推挽变换器关键技术及其应用研究

作     者：伍群芳 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：博士

导师姓名：王勤

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：推挽变换器 电压源 电流源 双向DC-DC 高频环节DC-AC 推挽谐振驱动 

摘      要：近年来,太阳能、风能及燃料电池等新能源发电处于快速发展和大规模应用阶段,DC-DC与DC-AC变换器是新能源供电系统的关键组成部分。推挽变换器具有结构简单、电气隔离、变压器利用率高等优点,适用于低压输入的新能源供电系统。推挽变换器可以分为电压与电流源型两大类,这两类传统拓扑功率管工作在硬开关状态,开关损耗大,电压尖峰高。相同电气参数要求下电压源型结构的功率管电压应力、滤波器的体积优于电流源型结构,但是所需变压器匝比大;电流源型结构所需变压器匝比小、输入电流连续,但是功率管电压应力大,二者优缺点明显。为此,长期以来二者均受到了广大研究人员的关注与研究,但是已有解决方案仍然存在硬开关状态、电气应力高、输出电压不可调、箝位电路复杂、环流损耗大等问题。本文围绕这些问题对电压与电流源型推挽变换器及其应用进行了系统的研究,为高效率、高可靠性、高功率密度电能变换提供了新的解决思路。针对电压源型推挽变换器(Voltage-Fed Push-Push Converter:VPPC)提出了优化拓扑结构及其扩容策略。给出了定频调制下零电压开关(ZVS)三管推挽变换器的推衍过程,构造两类辅助网络解决了环流大、副边电压振荡及软开关负载范围窄等问题,提出了两族优化型ZVS VPPC拓扑结构。推导并提出了一种功率管电压应力小于两倍输入电压的宽负载范围ZVS有源箝位拓扑且衍生了一族优化型拓扑结构,有效解决了电压应力问题。在此基础上,给出了优化拓扑的输入并联输出串联(IPOS)扩容策略,推衍了一种ZVS型三相VPPC并提出了优化方案。文中分别对提出的三类变换器及其控制进行了详细的理论分析、设计及实验验证,结果表明所提出方案的正确性及有效性。针对电流源型推挽变换器(Current-Fed Push-Push Converter:CPPC)提出了优化拓扑结构及其扩容策略。根据功率流路径等效原则简化并提出了一种CPPC优化拓扑结构及其开关控制策略,利用励磁电流辅助原理实现了轻载下所有功率管ZVS开通及二极管ZCS关断,解决了当前CPPC箝位电路复杂、轻载下硬开关的问题。针对简化的CPPC软开关负载范围问题,进一步提出了副边并联电感的策略实现了宽负载条件下所有功率管ZVS开通和二极管ZCS关断。类似地,对优化的CPPC结构进行IPOS组合实现了扩容,同时衍生了一种结构简单的三相CPPC拓扑并提出了相应的开关控制策略。分别对所提出的三种CPPC结构进行了详细的工作原理分析、关键参数设计及样机实验验证。针对新能源系统中双向电能传输与单级高效DC-AC电能变换的需要,研究了所提出的VPPC/CPPC优化拓扑结构在双向DC-DC与高频环节DC-AC电能变换中的拓展,分别衍生并提出了一族推挽桥式双向DC-DC变换器和一族推挽高频环节DC-AC变换器,重点分析、设计及实验论证了推挽全桥双向DC-DC和推挽全波高频环节DC-AC两种拓扑,解决了当前推挽双向变换器硬开关损耗高、环流损耗大及箝位电路复杂等问题。另外,将所提出拓扑与最相近双有源桥(DAB)变换器及全桥高频环节DC-AC变换器分别进行了比较分析,结果表明所提出拓扑具有更高效率与更低成本的优势。最后,提出了一族ZCS型隔离推挽谐振驱动电路(Push-Pull Resonant Gate Driver:PPRGD),包括单通道、两通道两大类,有效将推挽优化拓扑结构应用于高频隔离谐振驱动电路中。以ZCS双通道推挽谐振驱动电路为例进行了详细的工作原理阐述、损耗对比分析、关键参数设计,制作实验样机验证了所提出方案的可行性,最后阐明了PPRGD的适用领域。