关键词：
电力电子变换器
非隔离直流变换器
高增益
箝位电容
非谐振线性软开关
摘要：
在高空飞艇、卫星、航天探测器、电动车船等需要小型化、轻量化和高效化电能变换设备的科技探索和国民经济发展关键工业应用中,由于光伏电池、燃料电池和储能电池等直流电能生产或存储设备的输出侧端口电压偏低的特点,研究开发具有低成本、小体积、高效率和高电压增益的直流变换器具有非常重要的科学与应用意义。功率变换器中具有较大体积和重量的磁性元器件能够通过提高变换器的开关频率来减小,而适用于高频应用场合的薄膜电容器在电容容量增大时其体积重量和成本急剧增加。然而,在开关电容式高增益直流变换器中如何减小电容容量以减小其体积重量和成本暂时没有令人满意的解决方案。因此,为了减小开关电容式高增益直流变换器中的电容容量,本文提出了箝位电容高增益非隔离直流变换器的拓扑结构及其非谐振线性软开关技术。首先研究了箝位电容高增益非隔离直流变换器的单开关拓扑,其次分析了箝位电容高增益非隔离直流变换器的交错并联拓扑,然后提出了箝位电容高增益非隔离直流变换器的非谐振线性软开关技术,最后阐述了非谐振线性软开关技术在开关电容高增益非隔离直流变换器中的扩展。具体研究内容和创新点如下:首先,针对传统的开关电容高增益非隔离直流变换器需要增大电容容量以抑制电容充放电过程电流尖峰的问题,研究了利用箝位电容单元构造的箝位电容高增益非隔离直流变换器单开关拓扑。通过与传统开关电容高增益非隔离直流变换器的单开关拓扑进行对比,所研究的箝位电容高增益非隔离直流变换器单开关拓扑具有更低器件电流应力和更小电容容量的优势,并从拓扑结构的角度分析了能够减小电容容量的机理。在使用较小电容容量的情况下电容的体积重量和成本被大幅降低,则箝位电容高增益非隔离直流变换器单开关拓扑能够为包含光伏电池的电能生产设备中的直流变换器提供一种较好成本效益的拓扑选择。其次,针对储能电池输出端直流变换器同时要求低电流纹波和高电压增益的应用需求,提出了箝位电容高增益非隔离直流变换器的一系列交错并联拓扑及其一般性构造规律。详细分析了其中一种箝位电容高增益非隔离直流变换器交错并联拓扑的工作原理和性能特征,仿真与实验结果证明了提出的变换器具有低输入电流纹波、高变换效率和高电压增益的优势。提出的箝位电容高增益非隔离直流变换器交错并联拓扑已被应用到高空飞艇电源系统中,为其提供一种设计方法和拓扑选择。此外,提出的箝位电容高增益非隔离直流变换器交错并联拓扑一般性构造规律能够为研究开发新型变换器提供一种拓扑构造思路。然后,为了实现所提箝位电容高增益非隔离直流变换器的软开关操作和消除电容充放电导致的电流尖峰,本文基于电感电流不能突变的原理和基尔霍夫电流定律,提出了箝位电容高增益非隔离直流变换器的非谐振线性软开关技术思想和电路结构。利用提出的非谐振线性软开关技术,构造了一系列箝位电容高增益非隔离直流变换器的非谐振线性软开关拓扑,并分析了其工作原理,提供了仿真和实验结果。所提一系列非谐振线性软开关拓扑能够实现所有开关管的零电流开通和所有二极管的零电流关断,而且由于实现了器件电流的线性变化,从而能够消除因电容充放电导致的器件电流尖峰。最后,为了详细分析所提非谐振线性软开关技术具有降低电容充放电引起的器件电流尖峰和减小电容容量的优势,提供了非谐振线性软开关技术在开关电容高增益非隔离直流变换器中的扩展,进而构建了开关电容高增益非隔离直流变换器的非谐振线性软开关拓扑。通过与传统的开关电容硬开关和准谐振软开关直流变换器进行比较,证明了所提开关电容直流变换器的非谐振线性软开关拓扑能够大幅降低电容充放电引起的电流尖峰,进而能够大幅减小开关电容的电容容量。搭建的1.3kW仿真平台和实验样机证明了理论分析结果。综上所述,本文针对如何降低开关电容式高增益非隔离直流变换器中电容容量的问题,提出了箝位电容高增益非隔离直流变换器的拓扑结构及其非谐振线性软开关技术,能够有效减小变换器中的电容容量进而降低其体积重量和成本,且保持高电压增益和高变换效率的优点。本文的研究内容为高增益非隔离直流变换器在科技探索和国民经济关键工业中的应用提供了一种设计方案和研究思路。图176幅,表28个,参考文献168篇。
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