大功率雙向DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)及其分析理論研究.pdf

1、大功率雙向DC-DC變換器在電動汽車、儲能系統(tǒng)、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、可再生能源發(fā)電以及超導(dǎo)儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文緊密圍繞大功率雙向DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)、PWM技術(shù)、系統(tǒng)建模和分析方法、數(shù)字化控制技術(shù)等問題進行系統(tǒng)深入的研究。
　　 針對大功率應(yīng)用的特點，本文首次提出了基于半橋結(jié)構(gòu)PEBB的大功率雙向DC-DC變換器拓撲理論和變換族，包括隔離型、非隔離型雙向拓撲，以及新型拓撲：多相結(jié)構(gòu)雙向拓撲、級聯(lián)結(jié)構(gòu)雙向拓撲、組

2、合結(jié)構(gòu)雙向拓撲和復(fù)合結(jié)構(gòu)雙向拓撲等。
　　 提出了雙向DC-DC變換器的兩種建模和分析方法：修正狀態(tài)空間平均方法MSSA和新穎的開關(guān)信號流圖統(tǒng)一建模與分析方法MSFG，建立了較完善的基礎(chǔ)分析和系統(tǒng)設(shè)計理論體系。提出的MSFG方法將解析模型和電路模型有機結(jié)合，可以直觀分析雙向變換器的電路特性，同時建立雙向DC-DC變換器的直流DC模型、交流AC小信號模型和大信號模型。
　　 本文重點分析和實驗驗證了其中的三類典型拓撲結(jié)構(gòu)：

3、BUCK/BOOST雙向DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)、兩相交錯雙向DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)、雙主動全橋拓撲結(jié)構(gòu)，相應(yīng)提出互補PWM控制技術(shù)、多相PWM技術(shù)、雙主動全橋移相PWM控制技術(shù)。詳細分析了三類變換器的基本工作原理、工作模態(tài)、雙向功率流特性和軟開關(guān)特性。分別采用MSSA方法和MSFG方法對三類變換器建立了系統(tǒng)模型，包括直流DC模型、交流AC小信號模型和大信號模型；并對穩(wěn)態(tài)性能、小信號傳遞函數(shù)頻率特性和大信號動態(tài)性能進行了仿真分析。兩種方法所建立的

4、模型分析結(jié)果一致，驗證了所提方法的正確性。
　　 分析了DC-DC變換器的電壓和電流控制模式，提出多模態(tài)控制技術(shù)，闡述了控制器的設(shè)計方法和步驟，給出一種新型變參數(shù)滯環(huán)PID調(diào)節(jié)器有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。首次提出一種大信號控制器的設(shè)計方法，并從理論上證明系統(tǒng)大信號穩(wěn)定。給出幾種雙向狀態(tài)切換技術(shù)(包括主動切換技術(shù)和被動切換技術(shù))，保障穩(wěn)定可靠的雙向能量流控制。
　　 本文對DC-DC變換器數(shù)字控制系統(tǒng)幾個關(guān)鍵參數(shù)(采樣速率、AD

5、轉(zhuǎn)換器位數(shù)、DPWM分辨率和開關(guān)頻率)的設(shè)計原則進行詳盡的分析，并提出非同步采樣檢測方法有效保證檢測電流電壓穩(wěn)定，從而避免控制系統(tǒng)震蕩。
　　 采用DSP-TMS320F2407為核心設(shè)計數(shù)字控制單元，研制了1套75 kW BUCK/BOOST雙向DC-DC變換器BBBC、2套150kW兩相交錯雙向DC-DC變換器IDBBC、1套5kW低壓輸出隔離型雙主動全橋雙向DC-DC變換器DABBC。高壓輸出系統(tǒng)效率＞98％，重量比功率＞