基于Z网络和开关升压网络的高增益阻抗源变换器拓扑构造研究

发布时间：2020-07-27 18:10

【摘要】：随着绿色可再生能源发电技术的快速发展,适用于燃料电池、太阳能等新能源发电系统的高性能高增益变换器拓扑,已成为电力电子技术领域一个重要的研究热点。阻抗源变换器自21世纪初提出以来,由于其结构简单,具有单级升降压特性,能够减少整个变换器系统的功率变换级数,提高系统性能,在电力电子变换器拓扑构造方面受到了广泛关注。本文以基本的Z源阻抗网络和开关升压阻抗网络为核心主线,根据它们内部自身结构的特点,通过改变元器件之间的连接方式,并结合开关电容和开关电感等传统升压网络的结构特性,提出了一种混合型阻抗源网络的构造方法,将其应用到DC-DC和DC-AC两种功率变换领域中,从而得到了一系列新型高性能高增益阻抗源变换器拓扑,进一步丰富了阻抗源网络的拓扑族,拓展了它的应用范围。本文所完成的工作具体体现在以下几个方面:(1)为了揭示阻抗源网络能够实现升压的内在机理,对四种基本阻抗源网络(Z源网络、准Z源网络、开关升压网络和准开关升压网络)的工作原理进行了详细分析,并比较了它们之间的工作性能,总结了各自的优缺点,为后续提出和构建新型阻抗源网络和阻抗源升压变换器奠定了基础。(2)基于传统的准Z源网络和准开关升压阻抗网络,通过外部添加单个开关电容支路,与阻抗网络中固有开关电容支路结合,构成新的开关电容单元,提出了三种单开关电容分支型高增益阻抗源DC-DC变换器。该拓扑构造方法不仅易于扩展,具有一般性,且有效提升了DC-DC变换器的输出电压增益,减小了开关管和电容的电压应力。(3)在传统非共地型开关电容升压网络基础上,提出了一种共地型开关电容网络,结合基本的准Z源网络和准开关升压网络,构建了三种共地型开关电容阻抗源DC-DC变换器。该拓扑构造方法不仅解决了传统开关电容网络的非共地问题,且使得DC-DC变换器具有输出升压比高,阻抗网络中二极管、开关管和电容的电压应力小等优点。(4)利用两个基本准Z源网络嵌入组合方式,提出了一种新型的高增益准Z源阻抗网络,进而构建了一种高增益准Z源DC-AC阻抗变换器;在开关升压准Z源网络基础上,通过级联开关电感网络或开关电容网络,分别提出了一种增强型有源开关电感升压网络变换器和一种增强型有源开关电容升压网络变换器。以上两种构造方法得到的变换器拓扑,器件使用数量少,输入电流纹波小,且实现了输出与输入共地、提升了变换器的输出电压增益、降低了阻抗网络中开关元件的电压应力。(5)在传统X型Z源阻抗网络基础上,通过把开关电感-电容单元嵌入到其固有电感支路上,提出了一种新的增强型X型Z阻抗网络。利用该阻抗网络,分别构建了一种高增益DC-AC半桥逆变器和一种非隔离型DC-DC直流升压变换器。该拓扑构造方法,不仅可以大幅提升变换器的输出升压能力,且有效降低了阻抗网络中电容的电压应力,进一步丰富和拓展了阻抗源网络的应用。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46

【参考文献】