部分功率双向DC-DC变换器拓扑结构研究

作     者：陶金童 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨汝

授予年度：2024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：双向DC-DC变换器 拓扑结构 部分功率处理 部分功率变换器 稳定性分析 

摘      要：近年来,由于直流配电网、电动汽车和储能装置等的迅猛发展,传统的双向DC-DC变换器的功率密度、成本和效率等面临更严峻的挑战,部分功率变换器应运而生。与传统DC-DC变换器处理所有功率不同,由于系统输入直接传递一部分功率到负载,部分功率变换器只需处理部分系统功率,增大了功率处理效率,提高了系统的整体运行效率,同时也能缩小无源元件的尺寸,大幅提高了功率密度,对于功率电子设备的轻量化、小型化发展具有重要意义。本文基于传统的双向Buck-Boost变换器和DAB变换器,分别提出了非隔离型和隔离型双向部分功率处理变换器的拓扑,并对其工作原理、数学模型和控制系统设计进行了详细分析,为实际应用中优化设计和调整提供理论依据。 本文首先对双向DC-DC变换器和部分功率变换器的研究现状进行了系统的总结和梳理,针对部分功率处理技术原理及分类做了详细阐述,重点分析串联部分功率变换器的多种结构特性及优缺点,并利用状态空间平均法对输入串联输出并联(Input in series and output in parallel,ISOP)以及输入并联输出串联(Input-Parallel and Output-Series,IPOS)两种结构的部分功率变换器的建模过程进行了详细推导。 然后,本文基于传统的双向Buck-Boost变换器提出了一种非隔离型部分功率双向DC-DC变换器,并对其正向反向两种运行模式的工作模态进行了详细分析,并基于状态空间平均法推导出其数学模型,通过扫频法验证了所建立模型的准确性,并基于伯德图对电压单环控制系统的设计进行了详细推导,最后通过仿真验证了该拓扑控制策略的有效性与参数设计的合理性。 为了实现输入输出端的电气隔离,本文将传统的DAB变换器与功率直通通路组合提出了一种隔离型部分功率变换器拓扑,其数学模型与控制系统的设计和传统DAB变换器相类似,本文着重分析了单移相控制下该变换器的运行模态和控制系统设计,最后通过仿真验证了该拓扑控制策略的有效性。 最后本文搭建了具体的非隔离型部分功率变换器实物样机,完成所提变换器控制策略的验证实验,实验结果表明所提部分功率双向DC-DC变换器的优越性和可行性。