隔离升压全桥DC-DC变换器拓扑理论和控制技术研究

论文摘要

隔离升压DC-DC变换器在电动汽车、储能系统、可再生能源发电以及超导储能系统等领域有广阔的应用前景。本文以隔离升压全桥变换器（Isolated Boost FullBridge Converter,简称IBFBC）为研究对象,针对隔离升压型变换器的拓扑结构、起动问题、隔离变压器漏感问题、软开关问题和输入电感磁复位问题等进行了系统深入的研究,解决了这一类拓扑所共有技术问题。提出了隔离升压DC-DC变换器拓扑族,分析比较了各种拓扑的特点,确定了以IBFBC为研究对象。对IBFBC进行了详细的稳态分析和小信号建模分析,为其分析、设计和搭建实验平台提供了电路理论基础。理论上分析了IBFBC起动时存在电流冲击的原因。提出了二种数字化软起动方案,该方案对主电路进行了改造,利用DSP能灵活产生PWM波的特点采用了新的控制策略,成功实现了该系统的软起动。理论上分析了IBFBC隔离变压器漏感引起功率开关管关断电压尖峰的原因,采用了有源箝位的方法,有效的解决电压尖峰问题。提出了带有源箝位IBFBC的九种PWM控制策略,提出了一种控制型软PWM方法,在不增加主电路元器件的基础上,通过控制PWM的发生方法,实现了有源箝位功率开关管和桥臂功率开关管的零电压开通。从理论上分析了IBFBC输入电感磁复位问题。在正常停机时提出了一种数字化软停止的方法,控制变换器由Boost工作状态逐渐过渡到Buck工作状态,让输入电感存储的能量逐渐释放掉,最后停止工作。对于故障保护停机,采用了绕组磁复位的方法,把输入电感设计成反激式变换器形式,突然停机时,电感中存储的能量通过反激式绕组释放到输出端,这样保护了变换器不会损坏。给出了主电路关键器件参数的设计方法,设计了以DSP-TMS320F2407为核心的数字控制单元,编写了DSP控制程序和CPLD逻辑处理程序。研制了一台输出功率5KW,输入电压直流24V,输出电压直流300V的IBFBC,通过全面的性能实验验证了理论分析和仿真结果。本文立足于IBFBC的关键技术要求,并充分考虑工程应用中的实际因素,进行了理论分析和实验研究,为实际系统方案设计提供理论依据,并已经在实际应用中得到验证。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景、意义和研究状况
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 隔离升压DC-DC 变换器的应用前景
• 1.1.3 隔离升压DC-DC 变换器研究状况
• 1.2 隔离升压DC-DC 变换器拓扑结构和存在问题
• 1.3 起动技术研究
• 1.3.1 串电阻起动
• 1.3.2 辅助电路起动
• 1.4 磁复位技术研究
• 1.4.1. RCD 磁复位
• 1.4.2. LCD 磁复位技术
• 1.4.3 有源LCD 磁复位技术
• 1.4.4 能量反馈到输入端的绕组磁复位
• 1.4.5 能量反馈到输出端的绕组磁复位
• 1.4.6 有源箝位技术
• 1.4.7 双管磁复位技术
• 1.5 软开关技术的发展
• 1.5.1 谐振型软开关技术
• 1.5.2. PWM 软开关技术
• 1.5.3 隔离升压全桥DC-DC 变换器的软开关技术
• 1.6 本文的主要研究内容和创新点
• 1.6.1 本文主要研究工作
• 1.6.2 论文主要贡献
• 第二章 隔离升压全桥 DC-DC 变换器拓扑原理与小信号 建模分析
• 2.1 隔离升压DC-DC 变换器拓扑族
• 2.2. IBFBC 拓扑原理分析
• 2.2.1 主电路的构成
• 2.2.2. IBFBC 的主要特点
• 2.2.3. IBFBC 的工作原理
• 2.2.4. IBFBC 的基本关系
• 2.2.4.1 电压传输比
• 2.2.4.2 电路外特性
• 2.2.4.3 输入电流纹波
• 2.2.4.4 功率开关管电压电流应力
• 2.2.4.5 副边整流二级管电压电流应力
• 2.2.4.6 输出滤波电容
• 2.3. IBFBC 小信号建模分析
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.1.1 基尔霍夫定律的平均值形式
• 2.3.1.2. R.L.C 元件伏安关系的平均值形式
• 2.3.1.3 开关元件的平均值模型
• 2.3.2 功率电路小信号模型的建立
• 2.3.3 控制电路模型的建立
• 2.3.3.1 电压采样环节
• 2.3.3.2 电压环
• 2.3.3.3 电流采样环节
• 2.3.3.4 电流环
• 2.3.3.5. PWM 信号发生环节
• 2.3.3.6 闭环系统模型
• 2.3.4 系统模型的建立与分析
• 2.3.4.1 电流环的频率特性分析
• 2.3.4.2 电压环的频率特性分析
• 2.3.4.3 输入音频衰减函数的频率特性
• 2.3.4.4 闭环输出阻抗的频率特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 隔离升压全桥变换器起动问题研究
• 3.1 起动问题分析
• 3.1.1 输出电压折算值小于输入电压
• 3.1.2 输出电压折算值大于输入电压
• 3.2 起动方法研究
• 3.2.1 主电路改进
• 3.2.2 软起动控制方案1
• 3.2.3 软起动控制方案2
• 3.2.4 设计注意事项
• 3.3 仿真研究
• 3.4 实验研究
• 3.4.1 基于DSP 的软起动方案实现
• 3.4.2. CPLD 逻辑处理
• 3.4.3 实验结果
• 3.5 小结
• 第四章 变压器漏感问题和软开关技术研究
• 4.1 漏感引起电压尖峰问题分析
• 4.1.1. IBFBC 变压器无漏感分析
• 4.1.2 隔离变压器存在漏感稳态分析
• 4.2 电压尖峰问题解决方法研究
• 4.2.1. RCD 箝位方法研究
• 4.2.1.1 工作模态分析
• 4.2.1.2 仿真和实验研究
• 4.2.1.3 小结
• 4.2.2 有源箝位方法研究
• 4.2.2.1 工作模态分析
• 4.2.2.2 仿真和实验研究
• 4.2.2.3 小结
• 4.3 控制型软PWM 方法研究
• 4.3.1 有源箝位功率开关管控制型软PWM 方法研究
• 4.3.1.1 模态分析
• 4.3.1.2 实验验证
• 4.3.1.3 小结
• 4.3.2 桥臂功率开关管控制型软PWM 方法研究
• 4.3.2.1 模态分析
• 4.3.2.2 基于DSP 的数字化控制方案实现
• 4.3.2.3. CPLD 逻辑处理
• 4.3.2.4 实验研究
• 4.3.2.5 小结
• 4.4 本章小结
• 第五章 隔离升压全桥DC-DC 变换器输入电感磁复位技术研究
• 5.1 输入电感磁复位问题分析
• 5.2 输入电感磁复位方法研究
• 5.2.1 能量释放给负载的绕组磁复位
• 5.2.2 正常停机磁复位方法研究
• 5.2.3. Boost工作模态分析
• 5.2.4. Buck工作模态分析
• 5.2.5 故障停机磁复位方法研究
• 5.3 实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 隔离升压全桥DC-DC变换器的设计与实验
• 6.1 样机的技术指标
• 6.2 主电路设计
• 6.2.1 隔离变压器设计
• 6.2.2 输入电感的设计
• 6.2.3 功率器件及其它器件的选择
• 6.3 控制电路设计
• 6.4 实验研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 进一步工作的设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表文章和负责的主要项目
• 论文答辩说明
• 关于论文使用授权的说明