DC-DC變流器的柔性變拓撲研究.pdf

1、電力電子標準電源模塊的普適化和通用化，是繼電力電子電源模塊標準化后，電力電子系統(tǒng)集成工作的進一步深入發(fā)展。標準電源模塊的普適化和通用化，可在電力電子系統(tǒng)集成標準電源模塊成功實際推廣應用，從而形成電力電子產(chǎn)業(yè)新的推動力這一過程中，起到舉足輕重的作用。變拓撲柔性變流器技術(shù)是電力電子標準電源模塊普適化和通用化的具體體現(xiàn)。本文圍繞著“變拓撲柔性變流器”這一全新的概念，在具有功能同構(gòu)性質(zhì)的拓撲軟開關(guān)優(yōu)化、符合變拓撲含義的雙向DC-DC變流器軟開關(guān)

2、優(yōu)化，拓撲的同構(gòu)和對偶理論、變拓撲柔性變流器的拓撲尋求、拓撲切換電路構(gòu)造、拓撲切換策略、拓撲兼容方式，以及變拓撲柔性變流器的主要構(gòu)成范式和應用等一系列方面上展開了廣泛的研究，在電力電子標準電源模塊的普適性方向上提出具有實踐操作價值的完整思路和理論，這些思路和理論的總和，即構(gòu)成了變拓撲柔性變流器理論的基本體系和研究框架，對提高標準電源模塊的普適性和通用性具有指導性意義。
　　 電力電子拓撲的基本研究始終是電力電子功率變換領(lǐng)域的主體

3、。針對電力電子系統(tǒng)集成的前期拓撲優(yōu)化研究中，優(yōu)化拓撲的個異性強，拓撲優(yōu)化方案通用性不足的情況，根據(jù)標準電源模塊候選拓撲內(nèi)部功能模塊電路構(gòu)造的異同提出了功能同構(gòu)拓撲的概念，并按照中小功率和中大功率等級兩種應用場合的分類提出了具有通用性意義的軟開關(guān)方案，在此基礎(chǔ)上還做了進一步的深入優(yōu)化。這種按照功能同構(gòu)形式對標準電源模塊候選拓撲進行研究的方法，可根據(jù)電力電子拓撲內(nèi)在電路功能模塊的構(gòu)成方式和具體實施方式，系統(tǒng)性地推舉并派生出相互之間關(guān)系程度密

4、切的一系列關(guān)聯(lián)拓撲，形成了功能同構(gòu)的拓撲族，擴展了變拓撲柔性變流器的子拓撲候選范圍。同時對功能同構(gòu)拓撲族中具體個例元素的研究，又有望在諸項期望的電氣性能提高上取得新的突破，從而又可以形成一類新的電力電子功能同構(gòu)拓撲族。研究結(jié)果表明，采用該功能同構(gòu)的方式對電力電子拓撲進行研究，確實可提升拓撲優(yōu)化方向的針對性、增加拓撲之間的相互關(guān)聯(lián)性并提高新穎拓撲創(chuàng)新能力的有效性，從而證明了根據(jù)功能同構(gòu)概念研究并優(yōu)化電力電子拓撲的這一方式的正確性和可行性研

5、究了能量雙向傳遞時開關(guān)管電氣應力對等的雙向DC-DC變流器，提出了完整的實用型電力電子拓撲整流二極管ZCS關(guān)斷技術(shù)的判斷理論和實現(xiàn)方法。根據(jù)導出的理論，構(gòu)建了含有24種元素的具有輸出整流二極管ZCS性質(zhì)的三元件諧振拓撲族，并通過三元件諧振拓撲族中拓撲元素同構(gòu)和對偶的推演和組合，又提出一族總計24種具有斬波開關(guān)管可ZVS開啟、整流開關(guān)管可ZCS關(guān)斷的開關(guān)損耗最小化的“雙軟”雙向DC-DC拓撲，完全符合變拓撲變流器應用的概念。實驗樣機也驗證

6、了提出的拓撲在能量雙向傳遞的兩種工作模式下均能高效率工作，具有較高的功率密度和成本優(yōu)勢。雙向DC-DC變流器，特別是“雙軟”的雙向DC-DC變流器研究在變拓撲變流器的子拓撲尋求和子拓撲/工作模式切換方面具有重要的指導意義，同時也是現(xiàn)有的變拓撲變流器相關(guān)理論和技術(shù)從DC-DC變流器的范疇能成功拓展到有關(guān)交流變流器應用領(lǐng)域中去的關(guān)鍵。
　　 在前期拓撲優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，探討了狹義變拓撲變流器所應具備的3個主要性質(zhì)，從全方位上對狹義變

7、拓撲變流器在寬輸入范圍應用場合中的構(gòu)成理論作了深入研究：提出狹義變拓撲變流器子拓撲電路之間必然有同構(gòu)或?qū)ε嫉年P(guān)系，需要按照電力電子電路同構(gòu)和對偶的原則來尋找適合于構(gòu)成狹義變拓撲變流器的子拓撲電路；發(fā)現(xiàn)了子拓撲切換電路使用器件數(shù)目最簡化的可能性一定存在，并提出了關(guān)于所需最少切換繼電器個數(shù)的基于數(shù)學轉(zhuǎn)換矩陣的推導算法；提出了一種具有通用性質(zhì)的能量消耗式子電路切換策略，并繪制了相應的子電路模式切換邏輯狀態(tài)機；對于小信號的兼容提出了數(shù)控法和反饋

8、補償法兩種設計思路，對于磁元件的兼容提出了改變匝數(shù)和諧振選頻兩種設計思路。給出了兩個狹義變拓撲交流器的具體實施例，在分別驗證了交拓撲變流器所具有的3點性質(zhì)的同時，還具體說明了如何根據(jù)狹義變拓撲交流器的構(gòu)成理論積極構(gòu)造高性能、低成本的變拓撲變流器，因而證明了狹義變拓撲交流器理論的正確性和其實用價值。
　　 從廣義變拓撲變流器的定義以及和狹義變拓撲變流器之間的區(qū)別出發(fā)，說明了廣義變拓撲變流器允許其中的元器件可以不被完全復用、以及構(gòu)成

9、方式和切換方式均較為靈活的特點，并討論了其具有的3個主要性質(zhì)，系統(tǒng)性地歸納并總結(jié)了廣義變拓撲變流器構(gòu)成的3個主要大類范式(包括7種小類子范式)。通過對每一個子范式按照工業(yè)界的實際應用現(xiàn)狀和學術(shù)界的科研成果的一對一案例研究表明，該廣義變拓撲變流器構(gòu)成范式的提出，能夠反映電力電子行業(yè)在提高電源產(chǎn)品普適性應用和研究上的最新現(xiàn)狀，可代表普適性電力電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，具有理論體系上的發(fā)展意義和實踐領(lǐng)域上的指導意義。根據(jù)廣義變拓撲變流器理論構(gòu)建的實