大功率双向DCDC变换器拓扑结构及其分析理论研究

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1、中国科学院电工研究所博士学位论文大功率双向DC-DC变换器拓扑结构及其分析理论研究姓名：许海平申请学位级别：博士专业：电力电子指导教师：孔力20050902中文摘要摘要大功率双向I)C-I)C变换器在电动汽车、储能系统、电能质量调节、可再生能源发电以及超导储能系统等领域具有广阔的应用前景．本文紧密围绕大功率双向DC-DC变换器的拓扑结构、PWM技术、系统建模和分析方法、数字化控制技术等问题进行系统深入的研究。针对大功率应用的特点，本文首次提出了基于半桥结构PEBB的大功率双向[}C-OC变换器拓扑理论和变换族，包括隔离型、非隔离型双

2、向拓扑，以及新型拓扑：多相结构双向拓扑、级联结构双向拓扑、组合结构双向拓扑和复合结构双向拓扑等。提出了双向DC-DC变换器的两种建模和分析方法：修正状态空间平均方法MSSA和新颖的开关信号流图统一建模与分析方法MSFG，建立了较完善的基础分析和系统设计理论体系。提出的MSFG方法将解析模型和电路模型有机结合，可以直观分析双向变换器的电路特性，同时建立双向DC—Dc变换器的直流DC模型、交流AC小信号模型和大信号模型。本文重点分析和实验验证了其中的三类典型拓扑结构：BUcK／B00sT双向DC-DC拓扑结构、两相交错双向DC—Dc拓扑

3、结构、双主动全桥拓扑结构，相应提出互补PWM控制技术、多相PWM技术、双主动全桥移相PWM控制技术。详细分析了三类变换器的基本工作原理、工作模态、双向功率流特性和软开关特性。分别采用MSSA方法和MSFG方法对三类变换器建立了系统模型，包括直流DC模型、交流Ac小信号模型和大信号模型；并对稳态性能、小信号传递函数频率特性和大信号动态性能进行了仿真分析。两种方法所建立的模型分析结果一致，验证了所提方法的正确性。分析了DC—DC变换器的电压和电流控制模式，提出多模态控制技术。阐述了控制器的设计方法和步骤，给出一种新型变参数滞环PID调节

4、器有效改善系统稳定性。首次提出～种大信号控制器的设计方法，并从理论上证明系统大信号稳定。给出几种双向状态切换技术(包括主动切换技术和被动切换技术)，保障稳定可靠的双向能量流控制。本文对DC-DC变换器数字控制系统几个关键参数(采样速率、AD转换器位数、DPWM分辨率和开关频率)的设计原则进行详尽的分析，并提出非同步采样检测方法有效保证检测电流电压稳定，从而避免控制系统震荡。I中文摘要采用DSP-TMS320F2407为核心设计数字控制单元，研制了l套75kWBUCK／BOOST双向DC-DC变换器BBBC、2套150kW两相交错双向

5、DC—Dc变换器IDBBC、1套5kW低压输出隔离型双主动全桥双向DC-DC变换器DABBC。高压输出系统效率>98％，重量比功率>3kW／kg，体积比功率>3kW几，低压输出系统效率>88．48％~92．17％。实验表明系统动静态性能好，动态响应时间

6、变换器建模、PWM技术、数字控制II英文摘要ABSTRACTHighpowerBi-directionaIDC．DCconvertercanbeappliedinthefieldsoftheelectricvehicles，electricstoragesystems，electricpowerqualityregulationsystems，renewableenergygenerationsystems，superconductorelectricpowersystems，andSOon．Inthisdissertation，t

7、heBi—directionalDC·DCconvertertopology，Bi-directionalpowerflowPWMtechnology，themethodofconvertermodelinganddesign，anddigitalcontroltechnologyareresearchedthoroughly．Aimatthehighpowerconverterapplication，theBi-directionalDC-DCconvertersbasedonPEBB(PowerElectronicBuildin

8、gBlock)withthehalfbridgeconfigurationareputforwardinthefirsttime．Thoseconvertersincludetheisolationtopology，non-isola