電力電子變換系統(tǒng)的元件復用理論與方法.pdf

1、電力電子技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域和高新技術(shù)領(lǐng)域中均扮演著重要的角色。在實際應用中，通常需要多個電力電子變換器共同協(xié)作。這些共同協(xié)作的電力電子變換器組成了電力電子變換系統(tǒng)。盡管不同應用場合對電力電子變換系統(tǒng)的性能要求有所不同，但低成本、高功率密度和高效率始終是系統(tǒng)設(shè)計的共同目標。本文首先對電力電子變換系統(tǒng)中的元件復用研究現(xiàn)狀進行回顧，指出元件復用是降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)功率密度和效率的有效途徑。
　　 本文分析了元件復用的優(yōu)勢，指出研究現(xiàn)狀

2、的不足，并提出了對元件復用拓撲進行系統(tǒng)化設(shè)計這一思路。為了展開對元件復用的研究，本文首先以單輸入多輸出直流變換系統(tǒng)為切入點。為了在已復用隔離變換器和原邊元件，且原邊功率開關(guān)已用于控制一路輸出的情況下，仍能實現(xiàn)其它支路輸出電壓的完全調(diào)節(jié)，本文提出了互補脈寬的概念，并依此推導出一種利用相移和開關(guān)頻率進行控制的全橋雙路輸出互補脈寬變換器。該變換器無需增加額外的可控元件即可實現(xiàn)兩路輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，同時可實現(xiàn)原邊功率開關(guān)的零電壓開通（ZVS）

3、。針對該變換器電壓應力較高、導通損耗較大和頻率變化范圍較寬的缺點，本文對互補脈寬的概念進行了拓展，依此推導出一種僅由半導體、電容和隔離變壓器組成的改進型全橋雙路輸出互補脈寬變換器，不但實現(xiàn)了兩個支路輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了所有功率半導體的軟開關(guān)運行，同時還減小了開關(guān)頻率的變化范圍。隔離變壓器和原邊元件均復用的設(shè)計方案使各支路之間嚴重耦合。為此，本文對另一種元件復用的設(shè)計方案，即保留各支路的隔離變壓器，僅復用橋臂的設(shè)計方案展開研究。對已

4、有的ZVS 橋臂復用變換器進行了分析，提出零電流開關(guān)（ZCS）橋臂復用的概念，使功率開關(guān)的類型、軟開關(guān)模式和器件功率容量得以充分匹配，并依此推導出一種復用滯后ZCS 橋臂的多路輸出變換器。該變換器的每一支路均具有獨立的隔離變壓器和獨立的ZVS 超前橋臂，但復用同一個ZCS 滯后橋臂，各支路輸出可通過獨立超前橋臂與復用滯后橋臂之間的相移來調(diào)節(jié)。此外，各橋臂均可實現(xiàn)軟開關(guān)，同時還能方便地實現(xiàn)輸出支路的擴展。目前對單輸入多輸出直流變換系統(tǒng)的元

5、件復用設(shè)計尚無系統(tǒng)性的指導方法。
　　 本文用統(tǒng)一的觀點對各種多路輸出變換器進行歸納，建立單輸入多輸出直流變換系統(tǒng)的元件復用理論與方法。以最基本的Buck、Boost和Buck-Boost 變換器為演化基礎(chǔ)，以單輸入多輸出直流變換系統(tǒng)的需求為演化約束，以一個工作周期內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移為分析思路，本文推導出三個系列的并入型基本元件復用拓撲，并進一步給出了元件復用拓撲的支路擴展準則。以此為依據(jù)，本文建立了基本元件復用拓撲與已有多路輸出變換

6、器之間的一一對應關(guān)系。為增強元件復用設(shè)計方法的普適性，本文將單輸入多輸出直流變換系統(tǒng)的元件復用設(shè)計方法拓展至級聯(lián)型以及多輸入單輸出直流變換系統(tǒng)。本文給出了另外兩個系列的串入型基本元件復用拓撲，并針對不同變換系統(tǒng)的需求，給出了元件復用拓撲的演化規(guī)則。以此為依據(jù)，本文建立了基本元件復用拓撲與級聯(lián)型和多輸入單輸出直流變換系統(tǒng)中各具體電路之間的一一對應關(guān)系，并對基本元件復用拓撲的適用場合進行了歸納和總結(jié)。最后，本文對元件復用設(shè)計方法的可行性進行