隔离型高增益正反激变换器拓扑与控制研究

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1、隔离型高增益正反激变换器拓扑与控制研究重庆大学博士学位论文学生姓名：章治国指导教师：周林教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年十二月ResearchonTopologyandControlforIsolatedHighStep-upForward-FlybackConvertertsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByZhangZhiguoSupervisedb

2、yProf.ZhouLinSpecialty：ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaDecember,2015中文摘要摘要隔离型高增益DC/DC变换器是高压开关电源的核心部件，在航空、航天等领域有着广泛的应用。隔离型高增益DC/DC变换器的特征与常规直流变换器有着显著的不同，隔离变压器的大变比及工艺结构加剧了变压器的非理想特性并严重影响着变换器的工作状态。为满足的高增益特种开关电源日益增长的应用需求，论文以隔离型高增益DC/DC变

3、换器拓扑结构与控制策略为研究对象，对硬开关倍压正反激变换器、有源箝位正反激变换器以及谐振正反激变换器进行了深入研究。论文的主要研究内容及取得的研究成果如下：首先，论文从变换器工作模态的角度，对工作在连续导电模态(ContinuousConductionMode,CCM)和不连续导电模态(DiscontinuousConductionMode,DCM)的反激变换器输出特性进行了分析，得出了DCM模态下的反激变换输出电压增益比与隔离变压器的变比无直接关系的结论。为减小反激变换器中所用开关器件的电压应力及降低隔离变压器的绝缘强度，论文在倍压整流电路的基础上提出一种硬开

4、关高增益倍压正反激变换器的复合拓扑结构，将多个电容等效成一个广义虚拟电容，由此推导出倍压正反激变换器工作于DCM模态与CCM模态的临界条件以及输出电压增益与占空比之间的关系。结果表明：在DCM模态下隔离型倍压正反激DC/DC变换器输出电压增益主要取决于其特征参量的大小，当特征参量较小时DCM模态下隔离型倍压正反激DC/DC变换器有较大的输出电压增益比，因此降低了对隔离变压器原副边匝数比的要求，减小了变压器匝数和体积，易于实现高增益DC/DC变换器的小型化设计。同时，该变换器既有正激充电过程又有反激放电特性，能适应较宽的输入电压范围。论文对倍压正反激变换器的动态特

5、性采用移动平均的方法进行了小信号建模和环路的补偿器设计，研制了原理样机，实验数据有效地验证了结论的正确性。其次，论文从变压器的物理模型出发，探讨了变压器的漏感对变换器的性能影响。为抑制变压器的漏感与原边开关管寄生电容所形成的电压振荡，将有源箝位电路与倍压正反激变换器进行复合，由此形成一种有源箝位正反激变换器的拓扑结构。论文在深入分析有源箝位正反激变换器工作原理的基础上得出了输出电压增益、原边开关管以及副边整流二极管的电压、电流应力表达式，并进行了电路仿真和实验验证。为进一步提高输出电压增益而不增加元器件的电压应力，论文对高阶倍压正反激变换器的特性进行了分析与验证

6、。针对高增益变换器输出侧高压二极管反向恢复时间长的问题，在有源箝位正反激变换器的基础上提出了一种谐振正反激变换器，它不仅使原边开关管实现了I重庆大学博士学位论文零电压开关(ZeroVoltageSwitching,ZVS)，同时输出侧高压二极管亦实现了零电流开关(ZeroCurrentSwitching,ZCS)，解决了高压二极管反向恢复时间长与变换器高频化工作之间的矛盾，提升了高增益DC/DC变换器的动态性能。论文从有源箝位正反激变换器的参数入手，对变压器输出侧的电容值进行优化设计，使变换器工作在谐振状态，为输出侧高压二极管提供ZCS关断条件。通过分析谐振正反

7、激变换器工作原理，研究了变换器输入-输出电压增益、谐振电容电压以及复位电容电压与占空比之间的关系；讨论了功率开关管和输出侧高压二极管的电压电流应力及其软开关条件；搭建了实验电路并对所得出的结论进行了分析比较；探讨了高阶倍压电路与谐振正反激变换器的复合拓扑工作机理及特性。最后，为提高高增益谐振正反激变换器输出电压对输入电压的响应速度，提出了一种大信号输入电压前馈的控制方法，设计了输入电压前馈控制电路。论文对高增益谐振正反激变换器主功率回路元件参数进行了设计；采用平均值等效电路法建立了谐振正反激变换器小信号模型，基于线性电路稳定原则进行了控制环路的补偿器设计。在此基

8、础上，以高增益谐振正反激