三绕组耦合电感实现高增益、高效率交错并联软开关Boost变流器

论文摘要

世界性的能源短缺和能源危机促使学术界和工业界把目光投向清洁、绿色、安全的太阳能、燃料电池等可再生能源。在新能源并网发电系统中,如何把电压较低的太阳能、燃料电池等输出升压到较高的标准母线电压,成为一个重要的研究课题。论文在总结、归纳现有隔离型和非隔离型Boost变流器（俗称变换器）的基础上,提出了三绕组耦合电感概念。并基于三绕组耦合电感概念,论文提出了隔离型与非隔离型的基本单元结构。通过这些基本单元结构,并进一步引入有源箝位软开关技术和无源无损软箝位技术,论文实现了一系列高增益、高效率和适用于较大功率的交错并联软开关Boost变流器拓扑族。论文还找出了三绕组耦合电感实现的隔离型与非隔离型变流器之间的内在联系,并总结了一般隔离型变流器与相应的非隔离型变流器之间相互转换的普适性原理。首先,论文提出了三绕组耦合电感概念。论文从隔离型交错并联Flyback变流器出发,采用三绕组耦合电感的方式演绎出了一种新型的交错并联Flyback-Boost变流器。论文采用有源箝位软开关技术,实现了一种隔离型的有源箝位软开关交错并联Flyback-Boost变流器,该变流器实现了漏感能量的无损转移和开关管关断电压尖峰的有效抑制。通过一定的拓扑变换。该变流器仅用一套辅助电路就可实现两相交错电路的漏感能量吸收。由于三绕组耦合电感的漏感对输出二极管关断电流的限制能力,有效地抑制了输出二极管的反向恢复电流。在整个开关周期内,主开关管和辅助开关管都实现了零电压软开关动作。论文还采用原边并联、副边串联结构,实现了变流器的倍压输出功能。三绕组耦合电感概念的提出为隔离型交错并联DC/DC变流器的拓扑演绎提供了一种可实践的思路。其次,论文提出了一种非隔离型三绕组耦合电感基本单元结构。论文采用三绕组耦合电感概念,把传统Boost变流器仅由占空比决定的单一维数的电压增益表达式,演变成由占空比和耦合电感匝比决定的二维增益表达式,既拓展了变流器的电压增益、避免了极限占空比的工作状态,又降低了开关管的电压应力。为了无损地吸收三绕组耦合电感的漏感能量,论文首先采用有源箝位软开关技术,提出了一种高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器。该变流器实现了主开关管和辅助开关管的零电压软开关动作,三绕组耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降速率,有效地抑制了二极管的反向恢复电流。论文还实现了有源箝位软开关方案到无源无损软箝位方案的过渡,提出了一种高增益无源无损软箝位交错并联Boost变流器。该变流器简化了电路结构,实现了开关管的零电流开通和关断电压的软箝位。论文还提出了一种三绕组耦合电感基本单元结构,根据该基本单元,并引入有源箝位软开关方案或无源无损软箝位方案,论文实现了一系列适用于大电流、高效率、高增益或高降压场合的变流器拓扑族。三绕组耦合电感基本单元的提出,为非隔离型交错并联DC/DC变流器的拓扑生成提供了一种新的思路。论文还提出了另一种非隔离型三绕组耦合电感基本单元结构。论文采用有源箝位软开关技术,实现了一种具有最少箝位开关管的高增益交错并联软开关Boost变流器,该变流器仅用一套箝位电路就实现了两相交错电路的漏感能量吸收和开关管关断电压尖峰抑制。在该变流器基础上,经过一定的拓扑变换,并增加两个输出箝位电容,不仅有效地抑制了输出二极管上的寄生振荡,并可在输出通道上内置一个LC低通滤波器,有效地减小了输出电流纹波。基于该三绕组耦合电感基本单元,论文演绎出了一系列交错并联DC/DC变流器拓扑族,这类变流器可通过一定的拓扑变换来简化软开关实现方案。最后,论文从隔离型变压器和自耦升压变压器的内在联系出发,分析了三绕组耦合电感实现的隔离型和非隔离型变流器之间的关系,实现了隔离型有源箝位软开关交错并联Flyback-Boost变流器、非隔离型高增益有源箝位软开关交错并联Boog变流器和高增益无源无损软箝位交错并联Boost变流器之间的相互转化。同时,也实现了隔离型具有最少箝位开关管的交错并联软开关Flyback-Boost变流器和非隔离型具有最少箝位开关管的交错并联软开关Boost变流器之间的相互转化。论文还总结了一般隔离型变流器与相应的非隔离型变流器之间相互转换的普适性原理,从方法论上实现了隔离型与非隔离型变流器的统一。论文上述提出的新型电路拓扑不仅实现了变流器电压增益的拓展,避免了电路工作在极限占空比的状态;还降低了开关管的电压应力,减小了导通损耗和开关损耗,提高了功率器件的工作可靠性。这类拓扑可通过简单的电路实现开关管的软开关动作,减小了开关损耗;还有效地抑制了输出二极管的反向恢复电流,减小了反向恢复损耗。而且,三绕组耦合电感的交错并联结构简便的实现了系统的功率扩容,减小了变流器中无源元件的体积,提高了变流器的功率密度。论文还对工程应用三绕组耦合电感交错并联Boost电路的实现方法进行了探讨,并在一太阳能并网发电小型示范系统中获得了成功的应用。丰富、详实的仿真及实验结果验证了论文理论研究的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Boost变流器在高增益变换场合的应用研究现状
• 1.2.1 隔离型Boost变流器的研究现状
• 1.2.2 非隔离型Boost变流器的研究现状
• 1.3 耦合电感在DC/DC变流器中的应用研究现状
• 1.3.1 采用耦合电感来有效抑制二极管的反向恢复电流
• 1.3.2 采用耦合电感来实现DC/DC变流器的软开关动作
• 1.3.3 采用耦合电感来实现变流器的高增益输出
• 1.3.4 采用耦合电感来实现变流器占空比的拓展
• 1.4 论文的研究内容
• 1.4.1 论文的研究内容
• 1.4.2 论文研究工作小结
• 第二章 采用三绕组耦合电感实现的隔离型交错式有源箝位软开关Boost变流器
• 2.1 有源箝位软开关交错并联Flyback-Boost变流器
• 2.1.1 Flyback变流器的特点
• 2.1.2 Flyback-Boost变流器的推导和理想静态工作分析
• 2.1.3 有源箝位软开关交错并联Flyback-Boost变流器的静态工作分析
• 2.1.4 有源箝位软开关交错并联Flyback-Boost变流器的特性和参数设计
• 2.1.5 仿真和实验验证
• 2.2 交错式有源箝位原边并联、副边串联Boost变流器
• 2.2.1 交错式有源箝位原边并联、副边串联Boost变流器的推导
• 2.2.2 静态工作分析
• 2.2.3 电路性能分析
• 2.2.4 损耗分析和设计原则
• 2.2.5 仿真和实验结果
• 2.3 采用三绕组耦合电感实现的其他隔离型DC/DC变流器
• 2.3.1 有源箝位软开关Flyback-Boost变流器的简化
• 2.3.2 采用三绕组耦合电感实现的Buck型降压DC/DC变流器电路
• 2.4 本章小结
• 第三章 采用三绕组耦合电感实现的非隔离型高增益交错并联Boost变流器
• 3.1 高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器
• 3.1.1 高增益交错并联Boost变流器的推导和理想静态工作分析
• 3.1.2 高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器的静态工作分析
• 3.1.3 电路特性分析
• 3.1.4 参数设计
• 3.1.5 仿真和实验验证
• 3.2 高增益无源无损软箝位交错并联Boost变流器
• 3.2.1 有源箝位软开关方案到无源无损软箝位方案的演变
• 3.2.2 高增益无源无损软箝位交错并联Boost变流器静态工作分析
• 3.2.3 电路特性分析
• 3.2.4 变流器参数设计原则
• 3.2.5 仿真和实验验证
• 3.3 三绕组耦合电感的基本单元和相关拓扑演绎
• 3.3.1 三绕组耦合电感的基本单元
• 3.3.2 漏感能量解决方案
• 3.4 本章小结
• 第四章 三绕组耦合电感实现的具有最少箝位开关管的高增益交错并联Boost变流器
• 4.1 具有最少箝位开关管的高增益交错并联软开关Boost变流器
• 4.1.1 三绕组耦合电感的高增益交错并联Boost变流器拓扑演绎
• 4.1.2 具有最少箝位开关管的高增益交错并联软开关Boost变流器的静态工作分析
• 4.1.3 电路特性分析和参数设计
• 4.1.4 实验验证
• 4.2 具有最少箝位开关管和内置输出LC低通滤波器的高增益交错并联软开关Boost变流器
• 4.2.1 变流器的推导和演绎
• 4.2.2 变流器静态工作分析
• 4.2.3 变流器特性分析
• 4.2.4 仿真与实验验证
• 4.3 三绕组耦合电感的另一种基本单元和拓扑生成
• 4.4 本章小结
• 第五章 隔离型与非隔离型变流器之间的联系和新型变流器结构的应用
• 5.1 三绕组耦合电感实现的隔离型与非隔离型变流器之间的相互联系
• 5.1.1 自耦升压变压器结构及其特点
• 5.1.2 三绕组耦合电感实现的隔离型与非隔离型变流器之间的演变和比较
• 5.1.3 三绕组耦合电感实现的另一种隔离型与非隔离型变流器之间的演变和比较
• 5.2 变流器的隔离-非隔离转化法
• 5.3 3kw太阳能并网发电应用系统
• 5.3.1 太阳能并网发电系统
• 5.3.2 DC/DC变流器的优化
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 今后的工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利
• 致谢