双向半桥三电平DC-DC变换器拓扑结构及控制策略研究

发布时间：2017-04-01 22:13

  本文关键词：双向半桥三电平DC-DC变换器拓扑结构及控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现有机车牵引系统中采用工频变压器进行降压,使整流器与牵引网电压匹配；工频变压器的重量约占整个机车重量的15%。为了减小机车牵引系统的重量和体积实现轻量化、满足更强运输能力、更快运行速度的要求,车载电力电子变压器成为当前研究热点。基于二极管箝位三电平的电力电子变压器,能减少级联模块数量、提高系统可靠性,是一种可行的拓扑结构。二极管箝位双向半桥三电平DC-DC变换器作为系统的重要组成部分,具有高频电气隔离、功率双向流动和电压调整的作用,本文以双向半桥三电平DC-DC变换器作为研究对象,研究了传输相同功率下使电感电流有效值最小的控制方法。首先,讨论了双向半桥三电平DC-DC变换器在结构上相对于双向全桥和双向半桥DC-DC变换器的优势。分析了双向半桥三电平DC-DC变换器采用移相控制的工作原理、功率传输特性和软开关范围。为了利用变换器两侧桥臂均可输出三电平的优势,针对该拓扑结构,提出了一种通过控制开关信号脉冲宽度的双边三电平调制方法；并通过Matlab仿真验证了该调制方法的可行性。在上述工作的基础上,分析了变换器采用单边三电平控制的工作原理、功率特性和软开关范围。分析发现,采用单边三电平控制可以使变换器在整个传输功率范围内满足ZVS (Zero Voltage Switching)条件,同时通过优化控制高压侧桥臂端口电压的占空比和两侧电压之间的移相比,可以显著减小电感电流的有效值；但是采用该控制方法,轻载载时仍存在较大电流。为了进一步减小电感电流有效值,论文研究了变换器采用双边三电平控制的工作原理、功率特性和软开关范围,给出了传输一定大小的功率时使电感电流有效值最小的两侧电压占空比D,、仍和移相比Dφ之间的关系,理论分析表明轻载时采用双边三电平控制比采用移相控制和单边三电平控制使得电感电流有效值更小。在Matlab/Simulink搭建了三种控制方法的仿真模型,通过仿真验证了单边三电平控制和双边三电平控制的可行性和有效性。最后,搭建了一套基于FPGA的800W实验系统,并进行了相关实验。实验验证了本文所研究的双边三电平调制、单边三电平控制和双边三电平控制的可行性;同时,双边三电平控制在轻载时可以显著减小电感电流有效值,提高变换器的效率。
【关键词】：电力电子变压器 双向半桥三电平DC-DC 电流有效值最小控制 轻载效率优化
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11-14
• 1.2 隔离型双向DC-DC变换器的研究现状14-15
• 1.3 本文研究内容15-17
• 第2章 双向半桥三电平DC-DC结构分析及调制策略研究17-28
• 2.1 双向半桥三电平DC-DC变换器结构分析17-19
• 2.2 双向半桥三电平DC-DC变换器移相调制策略研究19-23
• 2.2.1 移相调制的工作原理19-20
• 2.2.2 移相控制下变换器的功率特性20-21
• 2.2.3 移相控制下变换器的软开关特性21-23
• 2.3 双边三电平调制策略研究23-27
• 2.3.1 双移相调制策略及存在的问题23-25
• 2.3.2 双边三电平调制原理分析25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 单边三电平控制28-48
• 3.1 单边三电平控制下变换器的工作原理28-35
• 3.1.1 k≤1变换器的工作原理28-32
• 3.1.2 k>1时变换器的工作原理32-35
• 3.2 单边三电平控制下变换器的功率特性35-39
• 3.2.1 k≤1时变换器的功率特性35-38
• 3.2.2 k≤1时变换器的功率特性38-39
• 3.3 单边三电平控制下变换器的软开关范围39-43
• 3.3.1 k≤1时变换器的软开关特性39-41
• 3.3.2 k>1时变换器的软开关特性41-43
• 3.4 单边三电平控制的控制参数优化43-46
• 3.5 本章小结46-48
• 第4章 双边三电平控制48-65
• 4.1 双边三电平控制下变换器的工作原理48-51
• 4.2 双边三电平控制下变换器的工作特性51-56
• 4.2.1 变换器的功率特性51-53
• 4.2.2 变换器的软开关特性53-56
• 4.3 双边三电平控制的参数优化56-61
• 4.4 优化控制方法的实现61
• 4.5 仿真验证61-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第5章 实验验证65-79
• 5.1 FPGA及Verilog HDL语言65
• 5.2 实验系统总体方案65-70
• 5.2.1 实验系统硬件电路结构65-67
• 5.2.2 实验系统控制器结构67-70
• 5.3 实验结果70-78
• 5.3.1 实验系统工作波形70-71
• 5.3.2 电流有效值最小的优化控制实验71-76
• 5.3.3 三种控制方式的电流有效值和效率对比76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 结论和展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-86
• 附录86-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果87

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