新型隔离三端口拓扑及控制策略研究
发布时间：2021-12-29 10:53
本文以移动车载电源的应用为研究背景,首先分析和研究电压型移相全桥隔离三端口变换器拓扑,基于三个端口的功率特性给出隔离型三端口变换器解耦的实现方法,并在功率解耦的基础上对端口软开关范围和电流应力优化。首先,通过建立电压型隔离三端口变换器的Y型和（35）型等效模型进而将其等效为多个DAB（Dual-Active-Bridge,双有源桥结构）,由DAB结构推导出三个端口的功率传输表达式,根据端口功率传输表达式,分析三端口之间的耦合关系,进而提出新型隔离三端口拓扑。其次,提出基于多谐振的新型隔离三端口拓扑。根据该拓扑的等效模型,采用傅里叶分解的计算方法,对解耦后的三端口的电流瞬时表达式、软开关范围和端口的功率传输特性进行推导,分析不同负载和电压匹配程度下的端口软开关范围和电流应力大小。根据该拓扑的稳态模型,选取系统的谐振参数,对该拓扑建立小信号模型,设计三端口相互独立的控制环路,对新型三端口变换器的解耦性能进行仿真验证。针对不同端口电压匹配程度和负载大小对端口软开关和电流应力的影响,在端口外移相控制的基础上引入端口内移相,针对高压侧电压浮动采取两种不同优化控制算法,扩展高压侧端口的软开关范围和...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隔离型三
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文15)π1(ωLVV121212s2"112p(2-7)同理可以写出2、3端口和1、3端口之间的功率传输公式，那么根据电感的传输功率和端口功率之间的关系，得到每个端口的功率传输表达式标幺值如下式(2-8)、(2-9)、(2-10)。)π1(ZMM)π1(ZM1313.13123112.121.1pupupup(2-8))π1(ZM-)π1(ZM1212.1223123.233.2pupupup(2-9))π1(ZM)π1(ZMM2323.2313313.1331.3pupupup(2-10)定义M1和M3为第一、三端口的电压与第二端口的电压匹配程度，这里的M1为2112nnV/V，M3为2332nnV/V，Z12.pu、Z13.pu、Z23.pu为L12、L13、L23阻抗的标幺值。第三端口接入阻性负载时，进而得到了第三端口的升压公式如下式2-12，322332323s"13321313s"3"13V)π1(ωLVV)π1(ωLVVRp(2-11))(nRn)(nRn"π1ωLVπ1ωLVV232323s3132321313s31323(2-12)从端口功率表达式来看，任一端口的功率由两部分组成，任意端口的工作状态的变化（端口电压和移相角变化）均会影响到其他端口的功率大小和甚至方向，这对系统的动态响应是非常不利的。恤第一端口功率pu00.20.40.60.80204001020304050a)第一端口功率特性（M1=M3=1）第二端口功率pu00.10.20.30.402040010203040500.5b)第三端口功率特性（M1=M3=1）图2-4隔离型三端口功率特性图从上图2-4可以得到第一端口的功率传输受移相角12和13两个自由度控制，第一、三端口功率存在共同的控制量13
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文162.2.2隔离型三端口的软开关特性分析高频开关电源中软开关的实现能够有效减小器件的损耗，对于隔离型三端口而言，其采用了功率电感（漏感）作为功率的传输器件，电感中电流相位常滞后于端口电压相位，在不采用额外的辅助器件的情况下隔离型三端口亦能够在一定传输功率范围和端口电压匹配程度内实现所有桥臂开关管的零电压开通（ZVS）。根据零电压的实现条件，忽略死区时间的影响，在开关管S1~S12开通前各个端口电流对开关管寄生电容Cr1~Cr12反向充电直至电容放电至0经开关管体二极管续流，将开关管的电压箝位。对于仅采用外移相控制的条件下S1与S4的零电压开通条件是相同的i1(t0)0，同时由于一个周期内端口电流的对称性可以得到如下)()(3101titi，S2与S3零电压开通条件0)(31ti，那么第一端口所有开关管实现软开关的条件可以简化为0)()(3101titi，同理可以得到其他端口所有器件的ZVS实现条件0)()(4212titi，0)()(5223titi（这里选择第三端口的电流流入方向为正方向），根据上述关系，所有开关管ZVS开通条件为，0Z2πMπMM2Z2ππM2)(.1313133.121120.1pupuputi(2-13)0Z2ππMM2Z2πMM2π)(.121112.2332331.2pupuputi(2-14)0Z2πMπMM2Z2πM2π)(.1311133.232333.3pupuputi(2-15)结合三端口的功率传输特性和软开关范围得到下图2-5，图中分别选取了M1等于1、M3为1；M1为0.9、M3为0.9；M1为0.8、M3为0.8和M1为0.9、M3为1.1等多组电压匹配情况。从图2-5中可以看出只有当M1和M3都为1时，即三个端口的电压完全匹配时，在所有的负载条件下该变换器的三个端口均可实现零电压开通。第一端口功率pu00.51.01.52.0
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种隔离型三端口双向LCLC多谐振直流变换器[J]. 李微,王议锋,韩富强,陈博. 电工技术学报. 2018(14)
[2]基于傅里叶级数建模的双有源桥DC-DC变换器电流有效值分析[J]. 程红,马志鹏,王聪,沙广林. 电力自动化设备. 2017(05)
[3]移相占空比控制的三端口双向直流变换器[J]. 王政,储凯,张兵,张玥. 电机与控制学报. 2015(07)
[4]基于广义状态平均法的双有源全桥变换器建模[J]. 蒋小平,魏立彬,彭朝阳,罗中戈,沙广林. 电子技术应用. 2015(07)
[5]航天用非隔离集成三端口变换器的建模与控制系统设计[J]. 李芳,游小杰,李艳. 电工技术学报. 2014(S1)
[6]基于扩展描述函数法的直流变换器小信号建模与仿真[J]. 刘灿,王萍. 科学技术与工程. 2013(33)
[7]太阳能电池的动态模型和动态特性[J]. 秦岭,谢少军,杨晨,许津铭,王挺. 中国电机工程学报. 2013(07)
[8]副边调整式三端口半桥DC-DC变换器[J]. 吴红飞,邢岩,胡海兵,张君君,丁顺,陈润若. 中国电机工程学报. 2011(30)
博士论文
[1]面向新能源的多端口DC-DC变流器研究[D]. 谢军.合肥工业大学 2013
硕士论文
[1]用于光储系统的三端口电源变换器及其控制策略研究[D]. 齐贤斌.哈尔滨工业大学 2019
[2]全桥隔离型双向DC-DC变换器研究[D]. 李乾.北京交通大学 2018
[3]高性能小功率DC/DC模块电源研究[D]. 侯庆会.浙江大学 2018
[4]基于半桥LLC谐振变换器的车载充电器的设计[D]. 闫行.华南理工大学 2018
[5]隔离型三端口变换器的分析和控制[D]. 邓明杰.哈尔滨工程大学 2018
[6]三端口全桥变换器的零功率控制[D]. 凌志翔.山东大学 2017
[7]光储发电系统三端口DC/DC变换器硬解耦与控制方法研究[D]. 杨旭.哈尔滨工业大学 2016
[8]惩罚函数法在约束最优化问题中的研究与应用[D]. 蔡海鸾.华东师范大学 2015
[9]基于S4R技术的空间电源控制策略研究与实现[D]. 铁琳.上海交通大学 2011
本文编号：3555984
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隔离型三
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文15)π1(ωLVV121212s2"112p(2-7)同理可以写出2、3端口和1、3端口之间的功率传输公式，那么根据电感的传输功率和端口功率之间的关系，得到每个端口的功率传输表达式标幺值如下式(2-8)、(2-9)、(2-10)。)π1(ZMM)π1(ZM1313.13123112.121.1pupupup(2-8))π1(ZM-)π1(ZM1212.1223123.233.2pupupup(2-9))π1(ZM)π1(ZMM2323.2313313.1331.3pupupup(2-10)定义M1和M3为第一、三端口的电压与第二端口的电压匹配程度，这里的M1为2112nnV/V，M3为2332nnV/V，Z12.pu、Z13.pu、Z23.pu为L12、L13、L23阻抗的标幺值。第三端口接入阻性负载时，进而得到了第三端口的升压公式如下式2-12，322332323s"13321313s"3"13V)π1(ωLVV)π1(ωLVVRp(2-11))(nRn)(nRn"π1ωLVπ1ωLVV232323s3132321313s31323(2-12)从端口功率表达式来看，任一端口的功率由两部分组成，任意端口的工作状态的变化（端口电压和移相角变化）均会影响到其他端口的功率大小和甚至方向，这对系统的动态响应是非常不利的。恤第一端口功率pu00.20.40.60.80204001020304050a)第一端口功率特性（M1=M3=1）第二端口功率pu00.10.20.30.402040010203040500.5b)第三端口功率特性（M1=M3=1）图2-4隔离型三端口功率特性图从上图2-4可以得到第一端口的功率传输受移相角12和13两个自由度控制，第一、三端口功率存在共同的控制量13
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文162.2.2隔离型三端口的软开关特性分析高频开关电源中软开关的实现能够有效减小器件的损耗，对于隔离型三端口而言，其采用了功率电感（漏感）作为功率的传输器件，电感中电流相位常滞后于端口电压相位，在不采用额外的辅助器件的情况下隔离型三端口亦能够在一定传输功率范围和端口电压匹配程度内实现所有桥臂开关管的零电压开通（ZVS）。根据零电压的实现条件，忽略死区时间的影响，在开关管S1~S12开通前各个端口电流对开关管寄生电容Cr1~Cr12反向充电直至电容放电至0经开关管体二极管续流，将开关管的电压箝位。对于仅采用外移相控制的条件下S1与S4的零电压开通条件是相同的i1(t0)0，同时由于一个周期内端口电流的对称性可以得到如下)()(3101titi，S2与S3零电压开通条件0)(31ti，那么第一端口所有开关管实现软开关的条件可以简化为0)()(3101titi，同理可以得到其他端口所有器件的ZVS实现条件0)()(4212titi，0)()(5223titi（这里选择第三端口的电流流入方向为正方向），根据上述关系，所有开关管ZVS开通条件为，0Z2πMπMM2Z2ππM2)(.1313133.121120.1pupuputi(2-13)0Z2ππMM2Z2πMM2π)(.121112.2332331.2pupuputi(2-14)0Z2πMπMM2Z2πM2π)(.1311133.232333.3pupuputi(2-15)结合三端口的功率传输特性和软开关范围得到下图2-5，图中分别选取了M1等于1、M3为1；M1为0.9、M3为0.9；M1为0.8、M3为0.8和M1为0.9、M3为1.1等多组电压匹配情况。从图2-5中可以看出只有当M1和M3都为1时，即三个端口的电压完全匹配时，在所有的负载条件下该变换器的三个端口均可实现零电压开通。第一端口功率pu00.51.01.52.0
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种隔离型三端口双向LCLC多谐振直流变换器[J]. 李微,王议锋,韩富强,陈博. 电工技术学报. 2018(14)
[2]基于傅里叶级数建模的双有源桥DC-DC变换器电流有效值分析[J]. 程红,马志鹏,王聪,沙广林. 电力自动化设备. 2017(05)
[3]移相占空比控制的三端口双向直流变换器[J]. 王政,储凯,张兵,张玥. 电机与控制学报. 2015(07)
[4]基于广义状态平均法的双有源全桥变换器建模[J]. 蒋小平,魏立彬,彭朝阳,罗中戈,沙广林. 电子技术应用. 2015(07)
[5]航天用非隔离集成三端口变换器的建模与控制系统设计[J]. 李芳,游小杰,李艳. 电工技术学报. 2014(S1)
[6]基于扩展描述函数法的直流变换器小信号建模与仿真[J]. 刘灿,王萍. 科学技术与工程. 2013(33)
[7]太阳能电池的动态模型和动态特性[J]. 秦岭,谢少军,杨晨,许津铭,王挺. 中国电机工程学报. 2013(07)
[8]副边调整式三端口半桥DC-DC变换器[J]. 吴红飞,邢岩,胡海兵,张君君,丁顺,陈润若. 中国电机工程学报. 2011(30)
博士论文
[1]面向新能源的多端口DC-DC变流器研究[D]. 谢军.合肥工业大学 2013
硕士论文
[1]用于光储系统的三端口电源变换器及其控制策略研究[D]. 齐贤斌.哈尔滨工业大学 2019
[2]全桥隔离型双向DC-DC变换器研究[D]. 李乾.北京交通大学 2018
[3]高性能小功率DC/DC模块电源研究[D]. 侯庆会.浙江大学 2018
[4]基于半桥LLC谐振变换器的车载充电器的设计[D]. 闫行.华南理工大学 2018
[5]隔离型三端口变换器的分析和控制[D]. 邓明杰.哈尔滨工程大学 2018
[6]三端口全桥变换器的零功率控制[D]. 凌志翔.山东大学 2017
[7]光储发电系统三端口DC/DC变换器硬解耦与控制方法研究[D]. 杨旭.哈尔滨工业大学 2016
[8]惩罚函数法在约束最优化问题中的研究与应用[D]. 蔡海鸾.华东师范大学 2015
[9]基于S4R技术的空间电源控制策略研究与实现[D]. 铁琳.上海交通大学 2011
本文编号：3555984
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