢失随着开关频 率、变压器漏感的升高而逐渐变大：为了得到要求的输出电压，有效占空比的降 低，使得变压器副边对于原边的匝比就要提高，这样会带来两个问题：1 ) 原边 电流增加，开关管的电流峰值增加，通念损耗增大；2 ) 副边整流桥的耐压值增 加。 浙江丈学博士学位论文第二章 2 1 2滞后桥臂实现z v s 滞后桥臂实现z v s 比较困难。这是因为在滞后桥臂开关过程中，实现z v s 的能量只是谐振电感的能量，如果不满足2 2 式与2 3 式的能量不等式，就不能 实现z v s s 8 ，6 8 ，6 9 i 。z , r z ：2 q 2 + 圭g 2 厶 生 h ( 2 2 ) + 孚( 1 一功 一下a i ( 2 却 图2 4 反映了输出电感l = 6 0 0 1 a h ，开关频率f = 5 0 k h z , 输入电压n _ 2 4 v 瀚出 电压v 0 = 2 0 0 v , 变压器寄生电容c r = l n f , 变压器匝比n = l l 时，滞后臂实现z v s 时 的临界电流值与变压器漏感和开关管的输出电容的变化曲线。从图2 4 可以清楚 地看出，随着变压器漏感的减小，开关管输出电容的增加，滞后臂零电压开关的 临界电流值增加。 2 矿 图2 4 滞后臀实现z v s 时的临界电流值与变压器漏感和开关管的输出电容的变化曲线 2 1 3 开关频率的选择 提高系统的开关频率可以减小变压器的体积重量，但是开关频率的提高要受 到电路其他因素的制约。移相全桥变换电路必须满足下式【7 0 】： t 1 钞“鲁力 晓4 ， 片2 j 3 浙江大学博士学位论文 第二章 因此得到：，竺4 丘n 2 当l i i o 图2 5 反映了输出电感l = 6 0 0 肛h ，开关频率f = 5 0 k l - h ，输入电压v m = 2 4 v ：输出 电压v 0 = 2 0 0 v , 变压器匝比n = l l 时，开关频率随着变压器漏感和负载电流值改变 x1 0 2 图2 5开关频率随着变压器漏感和负载电流值改变而的变化曲线 而变化的曲线。从图2 5 可以清楚地看出，移相全桥变换器的开关频率随着变压 器漏感与负载电流的减小可以增加。同时也显示了，在一定工作条件下，变换器 开关频率上限的存在。 2 2 两模块组合式输入端并联输出端对称串联全桥变换器 近年来，很多研究工作致力于隔离型的d c d c 变换器具有下面的特性 4 0 。 7 1 7 7 ：1 ) 高的功率密度；2 ) 低的电磁干扰。为了提高变换器的功率密度，有 必要增加变换器的工作频率来减小变压器与滤波器的体积。然而增加开关频率会 增加开关损耗与增大电磁干扰。在高电压大功率场合，开关管与二极管的开通与 关断，引起的电流与电压的尖峰会造成功率器件的电流与电压应力增加，同时又 增加了开关损耗与电磁干扰。 在d c d c 二级变换方案中，如果输出电压定在8 0 0 v 左右，输出二极管电压 定额很高，当直流变换器的输出电压比较高时，变换器的整流电路设计比较困难。 这主要是因为当输出电压比较高时，对变压器副边二极管的耐压值提出了很高的 4 浙江大学博士学位论文第二章 ( a ) 输入串联输出串联 ( b 输入串联输出并联 ( c ) 输八并联输出并联( d ) 输入并联输出串联 图2 , 6 四种模块化组合变换器结构原理图 要求，特别是副边整流二极管存在很严重的反向恢复问题。当单个二极管的耐压 不够时，通常采取的措施是将两个或者多个二极管串联。但是二极管的串联必须 解决好均压问题，否则当串联二极管中的一个被击穿后，其他二极管由于承受电 压升高，也会很快被击穿，这样将引起连锁反应，造成严重后果。在高频功率变 换器中，二极管的均压并不是一件容易的事情，特别是二极管的反向恢复过程中， 在二极管上产生很高的反向电压尖峰。可以在二极管旁并联无感电容。而该电容 会与变压器的漏 感谐振产生振荡， 引起电磁干扰。为 了抑止振荡，可以 串联阻尼电阻在 电容支路中，但是 这样将产生功率 损耗，降低整个开 关电源系统的效 率 7 8 ，7 9 。 如果能够将 半导体的串联变 图272 模块组合变换器主l 乜路拓扑原理图 为电路的串联，这样每个半导体器件上的电压就会受到对应电路的限制，而多个 浙江大学培士学位论文 第二章 电路相对容易做到电压一致。这就是在副边串联型组合变换器的设计思想。本章 研究的输出端对称串联结构指的是各模块单元的输出端电路结构对称。 模块组合功率变换器主要有图2 6 所示的输入串联输出串联、输入串联输出 并联、输入并联输出并联、输入并联输出串联四种结构。这四种结构都有自己独 特的适用场合。因此本文主要研究如图2 6 ( d ) 与图2 6 ( b ) 所示的在输入端并 联输出端串联和输入串联输出端并联结构的模块组合交换器。 2 2 1两模块组合式移相全桥变换器的特点与工作原理 如图2 7 所示是一个 输入并联输出串联模块组 合变换器主电路拓扑。为 了分析组合变换器与单个 变换器电路的特性，列出 一个单个全桥变换器，如 图2 8 所示。在图2 7 中， 图2 _ g 模块组台移相全桥变换器单元电路结构 o q i q 8 是半导体开关管，d i d 8 是变压器副边整流二极管，c 5 、