二次型开关DCDC变换器研究

1、国内图书分类号： 密级：公开国际图书分类号： 西南交通大学 硕士研究生学位论文 二次型开关变换器研究 年 级 三茎委扛级 姓 名 庄圭玉 申请学位级别 工堂亟± 专 业鱼杰皇王皇电左焦麴 指导教师 迕建垩麴援 二零一二年五月 一苓一一平丑月： 烈 汀 ： ： 而 ： 时： 、，： ， 权书 本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权面南交通大学可以将本论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在

2、年解密后适用本授权书； 不保密百，使用本授权书。 请在以上方框内打“ 学位论文作者签名：毒七、甚 指导老师签名： 日期： 沙 年厂月日 日期：加湃月日 西南交通大学硕士学位论文主要工作奉献声明 本人在学位论文中所做的主要工作或奉献如下： 一、在深入了解传统级联开关变换器及单开关级联开关变换器根底上，针对二次型开关变换器，以二次型变换器为例，详细分析了模式二次型变换器及模式二次型变换器的工作原理，并建立其状态空间等效模型。在此根底上，进一步分析了变换器主电路参数之间的关系及电路参数的选取方法。 二、在分析二次型变换器数学模型的根底上，以电压型控制二次型变换器为例，分析了二次型变换器的稳态特性及瞬

3、态特性。比照分析了电压型控制变换器及电压型控制二次型变换器的稳态特性、瞬态特性及纹波特性。 三、论文针对电压型控制二次型变换器存在的问题，进一步研究了控制技术在二次型变换器中的应用。分析了控制二次型变换器的稳态特性及瞬态特性。最后通过仿真及实验验证了理论分析的正确性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出奉献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本?送耆私馕瓷鲜錾魉鸬囊磺蟹稍鹑谓杀救顺械！?学位论文作者签名：芦悫伊 日期：汐埤岁月。弓日 西南交通大学硕士研

4、究生学位论文 第页舅曼量量舅舅舅曼置蔓曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼曼蔓皇曼曼曼鼍皇曼曼曼皇皇曼曼罡皇皇曼曼皇曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼舅曼曼曼曼量曼皇曼皇皇！曼曼曼 摘 要 随着新能源应用领域不断拓宽，新能源开发技术要求开关变换器具有宽输入电压范围。一种拓宽变换器输入电压范围的有效方法是采用变换器级联技术，即用两个或更多的变换器进行级联。但是，该方法虽然可以拓宽变换器的输入电压范围，却增加了开关管的数量，增加了功率开关管的损耗，导致变换器整体工作效率的降低。二次型开关变换器因其仅采用一个功率开关管实现变换器的级联，不仅拓宽 了变换器的输入电压范围，还减少了功率开关管的应用，提高

5、了变换器的整体工作效率并减少了驱动电路，得到了广泛的应用。 在深入了解传统级联开关变换器及单开关级联开关变换器的根底上，针对二次型开关变换器，以二次型变换器为例，详细分析了连续导电模式州 ，二次型变换器及不连续导电模式 ，二次型变换器的工作原理，并建立其状态空间咖舀等效模型。在此根底上，还进一步分析了变换器主电路参数之间的关系及电路参数的选取方法。 在分析二次型变换器数学模型的根底上，以电压型魄 廿，控制二次型变换器为例，分析了二次型变换器的稳态特性及瞬态特性。比照分析了电压型控制变换器及电压型控制二次型变换器稳态特性、瞬态特性及纹波特性。 论文针对电压型控制二次型变换器存在的问题，进一步研究

6、了脉冲序列 洳，控制技术在二次型变换器中的应用。分析了控制二次型变换器的稳态特性及瞬态特性。最后通过仿真及实验验证了理论分析及所建模型的正确性。 关键词：二次型开关变换器；宽输入电压范围；不连读导电模式；状态空间等效模型；脉冲序列控制 ，也 懿 印 姗 切仃衙谢 钮既 撕 谢?簦悖瑁椋睿? 豁 哦既 、析 ·： 也 ， 街 趾 血 ！ 锄 】州 唧 甜 岣 酣 出撕 嘶 锄 ，锄 耐 砸匆也 仃 叭 姐 出 蒯 鳅 仃劬 切 仃 仃 贸 枷 们 ，仃咖仃： 臼 ： 也 咖 嘶 缸 锄： 吼； 切 砌； 嘶 ；· 百 ；仃仃 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 目 录第章绪

7、论： 引言 级联开关变换器概述 传统级联开关变换器。 单开关级联开关变换器 二次型开关变换器 二次型开关变换器控制方法概述 论文的主要工作第章二次型开关变换器建模 引言? 模式二次型变换器建模 模式工作模态工作原理分析 模式工作模态工作原理分析 模式工作模态工作原理分析 模式二次型变换器状态空间等效模型 模式二次型变换器建模 模式工作模态工作原理分析 模式工作模态工作原理分析 模式工作模态工作原理分析 模式二次型变换器状态空间等效模型 变换器工作模态验证 模型参数分析 仿真结果。 实验结果 小结第章电压型控制二次型开关变换器 引言： 电压型控制方法分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 电

8、压型控制原理分析 电压型控制方法设计步骤 补偿网络的选择 仿真结果。 变换器稳态及瞬态仿真 输出电压纹波分析 小结一第章控制二次型开关变换器 引言 控制技术分析 。 控制框图分析 控制脉冲序列组合分析 控制二次型 变换器 仿真结果 脉冲序列组合仿真 。 控制变换器稳态仿真结果 控制变换器瞬态仿真结果 比照分析电压型控制及控制 小结第章实验结果分析 电压型控制二次型 变换器实验结果 控制二次型 变换器实验结果一 比照实验结果结 论致谤参考文献攻读硕士期间发表的论文及科研成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页量曼曼曼曼皇璺曼鼍曼曼量皇皇蔓曼曼曼曼曼曼曼鼍鼍蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼皇皇鼍曼曼

9、曼曼曼曼皇量曼曼曼！曼皇曼曼曼曼曼皇暑皇曼曼量皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼量皇曼 第章绪论 引言 近年来，受全球气候变化及石油价格上涨的影响，新能源的利用和开发越来越受 到国际社会的重视，也逐渐成为我国可持续开展的重要战略。太阳能、风能、氢能等 新能源清洁无污染、再生周期短且储量丰富，假设合理利用，能有效的解决能源危机问 题。例如，每年太阳投射到地面的辐射能达×千瓦时×，相当于 ×亿吨标准煤。按照目前太阳质量的消耗速率计，可以维持亿年；中国的风 能有广阔的开发前景，总储量约为×千瓦，列世界第三位；氢是一种二次能源， 在地球上的储量极为丰富。采用氢氧燃料电池发电，

10、其能量转换效率远优于现有的火 力发电厂。随着制氢技术和贮氢手段的进步及完善，燃料电池发电也将在世纪的 能源舞台上大展风采。 随着新能源应用领域的不断拓宽，新能源开发技术的研究越来越受到广阔科研工 ，作者的关注，开关变换器被广泛应用在太阳能、风能及燃料电池等新能源发 电系统中。在太阳能发电系统中，光伏电池输出功率主要受太阳辐射强度和电池温度 影响，电池的短路电流受太阳辐射强度影响，电池的开路电压受电池温度影响。在不 同太阳辐射强度和温度下，光伏电池的最大功率点所处位置是不同的。通过调节太阳 能发电系统中开关变换器的占空比，可以使光伏电池的输出功率始终维持在 最大功率点附近，从而有效的提高太阳能发

11、电系统的发电效率吲。风力发电环境多 样，风力大小及风速快慢会造成发电机输出特性有宽范围的变化。对于电网附近的风 力发电站，可以采用风力发电机与电网并联运行的方式，通过电网来补偿及调节不同 环境下风力发电机的输出，但在无大容量电网存在的沙漠、海岛、高山等应用环境下 只能采用小型的独立风力发系统供电，而对这种小型独立风力发电系统采用直流供电 方式；同时采用组蓄电池调节电能供给和存储。由于受风速的影响，风力发电机 输出功率的最大功率点是不同的，通过调节小型风力发电系统中开关变换器 的占空比，可以使其输出功率始终维持在最大功率点附近，从而有效的提高小型风力 发电系统的发电效率【】。在燃料电池供电系统中

12、，由于受电池极化作用的影响，燃料 电池负载电流变化并导致其输出电压呈现宽范围的波动，同时导致后级逆变器的控制 过程复杂【。通过开关变换器改良燃料电池的偏软输出特性，可以改善燃料 电池输出功率的质量【。由于太阳能、风能及燃料电池等新能源的输出电压存在宽范 围的波动，所以新能源供电系统中开关变换器输入电压均为宽变化范围的直 流电压。因此，研究分析宽输入电压范围的开关变换器具有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页级联开关变换器概述 开关?茫模变换器的主要特点是采用功率器件作为开关管，将一种直流电源形态转变为另一种直流电源形态【刀。其利用电感元件和电容元件的储能特性，随着功率开关管不停地关

13、断与导通，使具有较大电压波动的直流电源能量断续地通过功率开关管，以磁能的形式存储在电感中，经电容滤波后得到连续的能量并传递给负载，得到电压波动较小的直流电源，实现变换【。如图所示为四种根本的开关变换器拓扑：降压型、升压型、一升降压型反转型和电路。 圪 出 圪 出 一 图开关变换器根本拓扑结构 太阳能光伏发电系统和燃料电池系统中的开关变换器输入电压均为宽变化范围的直流电压，假设采用上述四种根本的开关变换器拓扑结构进行电压转换，为使变换器在较宽输入电压范围内保持输出电压恒定，需要使占空比在宽范围内波动，导致控制器设计复杂，系统稳定性较差的问题【一。级联开关变换器通过变换器单元的级联，能有效的拓宽变换器的输入电压范围。传统级联开关变换器 传统级联开关变换器的主要研究对象是级联和级联变换器【，。其拓扑结构是在不改变变换器根本拓扑结构的根底上将其进行简单的级联即将上一级变换器单元的输出端，作为下一级变换器单元的输入端。传统级联变换器及传统级联变换器拓扑结构如图所示【。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 传统级联变换器 传统级联变换器 图传统级联开关变换器拓扑结构 图中，传统级联变换器由级联的变换器单元构成，级联的变换器单元数越多其输入电压范围越宽。同理，图中传统级联变换器由级联的变换器单元构成，级联的变换器单元数越多其输入电压范围越宽。 以级联变换器为例，对级联开关变换器电