免费论文：高效大功率DC-DC变换器关键技术研究

随着传统能源的日益枯竭和环境污染的不断加重，以燃料电池、光伏电池等清洁能源为代表的新能源引起了全世界的广泛关注。而燃料电池和光伏电池在作为动力电源使用时会存在以下不足：输出特性偏软，输出电压随负载、温度变化波动较大，无法实现电压电流的精确控制，因而很难直接满足用电设备的使用要求。引入DC-DC变换器正好可以弥补上述不足，实现动力系统能量流的精确控制。因而，研究动力系统用DC-DC变换器及其关键技术具有重要的理论意义和工程应用价值。论文对高效大功率升降压DC-DC变换器展开了深入系统的研究，包括主电路的选型和设计、电路模型及性能分析、控制策略和电磁兼容的优化改进等方面内容。论文首先对常用升降压变换器主电路拓扑性能进行了详细的对比分析，表明双管级联式电路是现有拓扑结构中最适合高效大功率应用场合的拓扑方案，同时指出了双管级联式电路可控性方面存在的不足。针对级联式拓扑可控性的不足，提出了一种新颖的复合升降压电路（Input-Parallel Output-Series Buck-Halfbridge，IPOSBHB），由Buck和Halfbridge模块组合而成，输入端并联输出端串联，定义了IPOSBHB的高效工作模态，详细的分析其电路结构、工作原理和基本关系，指出了IPOSBHB相对于级联式拓扑在控制方面的优势；以双管级联式电路为参照，从变换器的开关器件及应力、磁性元件总重量和效率三方面考察IPOSBHB电路的综合变换性能，并通过一台15kW样机进行验证。针对IPOSBHB电路，利用状态空间平均法分别建立了降压模式和升压模式下的开环小信号模型。基于开环小信号模型，设计了模拟PI的双电压电流四闭环控制方法，并设计了一套以PWM芯片为核心的模拟控制系统，对控制系统的稳定性和动态特性进行了仿真分析和实验验证，实现了IPOSBHB电路在电感电流连续（Continuous Conduction Mode，CCM）下降压模式和升压模式恒压恒流的输出特性，实现了变换器稳态工作时的高效控制和动态调节过程中升降压模式的自动切换功能，并已经在实际工程中得到应用。对控制策略进行了优化，提出了一种基于数字PI的载波平移控制方法，实现了变换器稳态高效控制和动态模式的自动切换，确保了变换器在动态调节过程中始终工作在高效工作模式，空载稳定性好，升降压模式稳态值差异小。在此基础上，分析了IPOSBHB升降压模式切换时传递函数的不一致性、占空比的不连续性和输入电压的扰动对变换器输出特性的影响，并分别给出一致性补偿、延时补偿和前馈补偿改进措施。设计了一套以DSP为核心的全数字化控制系统，对所提出的理论进行了仿真分析和实验验证，实现了IPOSBHB变换器在模式切换时的平滑过渡，同时抑制了输入电压扰动对输出的影响，进一步提高了变换器的动态性能。最后，从电磁兼容的角度对IPOSBHB变换器做了进一步的优化改进设计，深入分析了DC-DC变换器的主要干扰源，从抑制变换器自身干扰的角度出发，针对IPOSBHB电路设计了柔性换流电路（Soft Changing Current，SCC）和随机开关频率PWM控制方法，从主电路结构和控制策略优化两方面改善了变换器的电磁兼容性。

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