应用于多模块系统的两模式Buck-Push-Pull拓扑研究

发布时间：2020-07-12 22:57

【摘要】：在高压取能电源,柔性直流输电等应用场合,输入电压较高并且输入电压变化范围宽,常规的拓扑难于应用于这种场合。常见的方案是输入串联输出并联(ISOP)结构的反激变换器,但是反激变换器在较宽的输入电压变化范围内其效率不高并且开关管承受的电压应力也较大,需要较多的模块串联以降低每个模块承受的电压,并不适合于电压宽范围输入的情况。对于电压宽范围输入的场合,有文献提出采用两模式Buck-Boost的方案,但由于在多模块系统中变换器输入输出需要有电气隔离,所以无法在ISOP系统中采用。因此,需要对应用于电压宽范围输入的隔离型变换器进行研究。本文提出一种两模式Buck-Push-Pull拓扑,并且对其工作原理和运行方式进行分析与设计。在电压宽范围输入的应用场合,两模式Buck-Push-Pull拓扑可以自动根据输入电压的大小选择相应的工作模式,从而在整个输入电压范围内以最合适的模态运行。除此之外,本文对两模式Buck-Push-Pull拓扑进行建模与分析,经过建模结果可知两模式Buck-Push-Pull拓扑在整个输入电压范围内都是二阶模型,便于控制器设计,相对于级联系统的方案在控制效果方面有着天然的优势。本文在两模式Buck-Push-Pull拓扑中通过加入辅助开关网络,使变压器原边侧开关管实现零电压开通,变压器副边侧二极管实现零电流关断,减小了变换器功率器件所承受的电压电流应力,提升了效率。随后本文对两模式Buck-Push-Pull拓扑工作于ISOP结果的系统进行建模与分析。在ISOP系统中由于要考虑到输入均压的问题,本文对引起输入电压不均衡的原因和实现输入均压的控制方案进行对比分析,然后对极端负载情况下输入均压环不能实现输入均压问题进行研究并提出加入辅助开关网路的解决方案。然后,本文对输入电压阶跃的情况进行分析,对基于输入电压大信号前馈模型和小信号前馈模型进行仿真对比研究。本文通过使用数字控制芯片TMS320F28335进行实验,对数字控制器避免极限环震荡选取AD模块分辨率和PWM模块分辨率进行分析与设计。最后,本文通过对两模式Buck-Push-Pull的小信号模型设计补偿网络进行设计并离散到z域,经过仿真和实验验证了本文提出的两模式Buck-Push-Pull拓扑方案的可行性。仿真和实验验证了两模式Buck-Push-Pull拓扑在选取合适的辅助开关网络后能在变压器原边开关管实现零电压开通,变压器副边侧整流二极管实现零电流关断,有效减少了功率器件的电压电流应力,并且在选取合适的控制器参数后电路能在升压模式和降压模式之间平滑切换,拓宽了变换器所能承受的输入电压范围,使电路能应用在电压宽范围输入的高压应用场合。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

输入开关,变换器,电容,电路

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文侧的预调整电路和位于输出侧的稳压电路。预调整电路主要是通电压不同改变其工作状态以缩小输入电压的变化范围，而稳压电稳定输出电压[1,2]。常见的有开关电容级联 Buck 电路和 Boost 级联。文献[1]提出开关电容级联 Buck 电路原理图 1-1 所示，预调整过根据输入电压不同而改变开关电容的连接方式，使输入电压收小的区间之内，第二级的 Buck 电路则负责精确的稳定输出电压。献[3-5]主要针对 Boost-LLC 电路进行研究。其工作原理为当输时通过 Boost 电路提升电压，减小 LLC 电路的输入电压范围，从电路频率变化范围，提高工作效率。其中文献[5]采用将 Boost 电路组合的方式，其原理图如图 1-2 所示，Boost 电路和 LLC 电路共过互补驱动同一桥臂上下两个开关管提升 LLC 电路的输入电容少 LLC 电路输入电压的变化范围。

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个较小的区间之内，第二级的 Buck 电路则负责精确的稳定输出电压。文献[3-5]主要针对 Boost-LLC 电路进行研究。其工作原理为当输入电压较低时通过 Boost 电路提升电压，减小 LLC 电路的输入电压范围，从而减少LLC 电路频率变化范围，提高工作效率。其中文献[5]采用将 Boost 电路和 LLC电路组合的方式，其原理图如图 1-2 所示，Boost 电路和 LLC 电路共用开关管，通过互补驱动同一桥臂上下两个开关管提升 LLC 电路的输入电容电压从而减少 LLC 电路输入电压的变化范围。图 1-1 输入开关电容两级变换器[1]

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文据输入电压的不同电路自动在半桥 LLC 和全桥 LLC 电路之间进行从而改变电路增益的工作方案，由于全桥 LLC 的电压增益为半桥的两倍，因此在输入电压较高时工作在半桥 LLC 模式，输入电压较于全桥 LLC 模式，减少了 LLC 电路频率变化范围，提高了工作效理图如图 1-3 所示。文献[7]提出两模式 Buck-Boost 拓扑，其原理图如图 1-5 所示。当输高时，开关管 Q2不导通，开关管 Q1以相应的占空比工作；当输入时，开关管 Q1恒定导通，开关管 Q2以相应的占空比工作。但是由和输出端没有电气隔离，因此两模式 Buck-Boost 拓扑并不适合应用系统。

【参考文献】