推挽正激三电平直流变换器的研究

论文摘要

燃料电池分布式发电系统由于其高效、无污染、应用灵活等特点被人们日益关注。燃料电池为直流电源,输出外特性很软,因此燃料电池供电系统通常采用DC/DC+DC/AC的两级式结构。DC/DC变换器的职能是将低压宽范围变化的电压升压并且稳压。作为能量中介的DC/DC变换器,其性能的优劣对整个供电系统的性能有巨大的影响,合理设计DC/DC变换器就显得非常重要。本文回顾了燃料电池供电系统的发展,列举了现已被使用的DC/DC变换器拓扑,并分析了其各自的优点与不足。考虑燃料电池输出的特点,提出使用推挽正激三电平直流变换器作为燃料电池供电系统的DC/DC级。该变换器具有开关管电压应力低、整流二极管电压应力低、输出滤波电感小的优点,适合于低压宽范围输入、高压输出的应用场合。论文分析了推挽正激三电平直流变换器的工作原理和特点,详细给出了1kW原理样机的设计方法。文中计算了变换器主电路中各个器件的损耗,给出了提高变换器效率的四点建议。本文还对推挽正激三电平直流变换器进行了小信号建模,并针对变换器稳定输出电压和保证输入两个串联电容均压这两个控制目标,采用了一种控制策略并设计了控制器,使输出电压控制具有良好的稳定性和动态特性,输入电容均压控制具有良好的稳定性,并实现了对两个控制目标的解耦控制。论文最后给出了1kW推挽正激三电平直流变换器的仿真和实验波形,验证了理论分析和工程设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 燃料电池应用于分布式发电系统
• 1.2.1 分布式发电系统
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池分布式发电系统的结构
• 1.2.3 两级结构中DC/DC 的实现方案
• 1.3 三电平变换器的研究现状
• 1.4 本课题的研究内容及意义
• 第二章 推挽正激三电平直流变换器
• 2.1 引言
• 2.2 推挽正激三电平变换器的工作原理
• 2.2.1 三电平模式工作原理
• 2.2.2 两电平模式工作原理
• 2.3 推挽正激三电平变换器的工作特点
• 2与S₄ 软开关的条件'>2.3.1 开关管S₂与S₄软开关的条件
• 2.3.2 输出滤波电感
• 2.3.3 占空比丢失
• 2.3.4 整流二极管的电压尖峰
• 2.4 本章小结
• 第三章 推挽正激三电平变换器的建模和控制
• 3.1 引言
• 3.2 变换器建模
• 3.2.1 变换器工作在三电平模式建模
• 3.2.2 变换器工作在两电平模式建模
• 3.3 变换器控制策略和控制器设计
• 3.3.1 推挽正激三电平变换器的控制策略
• 3.3.2 输出电压环的设计
• 2 电压控制环的设计'>3.3.3 输入电容C₂电压控制环的设计
• 3.3.4 两电平工作模式下两控制环的性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 推挽正激三电平变换器主电路的设计
• 4.1 高频变压器的设计
• 4.2 输出滤波电感的设计
• 4.3 谐振电感的设计
• 4.4 主开关管和二极管的选取
• 4.4.1 主开关管的选取
• 4.4.2 箝位二极管的选取
• 4.4.3 整流二极管的选取
• 4.5 输出滤波电容的选取
• 4.6 本章小结
• 第五章 变换器损耗分析
• 5.1 引言
• 5.2 半导体器件的损耗
• 1和S₃ 的损耗'>5.2.1 开关管S₁和S₃的损耗
• 2和S₄ 的损耗'>5.2.2 开关管S₂和S₄的损耗
• 5和D₆ 的损耗'>5.2.3 箝位二极管D₅和D₆的损耗
• 5.2.4 整流二极管的损耗
• 5.3 磁性元件的损耗
• 5.3.1 变压器的损耗
• 5.3.2 谐振电感的损耗
• 5.3.3 滤波电感的损耗
• 5.4 输出滤波电容损耗
• 5.5 变换器效率
• 5.6 提高变换器效率的措施
• 5.7 本章小结
• 第六章 仿真与实验
• 6.1 引言
• 6.2 仿真与实验波形
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 下一步要做的工作
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文及参与的项目