隔离型宽增益范围谐振变换器

发布时间：2020-06-01 02:48

【摘要】：航天器、电动汽车、绿色数据中心等新的应用需求不断提出,促进了对新型变换器拓扑的研究与探索。为了满足航天器、电动汽车等电源系统日益增长的高效率、高功率密度和高可靠性的发展需求,本文对高性能隔离型宽增益范围谐振变换器的电路拓扑、控制和谐振参数优化展开研究。归纳总结了谐振变换器典型的分析和设计方法。以经典的LLC谐振变换器为例,对FHA分析法、时域近似分析法、数值分析法等多种谐振变换器分析方法作了详细的对比和应用说明。其中,FHA分析法最为简单实用,但增益分析的误差较大,尤其是在整流侧电流或电压断续的工作模式。最精确的方法就是借助于计算机数学软件的状态空间法或数值分析法,但是过程复杂一些。在对比的基础上,提出了谐振变换器的分析步骤。整理归纳还发现,虽然LLC谐振腔有多种设计方法,但是其效率优化目标都是找到满足不同约束条件组合的激磁电感比值与品质因数之积的最大值。研究了LLC和LCLCL多谐振变换器在宽输出电压范围时的参数优化方法。在现有设计方法归纳总结的基础上,考虑电池的充电特性,提出了宽输出LLC变换器的参数优化方法:根据恒流恒压充电曲线中的两个极限工作点设计出更大的激磁电感比值,减小导通损耗,提升全范围的变换效率。LCLCL多谐振变换器在LLC谐振腔的基础上增加了陷波单元,增益分析时也多了两个参数:陷波电感比值和陷波电容比值。分析结果表明,这两个比值对峰值增益的影响较小,但对原边电流影响较大。陷波电容比值对陷波频率和串联谐振频率的影响比陷波电感比值更明显。因此,谐振电容要先于谐振电感设计。LCLCL变换器的峰值增益受激磁电感比值和品质因数的影响。当满足最高电压增益需求时,原边电流有效值随着激磁电感比值与品质因数之积的增大而减小。在此基础上,提出了宽输出LCLCL多谐振变换器的参数优化方法。提出了一类适合宽输入电压场合的分裂谐振腔型LLC谐振变换器。通过变压器及谐振支路的裂解和组合,实现在不同的输入电压下变换器在高、中、低三种等效增益模式之间平滑自动切换,大大缩小了每一种工作模式所承担的谐振腔电压增益工作范围,使得LLC谐振腔参数得以优化,并减小了原边环流,提升了全输入电压范围内的整体变换效率。当两条谐振支路参数相同时,中增益模式的电压增益分别处在高增益模式和低增益模式的中间。为了增强拓扑的适应性,进一步优化谐振腔电压增益范围,采用多支路重组法来实现中增益模式的电压增益在其它两者之间的自由移动。优化后,谐振腔参数并不一定相同,但两支路对应谐振元件的阻抗比值都为变压器匝比的比值。在任一工作模式下,两个变压器都传输功率,提高了利用率、减小了总体积。提出了一类适合保持时间场合的集成升压单元型LLC谐振变换器。该集成升压单元仅在保持时间内工作,将输入储能电容中的能量泵入谐振电感或串联谐振腔,拓展了变换器的电压增益范围,满足了保持时间要求。而在正常输入电压下,变换器得以始终工作在谐振频率点附近。集成升压单元工作时,变换器的输出电压增益只与辅助开关管的占空比(或移相角)和谐振腔品质因数有关,而不受激磁电感的影响。因此,该类改进型变换器可以增大原边激磁电感,减小原边环流,明显提高正常工作状态(即额定输入电压)的效率。针对以上研究,分别搭建了相应的样机平台,并进行了充分的仿真和实验验证,验证了分析的正确性和可行性。
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电动汽车,电源系统,结构示意图

也称为直流充电桩，安装在充电站，功率大，实现高速公路等场合的快速充电，常采用高频高效的模块化结构。兼容不同车型时，非车载充电机的输出电压范围更宽，，如日本 CHAdeMO 标准的 50V~500V 和国内盛弘电气产品 SER750/20 的 200V~750V。在目前的交流电网中，两种充电机的模块广泛使用“PFC(Power Factor Correction)+DC-DC”两级式结构。其中，后级需要采用宽输出范围 DC-DC 变换器。随着直流微网[13,14,25,26]、电动汽车 V2G(Vehicle to Grid)和移动电站等概念的发展，新一代充电机更适合采用宽电压范围双向 DC-DC 变换器[27-29]。作为电动汽车的关键零部件，车载 DC-DC 变换器和车载充电机需要满足高可靠性、高效率、低体积、低成本等要求。高效率的宽电压范围 DC-DC 变换器不仅可以降低电池充电时的电能损耗和成本，还可以提高放电时的电能利用率、增加续航里程。此外，因为锂离子等高功率密度电池都有充放电次数的限制，它还可以延长电池使用寿命。FCEV 具有低噪音、燃料补充时间短和车辆综合燃料效率高等优点。2016 年，通用汽车正式公开了与美国陆军坦克车辆研发工程中心(TARDEC)共同研发的“雪佛兰科罗拉多 ZH2”全新军用燃料电池车。2017 年，通用汽车和日本本田公司宣布将合作生产新一代燃料电池车动力系统，以拓展商用市场和坦克等军事应用。然而，实现燃料电池电能变换的高效率宽输入范围DC-DC 变换器对车辆综合燃料效率的提升有着重要的影响[6,20]。

示意图,示意图

2 2 1 12 12 10.5 2r Lr r LrLr LrLr LrL i L iN = NAe B Ae B 2 12 20 2 0 12 12 12/ 2Lr Lr LrLrr ru Ae N u AeN= =L L 2 12 12 2 1 12 222Lr LrLr LrLr LrN NuAe uAe i i r2Lr1L2 1 图 4.32 Lr1和 Lr2的磁集成几何示意图
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

【参考文献】