基于耦合电感的新型软开关双向变换器研究

论文摘要

双向DC-DC变换器需求日益增多,主要有电动汽车、不间断电源（UPS）和航空电源系统、太阳能供电系统等应用场合。由于对能量双向传输的需求使得大功率、高功率密度双向DC-DC变换器成为研究热点。传统的双向DC-DC变换器只适用于中小功率场合,应用在大功率系统会出现开关管电压应力大,开关损耗严重。此背景下,急切要求双向DC-DC变换器有较高的电压增益和较小的开关电压应力,以适应发展需要。本文首先研究了双向变换器的原理和应用、双向变换器的基本拓扑结构以及采用软开关技术的双向变换器的基本拓扑结构。分析了双向变换器存在的输出电压增益偏小及电压应力大的问题。为了有效解决这个实际问题,本文提出了一种基于耦合电感的新型双向变换器,本变换器用耦合电感取代了传统隔离型升压电路的变压器,减小了变换器的体积,获得高输出电压的同时降低开关管电压应力。分析了新型双向变换器的工作原理,对其工作模式进行数学解析,推导出其输出电压增益与主开关管电压应力关系式,利用仿真实验验证了其有效性。并且提出了几种基于耦合电感的双向变换器的其他变型拓扑结构。为了减小变换器开关损耗,在上述电路基础上引入了一个有源箝位软开关单元,提出了一种基于耦合电感零电压软开关双向DC-DC变换器。分析了变换器的工作原理,并对其工作模式进行数学解析,推导出各模态下动态表达式；推导了软开关产生条件,计算出各模式下的电流电压应力,对其进行参数设计；应用MATLAB仿真软件对变换器进行了不同负载,不同占空比下的仿真,仿真结果证实了该变换器的优良的软开关特性,也证实了理论分析的正确性。最后将应用耦合电感软开关双向变换器与硬开关耦合电感双向变换器在升压模式下进行了比较分析,验证了采用软开关的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与意义
• 1.2 开关电源的发展
• 1.2.1 电力电子技术的发展概况
• 1.2.2 直流开关电源的发展现状
• 1.3 软开关技术的提出
• 1.3.1 硬开关的工作特性
• 1.3.2 软开关的工作特性
• 1.3.3 软开关技术的分类
• 1.3.4 软开关的发展概况
• 1.4 论文的主要结构及创新点
• 第2章 双向DC-DC变换器
• 2.1 双向DC-DC变换器的概念
• 2.2 双向DC-DC变换器的应用
• 2.3 双向变换器的基本拓扑结构
• 2.3.1 非隔离型双向变换器
• 2.3.2 隔离型双向变换器
• 2.4 应用软开关技术的双向变换器拓扑结构
• 2.5 双向DC-DC变换器存在的问题
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于耦合电感双向变换器
• 3.1 传统双方向变换器原理分析
• 3.2 基于耦合电感双向DC-DC变换器
• 3.2.1 回路构成
• 3.2.2 回路动作及特征
• 3.2.3 升压动作输出电压增益
• 3.3 基于耦合电感双向变换器的变型拓扑
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于耦合电感软开关双向变换器
• 4.1 回路的构成
• 4.2 回路动作原理
• 4.3 回路动作数学解析
• 4.4 ZVS条件和ZCS条件
• 4.4.1 主开关管的软开关条件
• 4.4.2 辅助开关管的软开关条件
• 4.5 参数设置
• 4.5.1 谐振电容的设计
• 4.5.2 谐振电感的设计
• 4.5.3 箝位电容的设计
• 4.5.4 死区时间的设计
• 4.6 器件的电压电流应力分析
• 4.7 输出增益分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 回路仿真研究
• 5.1 仿真环境简介
• 5.2 回路仿真模型
• 5.3 基于耦合电感双向变换器仿真结果分析
• 5.4 基于耦合电感软开关双向变换器仿真分析
• 5.4.1 回路模式仿真分析
• 5.4.2 重载轻载软开关特性变化
• 5.4.3 占空比对回路特性影响
• 5.5 软开关与硬开关的对比分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 附录