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宽范围输入中频隔离DC-DC变换器研究

宽范围输入中频隔离DC-DC变换器研究

作者：何水源北京交通大学

学位级别：硕士

随着轨道交通辅助供电技术的进一步发展,高频化、轻量化、高效化成为当前城市轨道交通列车辅助变流器的发展趋势。为了适应城轨列车辅助供电系统宽范围输入电压指标,现有的辅助变流器普遍采用的是两级式工频拓扑结构,其效率和功率密度... 详细信息

随着轨道交通辅助供电技术的进一步发展,高频化、轻量化、高效化成为当前城市轨道交通列车辅助变流器的发展趋势。为了适应城轨列车辅助供电系统宽范围输入电压指标,现有的辅助变流器普遍采用的是两级式工频拓扑结构,其效率和功率密度较低。因此本文提出一种宽范围输入中频隔离DC-DC变换器拓扑,围绕电路特性和控制策略展开研究,将三电平半桥LLC谐振变换器应用于城轨列车辅助供电系统,进一步提高辅助变流器的功率密度与轻量化水平。首先,本文阐述了三电平半桥LLC谐振变换器的拓扑结构和工作原理,分析了变换器工作在变频模式与定频模式下的增益特性和分压电容不均压机理。基于驱动信号延迟所导致的不均压问题提出移相三电平模式和交错PWM三电平模式,并设计闭环控制策略使变换器实现均压控制以及全负载范围内软开关。综合考虑城轨列车辅助变流器的增益范围宽度以及LLC谐振变换器的增益特性,本文提出将移相三电平模式与交错PWM三电平模式相结合的变模态控制策略,以降低宽范围输入工况下采用单一控制模式所带来的负面影响,使变换器在宽范围输入工况下具备高效、高稳定性的优势。其次,本文分析了移相三电平模式和交错PWM三电平模式下LLC谐振变换器的增益特性,推导了LLC谐振网络的等效电路模型。然后对DC-DC变换器的主电路进行小信号建模并分别推导变频模式与定频模式下系统的开环传递函数表达式,根据系统频域特性设计闭环控制器并通过仿真验证理论分析。最后,为验证上述理论分析的正确性,设计三电平半桥LLC谐振变换器的硬件电路参数以及数字控制策略,搭建宽范围输入中频隔离DC-DC变换器实验平台。实验结果验证参数设计的正确性以及所提出的变模态控制策略的有效性。本文包含图59幅,表6个,参考文献54篇。

关键词：宽范围输入 DC-DC变换器三电平 LLC 变模态控制

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宽范围输入LLC变换器的控制策略研究

宽范围输入LLC变换器的控制策略研究

作者：邱惠敏陕西科技大学

学位级别：硕士

发展电动汽车产业以减少交通领域对化石能源的依赖是势在必行的举措,车载DC/DC变换器是电动汽车电源系统中进行高压到低压转换的重要部件。作为一种隔离型拓扑,LLC谐振变换器能实现全负载下的软开关,本文选用LLC谐振变换器作为电动汽车... 详细信息

发展电动汽车产业以减少交通领域对化石能源的依赖是势在必行的举措,车载DC/DC变换器是电动汽车电源系统中进行高压到低压转换的重要部件。作为一种隔离型拓扑,LLC谐振变换器能实现全负载下的软开关,本文选用LLC谐振变换器作为电动汽车车载DC/DC变换器拓扑解决方案,以提高电动汽车电源系统能量密度。针对车载DC/DC变换器前级输入电压宽范围变化导致LLC变换器调频范围大的问题,有必要设计一种控制方案对LLC变换器的调频范围进行限制,以提高电源系统工作效率。为解决上述问题,本文引入复合三电平LLC电路为基础拓扑,通过改变开关管的驱动逻辑令拓扑在两电平半桥、三电平半桥、全桥之间切换,并采用移相和变频混合调制方式,以适应不同等级的电压输入,本文主要研究内容如下:(1)针对LLC谐振参数很大程度上影响了变换器软开关特性和转换效率,宽范围输入下基波分析法得出的电压增益曲线与实际值偏离较大,导致设计的谐振参数不能使变换器的性能达到最优等问题,提出一种混沌粒子群谐振参数优化方法,在分析了 LLC变换器软开关工作条件的基础上得出算法约束条件,设计的适应度函数以变换器损耗最小为优化目标,将不等式约束条件以罚函数的形式写入适应度函数,优化后的参数提高了系统效率,且提出的谐振参数寻优方法具备较强的移植性,易推广到其他电源拓扑结构中。(2)调频控制LLC变换器在高频区域的增益曲线平缓,很难通过调节频率满足宽输入电压下的系统增益需求,针对此问题提出一种变拓扑混合调制方案改善增益特性,该方案包括了四种工作模式,文章给出了不同模式下的驱动逻辑及具体切换过程,并对模式切换点进行了合理选择与优化。此外,针对宽范围输入电压下PI控制方法鲁棒性差的问题,设计模糊自抗扰控制器调节输出电压,将影响输出电压稳定的各因素视为总扰动,将控制作用分为对扰动的估计及抑制和对给定的追踪,分析了自抗扰系统低频增益随输入电压的变化规律,以此为基础设计了模糊控制律对控制器参数进行动态调节,达到提高系统鲁棒性的目的。(3)在Simulink中对提出的LLC系统控制方案进行仿真验证,并对宽范围输入LLC控制系统进行软硬件设计,基于DSP芯片F28335设计系统控制程序,在Code Composer Studio(CCS)工具中调试,搭建了输入直流电压范围为85Vdc～300Vdc,输出电压为48Vdc的LLC谐振电路实验平台。Simulink仿真和样机实验结果证明了所设计的谐振参数和控制方案的合理性,在控制器的调节作用下,当输入电压和系统负载在全工作范围内变化,复合三电平LLC变换器的变拓扑混合控制方案能实现稳压输出。

关键词：复合LLC拓扑宽范围输入 DC/DC Simulink

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宽范围输入两级式高效DC-DC变换器研究

宽范围输入两级式高效DC-DC变换器研究

作者：李禹重庆理工大学

学位级别：硕士

高效高可靠模块电源在航空、航天及国防军工领域应用广泛。在武器装备的低压供电系统中,电力源输出电压波动范围大,而后级用电设备对电压的稳定度要求较高。本文以此为研究背景,研制了一款1/4砖尺寸、输入电压16V～40V、输出28V/300W的... 详细信息

高效高可靠模块电源在航空、航天及国防军工领域应用广泛。在武器装备的低压供电系统中,电力源输出电压波动范围大,而后级用电设备对电压的稳定度要求较高。本文以此为研究背景,研制了一款1/4砖尺寸、输入电压16V～40V、输出28V/300W的高效高功率密度直流电源模块。受到当前国际政治与经济形势的影响,本文所研制的电源模块是基于国产化器件进行设计的。首先,基于电流馈电型的拓扑只包含一个二阶滤波器,可以通过前级调压电路将输入电压进行预稳压,便于后级变换器的器件选型及滤波器优化设计,不存在传统两级式拓扑动态响应慢、体积大等问题,故选择电流馈电Buck级联变换器作为研究对象。在详细分析该拓扑工作原理的基础上,对比了二极管整流与同步整流在轻载时的工作模态,针对同步整流结构轻载损耗高的问题,以电感电流平均值为控制量,使能或失能副边同步整流驱动器,使得变换器在轻载时工作于DCM模态;设计了前级Buck与副边整流的驱动控制时序,防止系统开关机时出现能量倒灌而损坏电路。其次,为了提高系统动态响应能力,电路采用峰值电流控制的电压电流双闭环结构。详细分析了电流馈电变换器的峰值电流控制原理,并设计斜坡补偿以消除次谐波振荡。采用基本建模法对变换器进行小信号建模,并根据电感电流平均值方程将电流环与功率级相结合,建立了电流馈电Buck级联变换器等效功率级的精确模型,为系统设计了一个Ⅴ阶补偿器进行补偿校正。为了实现峰值电流高精度控制,基于高带宽、低偏移的运算放大器设计了一款低延迟差分放大电流采样电路。然后,根据参数指标对主功率电路的电感、变压器和滤波电容参数进行了计算,为系统设计了驱动电路、保护电路以及辅助电源电路等,所使用的器件都进行国产选型。另外,为了降低电源模块内部噪声和提高散热能力,对PCB版图的器件布局和功率走线进行了优化设计。最后,基于设计方案研制了一台直流电源模块实验样机,在全输入电压范围且满载工况下,其变换效率保持在92%以上。根据最终实验测试结果,验证了理论分析的正确性与方案的可行性。

关键词：模块电源宽范围输入两级式拓扑轻载功耗国产化

一种适用于新能源中压直流汇集的宽范围输入中频DC/DC变换器

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中国电机工程学报 2023年

作者：郭凯旋付兴贺陈武东南大学电气工程学院

新能源中压直流汇集系统中的DC/DC变换器需要具备较大容量，而高频DC/DC变换器容量很难做大，因此需要多个模块并联，成本较高。此外，光伏发电的端口电压波动性大，通常需要两级变换器进行级联，导致系统效率降低。为此，该文研究了一... 详细信息

新能源中压直流汇集系统中的DC/DC变换器需要具备较大容量，而高频DC/DC变换器容量很难做大，因此需要多个模块并联，成本较高。此外，光伏发电的端口电压波动性大，通常需要两级变换器进行级联，导致系统效率降低。为此，该文研究了一种适用于新能源中压直流汇集的大容量宽范围输入DC/DC变换器，提出的高中频混频调制方法使得电流波形近似呈断续的梯形波，可显著减小开关器件的电流应力，还使得变压器工作在500Hz的中频，从而更易于设计和制造出较大的容量。此外，变换器的输入电压范围可接近两倍，因此对于大型光伏电站可直接将其连接至光伏阵列，只用一级变换器即可实现MPPT和升压功能，系统损耗得到减小。该文分析了该变换器的工作原理，讨论了参数设计，通过PLECS仿真软件进行了仿真验证，并搭建了300-500V/±3000V，额定功率7.2kW的原理样机进行了实验验证。

关键词：中压直流汇集大功率变换器宽范围输入复合式全桥三电平变换器中频变换器

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基于LLC的3kW宽范围输入通信电源研制

基于LLC的3kW宽范围输入通信电源研制

作者：米静波北方工业大学

学位级别：硕士

DC/DC转换器通常需要在宽输入电压范围内工作,例如光伏、风能、储能和电动汽车充电站。然而,传统的LLC谐振变换器在其增益特性方面存在局限性,在宽范围输入场景下无法正常工作。为了解决LLC谐振变换器在宽范围输入内的适应性问题,人们... 详细信息

DC/DC转换器通常需要在宽输入电压范围内工作,例如光伏、风能、储能和电动汽车充电站。然而,传统的LLC谐振变换器在其增益特性方面存在局限性,在宽范围输入场景下无法正常工作。为了解决LLC谐振变换器在宽范围输入内的适应性问题,人们进行了多方面的研究,主要从电路结构和控制策略等方面进行研究。一些研究采用前级或后级转换和来提高LLC谐振转换器的特性,采用改变初级电路结构的方法可能会涉及到更复杂的电路设计和更多的器件,从而增加成本和损耗。而采用频率转换控制策略和移相控制策略结合的方法,虽然可以扩大输入电压范围,但这种方法可能需要更高的计算和控制复杂度,从而导致系统效率降低。本文研究了全桥半桥控制策略,基于全桥LLC谐振变换器,通过平滑切换全桥和半桥之间的拓扑结构来实现稳定的输出电压,能够适应宽输入电压范围,并保持高效率。该方法具有重要的现实意义和工程价值,可在电力转换系统中得到广泛应用。首先,本文对全桥LLC电路和半桥LLC电路进行对比和建模。设计了宽范围输入下LLC谐振参数,分析了LLC电路的效率并提出了最佳切换点。其次,本文分析了全桥半桥控制策略的实现方法,包括控制电路和硬件设计。控制电路中采用了基于DSP控制芯片的PID控制算法和频率与占空比全桥半桥控制策略,并实现了切换频率和占空比的在线调节。还提出了控制策略的流程图和数字控制系统的配置。最后,文章对所设计的LLC谐振变换器进行了实验验证,证明了全桥半桥控制策略下LLC谐振变换器的稳定性,验证了所提出的控制算法和硬件设计的有效性。这些结果为LLC谐振变换器的实际应用提供了有价值的参考和指导。

关键词：宽范围输入 LLC谐振变换器全桥半桥控制策略 PID补偿器

适用于高压宽范围输入的交错串并联正激变换器

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中国电机工程学报 2012年第24期32卷 45-51,9页

作者：吴红飞夏炎冰邢岩江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 江苏省南京市210016

面向中高压-宽电压范围输入、高可靠性中大功率变换应用,提出一种交错串并联正激变换器。变换器由两个低压桥臂和一个高压桥臂构成,3个桥臂形成两个正激单元。其中,低压桥臂开关器件电压应力为输入电压的一半,高压桥臂的电压应力等于输... 详细信息

面向中高压-宽电压范围输入、高可靠性中大功率变换应用,提出一种交错串并联正激变换器。变换器由两个低压桥臂和一个高压桥臂构成,3个桥臂形成两个正激单元。其中,低压桥臂开关器件电压应力为输入电压的一半,高压桥臂的电压应力等于输入电压。该变换器继承了双管正激变换器可靠性高、电压应力低、效率高的优点,同时开关管的最大占空比可以达到0.67,是传统双管正激变换器最大占空比的1.33倍,因此可以适应高压、宽输入范围场合的应用;开关管占空比小于0.5时,高压桥臂开关管可以实现软开关,占空比大于0.5时,低压桥臂开关管可以实现软开关。详细分析变换器的工作原理及特性,实验结果验证了理论分析的正确性。

关键词：直流变换器正激变换器拓扑宽范围输入

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宽范围输入高位取能电源的研究

电力电子技术 2018年第6期52卷 31-33页

作者：孔德志刘轩东应之璇彭晶西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室陕西西安710049 云南电网有限责任公司电力科学研究院云南昆明650214

宽范围输入高位取能电源是模块化多电平换流器(MMC)子模块的关键组成部分,分析了换流系统中高位取能电源的供电要求,对比不同电路拓扑的适用场合,选用单管反激电路拓扑设计高位取能电源,针对高位取能电源开关管导通损耗较高的特点,设计... 详细信息

宽范围输入高位取能电源是模块化多电平换流器(MMC)子模块的关键组成部分,分析了换流系统中高位取能电源的供电要求,对比不同电路拓扑的适用场合,选用单管反激电路拓扑设计高位取能电源,针对高位取能电源开关管导通损耗较高的特点,设计电源工作于损耗更低的连续模式,并给出了主电路具体设计方案。在理论设计的基础上,研制了300-1 500 V输入/24V输出的高位取能电源,对电源进行了性能测试,给出了不同输入条件下的开关管漏源极电压波形和不同负载条件下输出电压波形,结果表明所提单管反激高位取能电路正确可行,可应用于工程实际中。

关键词：电源宽范围输入高位取能单管反激

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宽范围输入直流稳压器的研究

宽范围输入直流稳压器的研究

作者：宋淑淑西安工程大学

学位级别：硕士

本课题来源于西安曼海特工业技术有限公司用于油田的科研项目宽范围输入直流稳压器的研究。由于油田稳压器的使用环境恶劣,供电系统受负荷变化以及雷击等因素的影响,经常导致电压波动及电流浪涌,使得220V交流供电电压可低至90V,高至300... 详细信息

本课题来源于西安曼海特工业技术有限公司用于油田的科研项目宽范围输入直流稳压器的研究。由于油田稳压器的使用环境恶劣,供电系统受负荷变化以及雷击等因素的影响,经常导致电压波动及电流浪涌,使得220V交流供电电压可低至90V,高至300V。因此,用于油田的直流稳压电源需要满足在供电电压波动时,其输出可以保持稳定。本文通过对宽范围输入直流稳压器的研究,设计了适用于油田设备的稳压器。本文所设计稳压器具有供电电压范围宽、功率因数高、体积小、可靠性高、成本低等特点。主电路采用两级DC-DC稳压方案,前级选用隔离型Sepic电路作为预调节器,一方面进行功率因数校正,另一方面实现初步级稳压的目的;后级采用Buck电路,进一步进行变压和稳压调节。辅助电路的设计包括多路输出辅助电源的设计,PWM控制电路设计,光耦隔离驱动电路设计,反馈电路与电压、电流保护电路设计以及EMI滤波电路设计。在以上分析的基础上,制作了一台输入交流电压为90V00V,功率为200W,输出为24V直流电压的原理样机,进行实验研究。通过采集不同输入电压下的实验波形图和实验数据,进行分析,实验结果表明在不同输入电压下,输出电压基本保持在24V左右,从而实现了宽范围交流输入下输出稳定直流电压的目的,验证了整个方案的正确性和合理性。

关键词：宽范围输入隔离型功率因数保护电路

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宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究

宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究

作者：李利陕西科技大学

学位级别：硕士

随着能源危机、环境污染问题的日益严重,充分利用可再生能源得到了人们的广泛关注。而可再生能源发电单元普遍存在输出电压范围较宽的特点,因此宽范围输入变换器被大量应用在可再生能源发电单元的后级。目前所采用的级联、串并联以及多... 详细信息

随着能源危机、环境污染问题的日益严重,充分利用可再生能源得到了人们的广泛关注。而可再生能源发电单元普遍存在输出电压范围较宽的特点,因此宽范围输入变换器被大量应用在可再生能源发电单元的后级。目前所采用的级联、串并联以及多模式类等结构的电路拓扑都较为复杂,且无法兼顾变换器的高效率和宽范围输入。论文针对此问题,以变换器对宽范围输入的适应性、高效性和高稳定性为目标,运用LLC电路的效率优势,采用将VFM(Variable Frequency Multiplier)技术与Burst控制模式相结合的方法,研制了一种能够满足宽范围输入,且任何负载下都可实现高效化的LLC谐振变换器。论文主要工作总结如下:(1)变换器的工作原理分析及实现宽范围输入的研究。针对LLC谐振变换器不能够满足宽范围输入,分析和研究了其拓扑结构,采用VFM技术,缩小了谐振回路的输入电压范围,使变换器能够实现宽范围输入,且在带有20%以上负载时效率较高;详细分析了变换器的工作原理,阐述了其增益特性、输入阻抗特性、ZVS条件及输入电容的电压平衡特性等。(2)变换器的主电路设计。通过分析电路的设计指标及结构,首先详细设计了变换器的主电路参数;其次对变换器所用到的元器件进行了设计与选择,主要包括功率开关管的选取,谐振电容、谐振电感以及励磁电感的设计与选择,变压器的设计,输出整流二极管、输出滤波电容等的选择。(3)变换器的控制系统设计。采用扩展描述函数法建立了变换器的小信号模型,推导了其传递函数,并根据不同的工作模态设计了对应的控制器,使系统能够满足动态响应要求。针对变换器轻载效率低的问题,采用了Burst控制模式,并进行了详细设计,使变换器工作在轻载时也能够达到较高的效率。(4)基于DSP的控制系统软硬件设计。采用数字控制方式,对控制系统的硬件电路进行了设计,主要包括:驱动电路、输出电压采样电路、输出电流保护电路、数字采样器等的设计。同时对变换器的主程序和子程序进行了设计,并根据离散化方法,完成了数字PI控制器的详细设计,实现了对变换器的数字控制。(5)电路仿真及验证。运用PSIM仿真软件对设计的电路做了仿真分析,仿真结果表明理论设计合理;研制了一台24V/1.5kW的实验样机,测试数据表明,该变换器可实现100V00V的宽范围输入,当20%以上负载时效率可达到94.8%6.5%,当5%0%负载时效率能达到93.5%以上,当小于5%负载时效率能达到87.8%以上,验证了理论分析的可行性。论文研制的LLC谐振变换器可满足宽范围输入的要求,并且在任何负载下都可实现ZVS,效率较高,具有输出电压稳定、动态性能良好、控制精度高等优点,在新能源发电方面有较好的应用前景。

关键词：宽范围输入 LLC谐振变换器高效率数字控制软开关