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高效率氮化镓隔离直流电源的设计与研究

高效率氮化镓隔离直流电源的设计与研究

作者：邱凯北方工业大学

学位级别：硕士

作为第三代宽禁带半导体功率器件的代表,氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN High Electron Mobility Transistors,GaN HEMT）相比于传统的硅（Silicon,Si）器件具有更低的导通电阻、更高的工作频率以及更小的封装体积,将GaN HEMT应用在电... 详细信息

作为第三代宽禁带半导体功率器件的代表,氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN High Electron Mobility Transistors,GaN HEMT）相比于传统的硅（Silicon,Si）器件具有更低的导通电阻、更高的工作频率以及更小的封装体积,将GaN HEMT应用在电力电子变换器中,能够有效的提高变换器的功率密度和效率。双有源桥串联谐振变换器（Dual Active Bridge Series Resonant Converter,DAB-SRC）因其电路结构简单、能够实现自然同步整流等特点得到了广泛的应用。本文以基于增强型GaN HEMT的双向DAB-SRC变换器拓扑为依托,展开以下研究:（1）依据时域（Time Domain,TD）建模方法,采用归一化频率（f_n）和原副边移相角（?）作为控制变量,推导得出了变换器增益表达式的时域解析解,并给出了软开关区域的判定表达式,同时建立了损耗模型。（2）针对DAB-SRC提出了一种变频移相控制方法。该方法在软开关区域内设计了一种线性函数:将归一化频率（f_n）设计为与品质因数（Q）相关的线性函数,而移相角（?）作为控制变量通过闭环反馈来实现对输出的控制。在任何单向功率流情况下,控制系统只需要检测三个常规的反馈变量即可进行闭环控制,且可以保证变换器始终运行在软开关区域内。本文通过搭建一台1.2k W实验样机验证了所提出控制策略的可行性与正确性。（3）为了改善变换器的动态性能,采用前馈控制算法:采用时域模型中移相角的解析解作为前馈量,辅助比例积分补偿器进行闭环调节。该方法有效地减少了负载阶跃过程中的电压超调和恢复时间,提高了变换器的动态响应速度,并通过实验验证了前馈控制算法的有效性和正确性。（4）为了进一步扩大极轻载工况下的软开关区域、同时减小开关频率的范围,本文提出了一种变频移相结合定频移相的混合控制策略。对于DAB-SRC而言,在轻载工况时,微小的关断电流会导致开关管结电容的充放电时间很长,难以实现软开关。为了扩大轻载工况的软开关范围,可以采用极高的开关频率通过增加谐波分量使关断电流增大,从而使开关管在死区时间内完成换流、以及对于开关管结电容的充放电,进而实现软开关。然而,这种方法往往导致极宽的开关频率范围、增加了变压器设计的复杂度。为了进一步扩大极轻载工况下的软开关区域、同时减小开关频率的范围,在不增加器件个数的情况下,本文考虑了励磁电感和变压器变比对软开关区域的影响,对应的提出了一种混合控制策略及主电路参数设计方法。本文通过搭建第二台1.2k W实验样机验证了所提出控制策略的可行性与正确性。（5）增强型GaN HEMT在反向续流时呈现较高的导通压降,因此GaN HEMT的损耗很大程度上取决于死区时间与关断电流的影响。本文以所提出的两种控制策略作为实施手段,以两套1.2k W双向DAB-SRC实验样机作为实施对象,分别分析、比较并验证了在相同输入、输出、功率等级条件下,关断电流、死区时间对于增强型GaN HEMT的影响,并给出了控制策略的选择思路。

关键词：双有源桥串联谐振变换器氮化镓功率器件时域模型变频控制移相控制

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三相谐振变换器的控制策略研究

三相谐振变换器的控制策略研究

作者：谢佳容北方工业大学

学位级别：硕士

大功率双向DC/DC变换器广泛应用于车载充电机、储能系统和光伏发电系统等领域中。传统的单相谐振变换器(如串联谐振变换器、LLC谐振变换器等)因其易于实现软开关而获得了广泛的关注,但其处理功率的能力有限,在大功率应用场合中逐渐显示... 详细信息

大功率双向DC/DC变换器广泛应用于车载充电机、储能系统和光伏发电系统等领域中。传统的单相谐振变换器(如串联谐振变换器、LLC谐振变换器等)因其易于实现软开关而获得了广泛的关注,但其处理功率的能力有限,在大功率应用场合中逐渐显示出局限性。为了满足大功率应用场景,三相谐振变换器逐渐得到重视和发展。本文对三相双有源桥串联谐振变换器(Dual Active Bridge-Series Resonant Converter,DAB-SRC)进行了研究,主要内容概括为以下三个方面:(1)建立了基于时域状态方程条件下的数学模型,推导求解出了增益表达式的解析解,为变换器设计提供了理论依据不同于传统的基波分量近似建模方法,本文基于时域解析建模方法,建立了变换器的电压增益的数学模型。在详细分析了变换器工作原理的基础上,本文推导出了电压增益与开关频率和原副边移相角之间的数学解析解,为后文的损耗模型计算和软开关边界分析计算提供了基础。(2)建立了三相DAB-SRC的损耗模型和软开关边界的解析数学模型为了对三相DAB-SRC的效率进行评估,需要对变换器各个元件的损耗进行计算,传统的采用基波分量近似方法建立的损耗模型在准确性上存在局限性,尤其当开关频率远离谐振频率时误差较大。本文在建立了三相DAB-SRC的时域解析模型的基础上,对变换器主要元器件的功率损耗进行了建模。为了更好地理解和实现变换器的软开关,本文用数学解析式描述了变换器的软开关区域,并在三维坐标系中进行了软开关区域的绘制。这种方式可以直观地显示出调制方法和电路参数对开关管实现软开关的影响。(3)针对三相DAB-SRC提出了一种能覆盖宽负载范围的定频移相控制策略以器件数量恒定不变为前提,分析了变压器励磁电感取值对软开关范围的影响,通过调整励磁电感取值扩大了软开关的范围。依据电压增益模型和软开关边界数学模型,提出了一种固定开关频率的单移相控制策略。该策略简化了控制变量个数、降低了变压器设计难度,通过合理的参数设计能够保证变换器在正向和反向模式下的软开关范围均能够覆盖宽负载变化范围。本课题搭建了一台1.35k W的三相DAB-SRC的实验样机,实验结果证明了本文所建立的增益模型、软开关边界模型的准确性,同时证明了所提出的定频移相控制策略的有效性。综上所述,本文对于三相DAB-SRC的数学建模和控制策略研究等方面取得的成果,能够为变换器的深入研究和工程应用提供参考和借鉴。

关键词：双有源桥串联谐振变换器三相直流/直流变换器双向变换器时域模型软开关

基于ISOP的DBSRC变换器的建模及其控制

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基于ISOP的DBSRC变换器的建模及其控制

作者：苏新雨燕山大学

学位级别：硕士

本文针对能应用在V2G充电桩中的双向DC-DC变换器进行了研究。考虑到电动汽车充电桩要工作在大功率、高效率、宽输出电压变化范围的条件下,设计了一种输入串联输出并联(Input-Series Output-Parallel,ISOP)型双桥串联谐振变换器(Dual-Bri... 详细信息

本文针对能应用在V2G充电桩中的双向DC-DC变换器进行了研究。考虑到电动汽车充电桩要工作在大功率、高效率、宽输出电压变化范围的条件下,设计了一种输入串联输出并联(Input-Series Output-Parallel,ISOP)型双桥串联谐振变换器(Dual-Bridge Series Resonant Converter,DBSRC)。首先,构建了DBSRC的一阶广义平均小信号模型。利用广义平均模型的有功分量和无功分量分析变换器稳态特性的方法,可以计算变换器中各个稳态量的表达式。并在此基础上分析了不同增益的全桥臂软开关范围,也分析了谐振电流峰值在有功曲线上的变化趋势,为下文控制方案的设计提供理论支持。将单个DBSRC变换器的建模结果应用于ISOP-DBSRC,即可推导出ISOP型变换器的传递函数矩阵。其次,通过双环解耦控制方案令模块间实现解耦,进而设计出含有输入均压环和输出电压环的双环控制方案实现模块间功率平衡。利用拉格朗日乘子法,在全桥臂软开关范围内选取可以令谐振电流峰值最小的移相角组合,提出了一种降低谐振电流峰值的优化控制方案。结合上述双环解耦控制方案,最终提出了一种混合优化控制策略。然后,针对适用于宽增益范围内的变换器参数进行了设计。分析了宽增益范围内的软开关情况,计算得到了软开关范围内增益变化的最大范围。结合变换器需要的增益范围,确定了满足设计条件的变压器变比和增益系数的取值范围。综合考虑确定变压器变比和增益系数的值,并计算得到谐振电感和谐振电容的理论值。最后,通过PSIM仿真软件和一台800W的实验样机分别验证了本文所提出的混合优化控制策略的有效性和参数设计的实用性。

关键词：双有源桥串联谐振变换器输入串联输出并联广义状态空间平均法双环解耦控制谐振电流优化

基于不对称抽头变压器的双有源桥谐振变换器的优化控制

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基于不对称抽头变压器的双有源桥谐振变换器的优化控制

作者：文平辉燕山大学

学位级别：硕士

双有源桥式变换器(Dual Active Bridge,DAB)这类拓扑凭借结构比较简单、功率密度较高、可实现软开关、能量双向流动等优势,已在电动汽车领域得到广泛应用。因此,深入研究该类拓扑的潜在优势,并努力提升其传输效率和功率密度,对提高能源... 详细信息

双有源桥式变换器(Dual Active Bridge,DAB)这类拓扑凭借结构比较简单、功率密度较高、可实现软开关、能量双向流动等优势,已在电动汽车领域得到广泛应用。因此,深入研究该类拓扑的潜在优势,并努力提升其传输效率和功率密度,对提高能源利用率、减少不可再生资源消耗有着重要的意义。本文首先给出了双有源桥式变换器的应用背景及研究意义,对该类变换器的典型拓扑及经典控制方式进行了简要介绍;然后总结了双有源桥式串联谐振变换器(Dual Active Bridge Series Resonant Converter,DBSRC)拓扑和控制策略的研究现状;由于已有研究显示:在相同的移相调制下,基于不对称抽头变压器的DBSRC比传统DBSRC的功率可传输范围更大,电压增益和软开关范围也更宽。故本文将基于不对称抽头变压器的双有源桥串联谐振变换器作为研究对象。在对基于不对称抽头变压器的双有源桥串联谐振变换器的基本特性进行了简单介绍以后,将拓扑简化并建立数学模型,得到其稳态的有功功率、无功功率、电压增益表达式。然后分析了变压器抽头系数对有功功率、无功功率、软开关范围的影响,以及无功功率对变换器传输效率的影响。本文将变换器的无功功率作为待优化的目标函数,有功功率表达式作为等式约束条件,软开关表达式作为不等式约束条件,然后提出了一种可实现无功功率最小化的控制策略,该策略旨在保证变换器传输任何有功值时总能实现开关管的零电压开通(Zero-Voltage Switching,ZVS),并做到无功功率最小化。然后,给出了详细的无功最小化控制流程以及完整的系统控制框图。按照无功优化流程,利用编程软件可求出一定电压范围、功率范围内所有的无功最优控制点,将这些控制点记录在表格中,实验时令控制器根据实时工况去查询该表,即可快速得到所需控制角。最后通过仿真验证控制策略可行性。为了说明该控制方案有可能适用于同类型的其他变换器,本文便以传统的LC型DBSRC为例,设计出适用于该拓扑的控制流程。最后,分析并选取主电路的参数,给出了实验平台所需磁性元件的设计过程及其他器件选型过程,并通过仿真和实验对本文提出的控制策略进行了分析验证。

关键词：双有源桥串联谐振变换器扩展移相零电压开通无功功率优化