（电力电子与电力传动专业论文）基于cuk变换器的高频隔离式三电平变换器研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t p a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so ft h et h r e e l e v e ld cc o n v e r t e ra n dt h e t h r e e 1 e v e la c a cc o n v e r t e r i tc o n c l u d et h a tt h et h r e e 1 e v e la c a cd i r e c tc o n v e r t e rh a s a d v a n t a g e so fl o w e rs w i t c hv o l t a g es t r e s s l o wh a r m o n i cc o n t e n t h i g hp o w e rd e n s i t ya n d b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w f r o mt h eb u c k b o o s tc o n v e r t e ra n df l y b a c kc o n v e r t e r t h er u l eo f t r a n s f o r m i n gn o n i s o l a t e dc o n v e r t e r st oc o r r e s p o n d i n gi s o l a t e dc o n v e r t e r sw a sd e r i v e d s oa f a m i l yo fi s o l a t e dh i g h f r e q u e n c yt h r e e l e v e ld c d cc o n v e r t e rt o p o l o g i e sa n daf a m i l yo f i s o l a t e dh i g h f r e q u e n c yt h r e e l e v e la c a cc o n v e r t e rt o p o l o g i e sa r ep r o p o s e da p p l y i n g t h r e e l e v e lt e c h n o l o g y t h ei s o l a t e dc u kt h r e e l e v e la c a cc o n v e r t e rt o p o l o g yi sc o n s i s t so f t w oi s o l a t e dc u kc o n v e r t e r sc o m b i n e d u s i n gt h ea cs w i t c hu n i ti n s t e a do fs i n g l es w i t c ht o a c h i v ea cc h o p p i n g b yw h i c h a l lu n s t a b l ep o w e rg r i dv o l t a g ec o u l db et r a n s f o r m e di n t oa l l s t a b l ea n da d j u s t a b l es i n u s o i d a la l t e r n a t i n gc u r r e n t p a p e rr e s e a r c ht h ei s o l a t e d c u kt h r e e l e v e la c a cc o n v e r t e ri nd e t a i l i tf o c u so n t o p o l o g yd e r i v a t i o np r o c e s s o p e r a t i o n a lm o d a la n a l y s i s i n p u t o u t p u tr e l a t i o n sa n dt h e w o r k i n gp r i n c i p l e b e s i d e s t r a n s i e n tv o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yw i t hh i g hf r e q u e n c y a cc h o p p i n gw a sd e v e l o p e d b ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni ns a b e rs o f t w a r e t h ec o r r e c t n e s s o fo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e nv e r i f i e d t h ep a r a m e t e r so ft h e m a i nc o m p o n e n t sa r eo p t i m i z e d w h i c hp r e p a r ef o r t h ee x p e r i m e n ts a m p l ep r o d u c t i o n f i n a l l y t h ea r t i c l ed e s c r i b e st h ep r o c e s s o fp a r a m e t e rd e s i g n i n g c i r c u i tm a k i n ga n d d e b u g g i n g b yr e s i s t i v ef u l ll o a d i n d u c t i v el o a da n dc a p a c i t i v el o a dt e s t s r e s u l t ss h o wt h a t t h ec o n v e r t e rh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e w h i c hh a sm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d h i g h f r e q u e n c yi s o l a t e dt r a n s f o r m e r c o n v e r t e rt o p o l o g y t h r e e l e v e l a c a c c o n v e r t e r c u kc o n v e r t e r i i 硕士论文 基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 图表目录 图1 1 多电平交 直 交变换器 2 图1 2 三电平矩阵变换器 2 图1 3 级联型三电平矩阵变换器结构 3 图2 1 b u c k b o o s t 变换器和反激式f l y b a c k 变换器 5 图2 2 隔离式s e p i c 变换器拓扑 5 图2 3 隔离式z e t a 变换器拓扑 6 图2 4 隔离式c u k 变换器拓扑 6 图2 5 一族高频隔离式三电平直流变换器拓扑 8 图2 6 交交直接变换器开关单元 8 图2 7 一族高频隔离式三电平交 交变换器拓扑 9 图3 1c u k 变换器拓扑 1 2 图3 2c u k 型三电平直流变换器拓扑 1 3 图3 4c u k 型高频隔离式三电平直流变换器拓扑 1 5 图3 5 占空比d 小于o 5 时主要工作波形 1 6 图3 6 占空比d 小于0 5 时一个周期内电流流向图 1 7 图3 7d 小于o 5 时主要工作波形 2 0 图3 8d 大于0 5 时一个周期内电流流向图 2 1 图3 9 输出滤波电感电流 2 4 图3 1 0 开关控制波形及关断电压波形 2 5 图3 1 l 输出电压波形 2 6 图3 1 2 储能电感 j 厶电流波形 2 6 图3 1 3 耦合电容o q 波形 2 6 图3 1 5 耦合电容o o 波形 2 7 图3 1 6 电感 j 厶上的电压 2 7 图4 1c u k 型高频隔离式三电平交 交变换器拓扑 2 8 图4 2 工作模态a 时一个开关周期内开关模态图 3 1 图4 3 工作模态b 时一个开关周期内开关模态图 3 2 图4 4c u k 型高频隔离式三电平交 交变换器控制电路框图 3 4 图4 5 绝对值采样电路 3 4 图4 6 控制电路主要波形图 3 5 v 图表目录硕士论文 图4 7 空载仿真主要波形图 3 9 图4 8 阻性满载时输出电压u d 和输出电流i o x 2 0 4 0 图4 9 感性负载时输出电压u d 和输出电流i o x 2 0 4 1 图4 1 0 容性负载时输出电压 和输出电流i o x 2 0 4 1 图4 1 1 干扰输入下的空载输出波形 4 2 图5 1 实验样机系统框图结构 4 3 图5 2c u k 型高频隔离式三电平交 交变换器功率电路 4 4 图5 3 与电网电压同相位的基准正弦半波原理框图 4 9 图5 4 绝对值采样电路 5 0 图5 5 误差比较及修正电路 5 0 图5 6 三角波发生电路 5 1 图5 7 控制信号生成电路 5 2 图5 8 隔离驱动电路 5 2 图5 9 控制电路调试波形 5 5 图5 1 0 空载实验波形 5 8 图5 1 l 阻性满载实验波形 5 9 图5 1 2 感性负载实验波形 c o s 9 0 7 5 5 9 图5 1 3 容性负载实验波形 c o s i o 0 7 5 5 9 v i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本学 位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明 研究生签名 孙年6 月 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送交并授权 其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 荣砼 硝年6 月 7 日 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 1 绪论 1 1 三电平直流交换器的发展与应用 目前电力电子变换器广泛应用于电能变换 电力拖动 电能质量控制等领域 随着 变换器技术深入的研究 其容量 电压等级不断扩大 逐步向高压大功率领域发展 因 而对器件的性能要求更为严格 三电平技术最早出现在日本a k i r an a b a e 等人于i e e e 工业应用年会上提出的中点箝位逆变器中 1 1 与传统两电平技术相比 其输出电压谐波 含量大幅降低 每只开关管的电压应力降为原来的一半 更适合于高压大功率领域的应 用 三电平直流变换器是建立在三电平逆变器的基础上发展起来的 它具有降低开关管 电压应力 减小输入输出滤波器等优点 不仅可以广泛应用于通信电源 功率因数校正 变换器中 还可以应用于船舶 电力机车牵引 城市轨道交通等高电压场合和低压大电 流场创2 1 1 9 9 2 年m e y n a r dta 和f o c hh 提出了飞跨电容箝位三电平逆变器 同时 也提出了几种非隔离的飞跨电容型三电平直流变换器 3 后来众多学者纷纷加入研究 先后提出各种拓扑的三电平变换器 其中一类是非隔离型三电平变换器 包括b u c k b o o s t b u c k b o o s t c u k s e p i c z e t a 型等非隔离三电平变换器 该类型变换器除了可 以降低开关管的电压应力 还可以大大减小储能元件的大小 减小变换器的体积和重量 同时提高变换器的动态响应速度 另一类是隔离型三电平变换器 包括基于正激 4 反 激 5 推挽 6 和半桥的三电平变换器 7 1 这类变换器明显优势是具有电气隔离功能 同 时也降低了开关管的电压应力 不过因为只有一个分压电容供电 从变压器副边的输出 滤波器两端看 电压波形依然为两电平 不能减小输出滤波器的大小 全桥式三电平变 换器和复合全桥式三电平变换器 8 9 也是属于隔离型的 它有两个分压电容供电 变压 器输出端可以得到三种电平 减小输出滤波器体积 1 2 多电平交流变换器的发展与应用 1 2 1 多电平交 直 交型变换器 为了将交 直 交变换器应用于高压输入 输出变换场合 出现了多电平交 直 交变 换技术 多电平交 直 交变换器结构由多电平整流变换器 1 0 1 q 和直流环节储能元件 多 电平逆变器 1 2 1 6 级联而成 如图1 1 所示 显然 该类变换器的基础是多电平整流变换 器和多电平逆变器 多电平逆变器主要有二极管箝位型 飞跨电容箝位型 具有独立直 流电源的级联型 其中二极管箝位型和飞跨电容箝位型多电平逆变器多以半桥电路为基 础 应用与高输入电压大功率场合 具有独立直流电源的级联型多电平逆变器多以全桥 l 绪论 硕士论文 电路为基础 应用于低输入 高输出电压大功率场合 l 多电平直流多电平 ba c d c 储能 d c a c 弋 变换器元件 变换器 图1 1 多电平交一直一交变换器 该类型变换器广泛应用于高压大电流交交变换领域 是目前交交变换中技术较成熟 的一类 不过这种变换器具有中间直流环节 电路拓扑和控制都比较复杂 1 2 2 多电平矩阵a c a c 变换器 矩阵变换器是一种新型的交 交电源变换器 可实现交流电相数 相位 幅值 频 率的变换 和传统的变换器相比 具有明显的优势 无需中间直流储能环节 能够四象 限运行 具有优良的输入电流波形和输出电压波形 可自由控制功率因数等 多电平技 术应用于矩阵变换器中 可用低电压等级的功率器件实现高压a c a c 电能变换 同时 用较多的电平数去逼近希望的输出波形 大大改善输出波形质量 降低变换器的开关频 率和开关损耗 三电平直接矩阵变换器电路拓扑及其开关单元如图1 2 所示 1 9 1 该电路是由九个 4 象限开关单元组成的3 x 3 开关矩阵 与全桥逆变器结构类似 每个单元由四个功率开 关管i g b t 四个续流二极管 一个箝位电容构成 其内部器件的电压被箝位到一个恒 定的箝位电容电压玩上 从而减少了开关管的电压应力 通过控制开关管的通断 可 得到四种对应的状态 三个有效状态 即输出端a a 相两端拥有三种电平 0 阢 其中第四种状态为所有开关均截止 2 图1 2 三电平矩阵变换器 级联型多电平矩阵式a c a c 变换器电路如图1 3 扯翻 该电路采用副边多路输出的 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 隔离变压器对n 个三相 单相矩阵变换单元分别供电 将各级参考波依次后移一定的相 位 接着采用间接变换法对n 个基本变换单元分别独立控制 得到同频不同相的各级输 出电压 最后将n 个基本单元的输出进行级联式叠加 实现高压大功率 频率可控的交 交直接变换技术 r a 厂y r r l 争卜厂r r n 一 c r r n n j 图1 3 级联型三电平矩阵变换器结构 1 2 3 多电平脉宽调制a c a c 斩波器 脉宽调制a c a c 斩波器包括b u c k b o o s t b u c kb o o s t c u k s e p i c z e t a 型交流 斩波器 2 0 0 8 年 南京航空航天大学洪峰等人研究了b u c k 型a c a c 直接变换器 2 3 b o o s t 型a c a c 直接变换器 和b u c k b o o s t 型a c a c 直接变换器 2 5 1 基于三电平直流变换器 拓扑 用反向串联的开关管替代原有的开关和二极管 使其具有双向阻断功能 配合适 当的控制 可得到对应的三电平交流斩波器 目前关于三电平脉宽调制交流斩波器的研 究还不多见 2 0 0 3 年西安交通大学的石勇等人提出了一种无中间直流环节的b u c k 式三 电平交一交变换器 2 昏2 9 1 该变换器拓扑简洁 单级功率变换 低频交流l f a c 一低频交流 l f a c 双向功率流 输出滤波器前端电压频谱特性好 适用于高压大容量交一交变换 场合 2 0 0 9 年南京理工大学唐栋材 仲庆龙等人研究了组合式多电平a c a c 变换器r s 0 3 2 和z e t a 式多电平交一交直接变换器 3 3 3 4 1 将多电平技术应用于脉宽调制交交斩波器中 变换器除具有b u c k 式三电平交一交变换器的一般优点外 还可升降压变换 调压范围更 加广泛 1 3 课题研究内容及研究意义 1 3 1 课题研究主要内容 论文选题是基于国家自然科学基金资助项目 5 0 6 0 7 0 0 8 交 交型多电平a c a c 变 换器原理研究和江苏省自然科学基金资助项目 b k 2 0 0 9 3 8 9 组合式多电平交 交直接变 换器的机理研究 在了解了三电平交交变换器的现有研究状况后 提出了一种新型的隔 3 l 绪论 硕士论文 离式三电平交 交直接变换器 论文第二章先从b u c k b o o s t 变换器和反激式f l y b a c k 变换器着手 寻找隔离式变换 器的特点 推出一族高频隔离式直流变换器拓扑 一族高频隔离式三电平直流变换器拓 扑以及一族高频隔离式三电平交交变换器拓扑 论文第三章以c u k 电路为原型 详细介绍了c u k 型高频隔离式三电平直流变换器 拓扑推导过程 理论上分析了该变换器的工作原理和基本关系式 设计了变换器主要器 件参数以及控制电路 最后对变换器进行了仿真 从而验证了理论分析的正确性 论文第四章主要是对c u k 型高频隔离式三电平交 交变换器的研究 第四章先对交 流变换器进行工作模态分析 理论分析其工作原理及基本关系式 建立了电压瞬时值反 馈控制策略 设计了功率电路主要器件的参数 然后对变换器进行了空载 阻性满载 感性负载 容性负载仿真测试 为原理样机的带载实验奠定基础 论文第五章详细介绍了c u k 型高频隔离式三电平交 交变换器实验样机的器件选型 和样机制作过程 加电测试了实验样机的空载和带载情况 并对实验结果进行了分析和 总结 1 3 2 课题研究意义 目前电力系统中存在着大量非线性的供用电设备 这些设备向电网注入谐波电流或 谐波电压 使得正弦波形发生畸变 另外随着电力电子装置应用日益广泛 特别是各种 非线性和时变的负载设备大量涌现 电网电源污染严重 电压出现波动闪变 浪涌冲击 暂态欠压 波形失真等 这要求电力设备电源具有调压稳压功能 对于大功率的场合还 要求电气隔离 目前普遍的解决措施是采用u p s 改善波形质量 u p s 通常都是采用 a c d c a c 变换方式 电路复杂 成本高 体积大 3 5 37 1 因此 研究体积小 质量轻 响应速度快且具有电气隔离功能的交流调压 稳压开关电源具有广泛的应用前景 论文 研究的正是这样一种高功率密度的可应用于高压大电流场合的交交直接变换器 4 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平交换器研究 2 高频隔离式三电平变换器拓扑族推导 2 i 一族高频隔离式直流变换器拓扑 在高电压大负载场合 考虑到人身安全问题 实际应用中要求电能变换器输入输出 侧最好能电气隔离 在高频p w m 变换器中加入隔离变压器 称为隔离式p w m 变换器 加入隔离变压器的目的有 1 隔离 将电源和负载两边的直流系统之间绝缘 负载侧 为不接地系统 杂波干扰小 2 改变输出 输入的电压变比 隔离式p w m 变换器有单 端和双端两种 单端隔离式p w m 变换器在一个开关周期瓦内输入的电能从变压器初级 绕组的一端流入 变压器的磁芯只能单向磁化 不能被充分利用 双端隔离式p w m 变 换器在一个开关周期内 电能可以从隔离变压器初级绕组的一端和另一端交替输入 变 压器磁芯被双向磁化 考察b u c k b o o s t 变换器和反激式f l y b a c k 变换器 3 8 3 9 如图2 1 dd b u c k b o o s t f l y b a c k 图2 1b u c k b o o s t 变换器和反激式f l y b a c k 变换器 可以发现b u c k b o o s t 变换器的能量传递元件是电路中的并联电感厶若用隔离变压 器代替之 即反激式f l y b a c k 变换器 这样就实现了基本p w m 变换器到隔离式p w m 变换器的变换 同理 s c p i c z e t a 电路的能量传递元件也是电路中的并联电感 可作类 似的变换得到隔离式s c p i c 变换器和隔离式z e t a 变换器 如图2 2 和图2 3 s e p i c i s o l a t e ds e p i c 图2 2 隔离式s e p i c 变换器拓扑 5 2 高频隔离式三电平变换器拓扑族推导硕士论文 卜厶卜 s 刊 rl 一 羽 l z z e t ai s o l a t e dz e t a 图2 3 隔离式z e t a 变换器拓扑 c u k 电路虽然没有并联电感 但它的能量传递元件是中间的耦合电容 c u k 电路的 第一级是升压变压器 隔离变压器的一次侧应置于升压电感与开关管以及升压二极管的 结点处 由于c u k 电路的升压二极管和开关管之间加入了耦合电容器 因此c u k 电路 的隔离点正好在耦合电容器中间 因此隔离式c u k 变换器的构成方法为 将c u k 电路 的耦合电容器分为两个 在两个耦合电容之间插入隔离变压器 具体如图2 4 所示 州5 1 阿i 谓 c u k i s o l a t e dc u k 图2 4 隔离式c u k 变换器拓扑 上述隔离式c u l 变换器开关导通时 续流二极管反偏截止 输入电压玢给电感 充电存储能量 耦合电容释放储能 变压器则释放励磁能量 反向磁化 开关关断时 续流二极管正偏导通 输入电压k 以及电感三j 中存储的能量给耦合电容c 充电 变压 器正向励磁 通过副边能量传送至耦合电容o 电感厶经二极管续流 该电路结构中 变压器磁芯可以在第一象限和第三象限工作 磁芯可以得到充分利用 变压器的一 二 次侧与连接的电路处串联电容器 无直流电流通过 磁芯无须加气隙 也无须另加磁复 位措施 开关开通和关断时都有能量从变压器原边向副边传送 效率高 2 2 一族高频隔离式三电平直流变换器拓扑 三电平直流变换器主要分为二极管钳位型和级联型两类 其主要优点有 开关管和 二极管的电压应力是其对应传统两电平变换器的一半 输出滤波器前端的输出电压频谱 结构较好 大大减小储能元件如滤波电感 滤波电容和中间储能电容的大小 对应于b u c k b o o s t s e p i c z e t a c u k 变换器 其三电平变换器拓扑已有学者做过 研究 引7 下一章将以c u k 变换器为例推导 如若对其进行隔离变换 我们将得到一 族高频隔离三电平直流变换器拓扑 6 硕士论文 基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 a 反激式三电平直流变换器 1 1 l 丢 是 点 lg j s e p i c 型高频隔离式三电平直流变换器 j 一 z d l 1 c o 一 一 j z d 2 g 一 d 瑟t a 型高频隔离式三电平直流变换器 7 一圭 l 0 2 l0 阜n f j d c l l k 型高频隔离式三电平直流变换器 7 2 高频隔离式三电平变换器拓扑族推导 硕士论文 图2 5 一族高频隔离式三电平直流变换器拓扑 2 3 一族高频隔离式三电平交交变换器拓扑 交交直接变换器无中间直流环节 将某一幅值 频率的交流电直接变换成稳定可调 的优质正弦交流电 大大提高了变换器的功率密度 其输出波形质量高 受外界影响小 交交变换器的变换思想如下 4 8 首先将单向开关替换为双向阻断的开关管 然后单向流 通的二极管也替换成双向阻断的开关管 其中双向阻断开关管由两个全控器件反向串联 而成 例如两个场效应管共源极串联 如图2 6 d 寻一 图2 6 交交直接变换器开关单兀 单向开关替换为双向阻断开关管后 其控制变化为 交流输入电压正半周期内 常闭 斩控与原开关同步 交流输入电压负半周期内 常闭 斩控与原开关同步 单向流通的二极管替换为双向阻断开关管后 其控制变化为 交流输入电压正半周 期内 s b 常闭 原二极管d 正向导通时 闭合 二极管d 反向截止时 关断 交流输 入电压负半周期内 常闭 原二极管d 正向导通时 闭合 二极管d 反向截止时 关断 变换后的一族高频隔离式三电平交 交直接变换器拓扑如图2 7 所示 8 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 a 反激式三电平交 交变换器 i r j 1 囡匾 e 产 i j c d l 掣禹 一 l 寸 b s e p i c 型高频隔离式三电平交 交变换器 c 1z e t a 型高频隔离式三电平直流变换器 d c u k 型高频隔离式三电平交一交变换器 图2 7 一族高频隔离式三电平交一交变换器拓扑 9 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究 硕士论文 2 4 小结 论文第二章从b u c k b o o s t 变换器到反激式f l y b a c k 变换器的变换着手 寻找隔离式 变换器的特点 推出一族高频隔离式直流变换器拓扑 一族高频隔离式三电平直流变换 器拓扑以及一族高频隔离式三电平交交变换器拓扑 1 0 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究 3 1c u k 型直流变换器拓扑概述 c u k 变换器又称b o o s t b u c k 串联变换器 1 9 8 0 年左右 美国加州理工学院s l o b o d a n c u k 进行了一系列b o o s t b u c k 串并联的研究 不断的完善改进 最后完成了以他的名 字命名的变换器 简称c u k 交换器 4 9 1 图3 1 a 拓扑由前级升压变换器和后级降压变换器串联而成 假定图中函及 是同 步开通闭合的 那么研 d 功的功能可以用双刀双掷开关s 来替代实现 如图 3 1 b 所示 如果输出电压可以是反极性的 那么双刀双掷开关及并联电容器c 可以简 化为一个单刀双掷开关和一个串联电容o 即图3 1 c 最后即图3 1 c 简化为图3 1 d 卜旰 睨纠 1 a 刍 s t 生 广 一 1 b lr q t c 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究 硕士论文 圳 i州五 i 7门 d 图3 1c u k 变换器拓扑 设开关s 的开关周期为瓦 导通期为 旬瓦 截止期为 尹口 o 五 d t o t s 为 导通占空比 当进入稳态后有 t o 期间 开关s 导通 二极管d 反偏截止 输入电流 红j 使电感三 储能 电容c 的放电电流也使厶储能 且对负载供电 开关中流过输入 输出电流之和 砀期间 开关s 截止 二极管d 正偏而导通 电源k 和电感 j 的释 能电流屯 向电容c 充电 电感厶的释能电流也维持负载续流 流过二极管d 的电流 也是输入输出电流之和 由此可见 工作在输出电流连续状态时 c u k 变换器输入电流和输出电流不是脉动 的 而且增加电感三j 和幻的值 可使电流纹波值尽可能的小 砀期间 输入电流i l j 向电容c 充电储能 期间 电容c 向负载放电释能 因而电容c 是电路的能量传递 元件 电路的输入输出关系式为 n 玩 点u i 3 1 1 一工 d 开关管的s 的导通占空比 d 0 5 时 v o d o 5 时 u o 0 5 时 v o 为降压式 3 2c u k 型高频隔离式三电平直流变换器拓扑推导 随着电力电子技术的快速发展 开关型电源变换器不断向高电压 大电流领域发展 因而对变换器元器件的要求更为严格 尤其是电力开关管的电压应力 虽然近几年电力 电子器件的性能大幅提高 但是考虑到安全裕量 在高电压领域现有的器件电压应力还 不能满足装置的要求 并且高电压大电流的开关器件价格不菲 不利于降低成本 三电 平技术的优势在于不仅可以降低对开关器件电压应力的要求 而且输出电压频谱好 减 小滤波器的体积及重量 从而提高输出波形质量 5 0 5 2 1 三电平变换技术的核心是用两只开关管代替一只以降低其电压应力 同时寻找筘位 电压源 可用两个容值相等的电解电容串联将其分为两个相等的电压源 引入箝位二极 1 2 硕士论文 基于c u k 变换器的高频隔离式三电甲变换器研究 管 将箝位电压源的中点与串联的开关管的中点连接 开关管和箝位电压源的位置不同 箝位二极管的接法也不同 c u k 型变换器图3 1 d 中开关管s 的电压应力 以 电容c 上的电压玩 u o 选电容c 作为箝位电压源 将原电路一个电容改为两个容值相等的电容串联 若开关管 流入极与筘位电压源正极相连 选二极管阳极接箝位电源的中点 如图3 2 a 若开关 管流出极与箝位电压源负极相连 选二极管阴极接箝位电源的中点 如图3 2 b 这样 得到两种c u k 型三电平直流变换器的拓扑 百l i i i 一 i 1 t lt 2 当 s ild l dsz c o 1 卜 肾 最f a b 图3 2c u k 型三电平直流变换器拓扑 在图3 2 a 中 当输出电压小于输入的一半时 研一直关断 导通时 c 3 向负载 提供能量 s 2 关断时 o 和 均不提供能量 当输出电压大于输入的一半时 一直 导通 研关断时 o 向负载提供能量 函导通时 o 和g 一同提供能量 总之 一个 周期内 a 提供的能量比g 少 这将导致两电容不均压 在图3 2 中 当输出电压小于输入的一半时 足一直关断 研导通时 g 向负载 提供能量 母关断时 q 和a 均不提供能量 当输出电压大于输入的一半时 研一直 导通 关断时 a 向负载提供能量 导通时 c 2 和q 一同提供能量 总之 一个 周期内 q 提供的能量比 少 这将导致两电容同样不均压 为解决以上矛盾 可以 对图3 2 中c u k 型三电平直流变换器的结构进行改进 将图3 2 a 与图3 2 b 中的拓扑 进行加合 再稍作简化得到图3 3 所示结构 1 3 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究硕士论文 图3 3c l k 型三电平直流变换器拓扑改进 在图3 3 中 当输出电压小于输入的一半时 第一个开关周期中 一直关断 函 导通时 a 向负载提供能量 s 关断时 a 和 均不提供能量 第二个开关周期中 研一直关断 导通时 c 2 向负载提供能量 关断时 o 和q 均不提供能量 后面 每两个周期将重复前面两个周期工作 当输出电压大于输入的一半时 第一个开关周期 中 s j 一直导通 关断时 c j 向负载提供能量 导通时 g 和c 2 一同提供能量 第二个开关周期中 一直导通 岛关断时 c 2 向负载提供能量 s 2 导通时 o 和q 一同提供能量 后面每两个周期也将重复前面两个周期工作 这样 不论哪种工作模式 相邻的两个周期中 o 和c 2 提供相等的能量 因而他们的电压是均衡的 上述分析的几种c u k 型直流变换器虽然能够完成直流电压的变换 但实际上存在着 转换功能上的局限性 例如 输入输出电压变比或输入输出电流变比不能过大 输入输 出没有电气隔离 无法实现多路输出等 该局限只能用另一种开关变换器的重要组件隔 离变压器来克服 隔离变压器的高频化可有效减小变压器体积 是实现电气隔离电力电 子变换器高功率密度的有效途径 参照第二章中高频隔离式变换器拓扑的推导 将c u k 型三电平直流变换器中的耦合 电容c 7 和c 2 分别一拆为二 再插入两个变比相同的隔离变压器 加入输入滤波环节 即得到如下所示的c u k 型高频隔离式三电平直流变换器拓扑 1 4 硕上论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电甲变换器研究 图3 4c u k 型高频隔离式三电平直流变换器拓扑 3 3 变换器工作原理及基本关系式 图3 4 给出的c u k 型高频隔离式三电平直流变换器拓扑中 电容o c 2 o o 的容值相等并且较大 s f 是两只功率开关管 d j d 2 是续流二极管 l j 厶分别是 输入储能电感和输出储能电感 g 为输出滤波电容 z 三为输出负载 其中开关管 交错工作 驱动信号相差1 8 0 相角 分析前 假定电路在完全理想的情况下工作 5 3 1 所有开关管 二极管 电感 电容 变压器均为理想元器件 2 电容o g o o 足够大时 其充放电时的电压波动可忽略 两端的电压可 视为恒定值 分别为 u c 2 u c s 和u c 4 3 g 足够大 其电压为既 理想情况下 在流过二极管的电流连续时 下面分开关管的占空比d 小于0 5 和大 于o 5 两种情况讨论变换器的工作原理 3 3 1d 小于0 5 时变换器开关模态分析 当占空比d 小于o 5 时 变换器的主要工作波形如图3 5 所示 1 5 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究硕士论文 1 6 z r o 帝 乏 j r r r 心 m 一 1 j 一 矿入 j 1 一m 抽 l 1f r i 2 一h m 一一一 j 一 一e f 晒 11 l 2 一m 虹 1 开关模态l t o t l 图3 5 占空比d 小于0 5 时主要工作波形 a 开关模态1 开关模态2 和开关模态4 f f 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 c 开关模态3 图3 6 占空i t d 小于0 5 时一个周期内电流流向图 如图3 6 a 研导通 关断 二极管d 反向截止 仍正偏导通 输入电流经电 感三 开关管研 变压器乃原边对电容q 充电 电感三j 电流线性增加 变压器乃副 边感应的能量经现对电容 充电 此时电容 通过开关管母和变压器乃原边放电 电容c 3 和变压器乃副边感应的能量经二极管d 2 电感幻对负载供电 厶电流也线性 增加 该模态中 电感三 幻的电流增加量有如下关系 一 尹一 厶警 3 2 3 一坼1 一眈 厶孥 3 3 坚孕丝 坠毕生i d 3 4 半 半e 3 5 其中u t i p 嘞 分别为变压器乃原边和副边绕组电压 u r n s 分别为变压器乃 原边和副边绕组电压 设变压器乃和乃的变比均为n 该开关模态中 研导通 o 直接跨接在变压器乃原边 二极管仍正偏导通 变 压器为副边通过仍续流 因此有 坼l p 一u c l z 坼1 3 6 畴2 4 二 2 p 3 7 代入式 3 4 和式 3 5 有 竖掣t d 3 8 1 7 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究硕士论文 f 兰兰 型竺掣e d 3 9 2 开关模态2 瞳t 2 如图3 7 b 岛关断 关断 二极管d 1 正偏导通 1 9 2 也正偏导通 输入电流经 电感l 电容c 变压器1 1 原边 变压器乃原边和电容c e 流通 电感l 电流线性下 降 变压器乃和变压器乃副边感应的能量经d 和d e 对电容白和c 4 充电 此时负载 也通过电感l 2 二极管d 二极管d e 续流 电感l 2 电流也线性下降 该模态中 电感 j l e 的电流减小量有如下关系 一 一坼 p 一坼2 p 一 厶鲁 3 l o 一t r o l 2d i l 2 2 3 11 a i l i 坠鳖攀乃哇一研 3 1 2 馘 一 鲁 一毛 警互哇一功 3 1 3 该开关模态中 续流二极管d 仍正偏导通 因此有 坼 去 p 坼 3 代入式 3 1 2 有 塑生 业z 专 d 3 1 5 3 开关模态3 r e t 3 如图3 6 c s 关断 s t 导通 二极管d 正偏导通 d e 反向截止 输入电流经电 感 变压器乃原边 开关管s t 对电容 充电 电感l 电流线性增加 变压器乃副 边感应的能量经d 对电容 充电 此时电容q 通过变压器乃原边和开关管 放电 电容c 4 和变压器i 2 副边感应的能量经电感l e 二极管d 对负载供电 l e 电流也线性 增加 该模态中 电感 厶的电流增加量有如下关系 一 一坼 厶鲁 3 1 6 4 一坼2 一v o 厶掣 3 1 7 a l i 半 妒半e 硕士论文 基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 半 咖半z 协1 9 该开关模态中 s 2 导通 c 2 跨接在变压器乃原边 二极管d 正偏导通 变压器乃副边 通过二极管d j 续流 因此有 坼i 3 二 p 3 2 0 坼2 一 2 n u r 2 3 2 1 代入式 3 1 8 和式 3 1 9 有 蝇l 坠掣e d 3 2 2 上1 馘 坠警也生t d 3 2 3 4 开关模态4 t 3 胡 开关模态4 与开关模态2 完全相同 s 关断 关断 二极管d 正偏导通 d 2 也 正偏导通 因而与开关模态2 拥有相同的关系式 在稳态工作时 一个周期内电感l j 如上的电流增长量等于它的下降量 t l 挑l 一 a i 2 2 t 2 一 综合上式 得到变换器的输入输出关系为 堡 上 z 卜d 开关s 岛所承受的关断电压为 经警 开关模态1 和开关模态3 中电感三 1 2 上的电压经化简为 坠卑 u 2 u n u o 2 刀 开关模态2 和开关模态4 中电感三 厶上的电压化简后为 即 3 2 4 3 2 5 3 2 6 3 2 7 3 2 8 3 2 9 搿 l 一 l 2 坼l p 2 p 一 u o 3 3 0 1 9 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究硕士论文 u工l uo 3 31 在一个完整开关周期内 电感三 上拥有 u j f n n u o 2 研 两种电平 电感幻上拥有 一n u o 2 n u o 两种电平 3 3 2d 大于0 5 时变换器开关模态分析 在占空比d 大于0 5 时 变换器的主要工作波形如图3 7 所示 1 开关模态l t o t l 乙 山乙乏 li r 太i 一一一 个 一一 k y 协 泸 l 函 一k厶一一 希 r k o l 2 一t r a m 图3 7d 小于0 5 时主要工作波形 a 开关模态1 和开关模态3 b 开关模态2 硕士论文 基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 c 开关模态4 图3 8d 大于0 5 时一个周期内电流流向图 如图3 8 a 开关勖导通 岛导通 二极管d 反向截止 伤反向截止 输入电流 经电感厶 开关管 开关管 流通 电感 j 电流线性增加 电容a 和电容q 也通 过开关管研 开关管 变压器乃副边 变压器乃副边放电 电容o 电容a 变压 器乃副边和变压器乃副边感应的能量经电感厶对负载供电 电感岛电流线性增加 该 模态中 电感 j 厶的电流增加量有如下关系 厶了a l l 3 3 2 3 4 一坼h 一坼2 一t o 厶鲁 3 3 3 鲁卜伊鲁驷一争 3 4 t l 2 三生 三垒曼 二芝掣 f f o 兰垒 三翌刍 芝掣互 一互1 3 3 5 该开关模态中 s j 导通 导通 电容c 卜电容q 跨接在变压器乃和变压器乃的原边 有 1 p 坼2 p 一 2 刀 u t i 坼2 3 3 6 2 开关模态2 t l t 2 如图3 8 b s 导通 关断 二极管d 反偏截止 d 2 正偏导通 输入电流经电 感厶 开关研 变压器乃原边和电容q 流通 电感三 电流线性下降 变压器乃副边 感应的能量经d 2 对电容 充电 此时电容c j 通过开关管研和变压器乃原边放电 电 容g 和变压器乃副边感应的能量经二极管d 2 电感上口对负载供电 相对于该周期内 的开关模态1 电感历电流线性下降 该模态中 电感三 厶的电流减小量有如下关系 乩一 2 一 2 厶等 3 3 7 2 1 3c u k 型高频隔离式三电平直流变换器研究硕士论文 3 一坼1 一u o 厶百d l l 2 3 3 8 t 一 三二芈 一 三量芈互 1 一 3 3 9 i l 2 三互学 一f 1 三二学霉 1 一 3 4 该开关模态中 研导通 a 直接跨接在变压器乃原边 二极管皿正偏导通 变压器 乃副边通过d 2 续流 因此有 l 口 一 1 砘0 l 3 4 1 2 4 二坼2 口 3 4 2 代入式 3 3 4 和式 3 3 5 有 瓴l 坐掣t i l l d 3 4 3 t 2 一 兰二二三垡掣互 1 一d 3 4 4 3 开关模态3 t 2 翻 开关模态3 与开关模态1 完全相同 开关s 导通 开关 导通 二极管d 反偏截 止 仍也反偏截止 因而与开关模态1 拥有相同的关系式 4 开关模态4 t s t 4 如图3 8 c s 关断 导通 二极管d 正偏导通 d 2 反向截止 输入电流经电 感 变压器乃原边 开关管 对电容a 充电 相对该开关周期内开关模态3 电感 l t 电流线性下降 变压器乃副边感应的能量经d j 对电容 充电 此时电容c 2 通过变 压器乃原边和开关管s 2 放电 电容a 和变压器乃副边感应的能量经电感l 2 二极管 d 对负载供电 电感l 2 电流也线性下降 该模态中 电感三 l 2 的电流减小量有如下 关系 一 一 厶鲁 3 彤 一 2 一u o 厶百d i l 2 3 4 6 该开关模态中 导通 o 跨接在变压器乃原边 二极管d 正偏导通 变压器乃副边 通过二极管d j 续流 因此有 1 3 二 l p 3 4 7 硕士论文基于c u k 变换器的高频隔离式三电平变换器研究 坼2 p 一 2 疗坼2 馘 墼掣t o d 上1 3 4 8 3 4 9 馘2 一 u o u u c 2 nr o 一功 3 5 0 勺 稳态工作时 电感工j 如上的电流增长量等于它的下降量 综合上式 可得到变换 器输入输出电压关系为式 3 2 6 开关研 所承受的关断电压为式 3 2 7 与占空比小 于0 5 时相同 开关模态1 和开关模态3 中电感 j 如上的电压经化简为 叱l 3 5 1 丝 3 5 2 3 5 2 o j n 开关模态2 和开关模态4 中电感三j 厶上的电压经化简为 u liuf nuo 3 53 2 u l 2 u i n n u o 3 5 4 2 厅 整个开关周期内 电感三 上拥有 似 n u o e 两种电平 电感如上拥有研 加 似圹n u o 2 n 两种电平 综合开关占空比大于o 5 和小于o 5 的情况 变换器中电感 厶共出现过三种电平 开关两 承受的关断电压 n u o 2 当变压器变比n 取l 时 正好为两点平变压器的一半 3 4c u k 型高频隔离式三电平直流变换器设计 c u k 型高频隔离式三电平直流变换器设计如下 电路拓扑如图3 4 采用电压瞬时 值反馈控制策略 开关管两 岛占空比相