双输入变结构高增益DC-DC变换器的研究

发布时间：2017-04-01 10:10

  本文关键词：双输入变结构高增益DC-DC变换器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着环境污染的加剧和化石能源的逐步减少,近年来新能源得到了人们的日益重视。本文针对现有新能源系统中电池模块多、输出电压低、输出功率不稳定等问题,总结和归纳了多输入变换器的研究现状和在高增益应用场合存在的不足,提出了一种基于电容-二极管倍压单元的双输入变结构高增益DC-DC变换器。该变换器具有电压调节增益高、开关器件电压应力小、控制自由度多、各输入源功率可灵活分配等优点,变结构开关组的设计,让变换器在单、双输入状态下都能够正常工作,输出稳定的电压和功率,最大程度上利用清洁能源。首先在普通双输入倍压变换器的基础上设计了一种新的升压单元,能够使原有变换器的增益增加一倍,然后指出了此类变换器存在单输入状态下无法工作的缺陷。因此提出了变结构拓扑的概念和双输入变结构高增益变换器的具体拓扑以解决这一问题,该拓扑不仅具有高增益功能,并且能满足双输入联合供电和单独供电的需要,随后详细分析了变换器的工作原理和性能,介绍了变结构开关组不同的开关状态以及状态之间切换的条件,总结了变换器的优点和存在的局限性。其次,面对变换器双输入能量的管理和开关组切换的控制问题,本文提供了一种详细的控制策略,使变换器能够根据负载大小对开关组和控制方法进行自主切换和调整,以保证输出电压的稳定和清洁能源最大效率的使用。再则,考虑到变换器属于六阶模型,建模和补偿器设计较为困难,文章利用等效替换的方法将模型进行了降阶处理,得到了在不同开关组状态下的四阶模型,并在此基础上设计了对应的补偿器。最后,为了验证所提出的拓扑的可行性和分析的准确性,制作了双输入变结构高增益变换器的实验样机,给出了每个实验模块设计的原理,并对样机分别进行了双输入稳态条件下和开关组切换条件下的两次闭环实验,分别给出了两次实验的波形结果,并详细分析了波形的含义。实验结果和理论分析显示,本文提出的一种双输入变结构高增益变换器拓扑,实现了高增益,能量管理等功能,减小了器件开关电压应力,同时也能满足双输入源同时、单独工作的需要。它为变换器在混合新能源输入输出高压差情况下的应用提供了一个新的解决方案。
【关键词】：新能源 高增益 多输入 变结构 非隔离DC/DC变换器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-22
• 1.1 背景意义8-10
• 1.1.1 能源现状与新能源的开发8-9
• 1.1.2 混合能源互补发电模式9-10
• 1.2 多输入变换器在混合能源下的应用10-11
• 1.2.1 传统变换器存在的局限性10-11
• 1.2.2 多输入变换器的优势11
• 1.3 多输入变换器的研究现状11-18
• 1.3.1 隔离型多输入变换器11-14
• 1.3.2 非隔离型多输入变换器14-18
• 1.4 本文的研究内容和意义18-22
• 1.4.1 本文研究的意义18-19
• 1.4.2 本文研究的主要内容19-22
• 2 双输入变结构高增益变换器原理和性能分析22-40
• 2.1 引言22
• 2.2 双输入变结构高增益变换器拓扑的提出及原理22-31
• 2.2.1 一种高增益倍压单元和变结构开关组拓扑的提出22-25
• 2.2.2 双输入变结构高增益变换器拓扑的工作原理25-31
• 2.3 双输入变结构高增益变换器工作模态的选择31-33
• 2.4 双输入变结构高增益变换器的性能33-37
• 2.4.1 电压增益M33-34
• 2.4.2 输入电流关系34
• 2.4.3 电压电流应力34-36
• 2.4.4 功率应用等级36
• 2.4.5 输入能量分配临界值36-37
• 2.5 变换器的优势以及局限性37-38
• 2.6 本章小结38-40
• 3 变换器的控制设计及分析40-54
• 3.1 引言40
• 3.2 变换器模态切换的控制策略40-44
• 3.2.1 控制程序流程图40-41
• 3.2.2 控制实现原理41-44
• 3.3 变换器的数学模型44-47
• 3.3.1 双输入模式下的小信号模型44-46
• 3.3.2 单输入模式下的小信号模型46-47
• 3.4 补偿器设计47-53
• 3.4.1 单输入模式补偿器的设计48-50
• 3.4.2 双输入模式补偿器的设计50-53
• 3.5 本章小结53-54
• 4 变换器参数设计与实验验证54-70
• 4.1 引言54
• 4.2 双输入高增益变换器的参数设计和选型54-58
• 4.2.1 电容参数计算和选型54-55
• 4.2.2 电感参数计算和选型55-57
• 4.2.3 开关器件电压应力计算和选型57-58
• 4.3 双输入高增益变换器实验硬件模块设计制作58-63
• 4.3.1 驱动模块59-60
• 4.3.2 隔离型采样模块60-61
• 4.3.3 最小系统模块61-62
• 4.3.4 样机整体62-63
• 4.4 实验验证和结果分析63-67
• 4.4.1 双输入高增益闭环稳态实验63-65
• 4.4.2 变结构不同模态切换实验65-67
• 4.5 实验中的不足67-68
• 4.6 本章小结68-70
• 5 总结与展望70-72
• 5.1 全文工作总结70-71
• 5.2 未来工作展望71-72
• 致谢72-74
• 参考文献74-78
• 附录78
• A 作者在攻读硕士学位期间发表（录用）的论文78
• B 作者在攻读硕士学位期间参加的项目78

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本文编号：280445