直流变换器作为电力电子技术的核心之一,已被广泛地应用于不同领域,成为学术界与工业界的研究重点。在实际工程中,常常需要根据工况和系统要求,从众多直流变换器拓扑结构中挑选出一个性能最优的加以使用。基于该需求,对直流变换器拓扑研究提出了两点要求:(1)提供尽量多的有效拓扑结构,(2)容易进行不同拓扑之间的特性比较。为了得到更多的新拓扑结构,学者们相继提出了一些系统的拓扑衍生方法,诸如对偶法、类推法和组合法等。然而,这些方法具有一定局限性。此外,对不同拓扑结构还需逐一分析它们的特性,不利于实际应用中进行拓扑比较和选择。为了更好地提供和选用性能优异的变换器拓扑结构、进一步完善现有的拓扑衍生和分析方法体系,论文将一种新颖的统一模型法应用于非隔离直流变换器研究中。首先,根据目标要求提出相应变换器的统一模型,由该统一模型中的不同元件连接关系可以衍生出多个拓扑结构。然后,对变换器的工作原理进行分析,得到了有效拓扑正常工作需满足的条件,并据此对统一模型中所有可能的连接关系进行有效性判断后,甄选出有效的变换器拓扑结构。最后,从原理分析中可进一步推导得到所有有效拓扑结构的稳态和动态特性。因此,利用统一模型法,不仅可以系统地衍生出诸多有效的新变换器拓扑结构,而且可同时获知这些不同拓扑结构的特性。通过特性比较后,可简便地为实际工程应用选择出一个最优拓扑。论文在回顾了零电压软开关直流变换器和元件复用多端口直流变换器的研究现状后,以性能优异的耦合电感软开关和开关管复用三端口两类非隔离直流变换器为例,分别对它们进行了拓扑衍生与分析。衍生出的所有耦合电感软开关直流变换器拓扑均不需额外的磁芯即可实现开关管软开关,所有的开关管复用三端口直流变换器拓扑均只需三个开关管即可实现三个端口之间的能量控制和电压调节。在统一模型推导、工作原理介绍、有效拓扑衍生、特性通用分析、拓扑比较选择以及实验验证等系统工作后,论文总结出应用统一模型法进行拓扑衍生与分析具有系统性、实用性、一般性及拓展性等优点。首先,论文详细地介绍了统一模型法的具体内容。与传统方法中将某一个具体电路作为研究对象不同,论文以包含两个开关管和电感的基本单元作为研究对象。由于基本单元适用于诸多非隔离直流变换器,研究成果更具一般性。之后,根据零电压软开关的实现原理,论文提出了耦合电感软开关直流变换器的统一模型。对该统一模型进行简单的变化,还拓展得到了其他三类不同的直流变换器统一模型。在这四类统一模型中,根据辅助电路与主电路的不同连接关系,均对应有12种不同的可能拓扑结构。类似地,根据开关管复用技术,论文还提出了开关管复用三端口直流变换器的统一模型,在此统一模型中理论上存在1728种不同连接关系。在上述统一模型推导后,论文详细介绍了基于统一模型法的非隔离直流变换器拓扑衍生与分析的具体内容、实施步骤及优点。应用统一模型法,不仅可以系统全面地为包含上述基本单元的非隔离直流变换器衍生出多个不同的新拓扑结构,而且可同时得到这些拓扑结构的特性分析。其次,将统一模型法具体应用于耦合电感软开关直流变换器以进行拓扑衍生与通用分析。论文先给出了变换器的工作原理介绍,并据此得到了有效拓扑正常工作需要满足的条件。基于该条件,从辅助电路与主电路的12种不同连接中甄选出了 5个有效的耦合电感软开关直流变换器拓扑,其中有4个拓扑结构为论文首次提出。除此之外,基于统一模型的工作原理介绍适用于上述得到的所有有效拓扑,因此借助通用分析方法还同时得到了它们的稳态特性和小信号模型。在实际应用中,仅需代入不同的参数即可得到相应拓扑结构的特性,非常便于不同拓扑之间的特性比较。通过特性比较后,可简单方便地为具体应用场合选择出性能较优的拓扑结构。论文以耦合电感软开关同步整流buck变换器为例,详细地比较了它的5种拓扑结构在不同电压增益情况下的特性。根据特性比较结果,为48V输入、24V输出的应用场合挑选了一个最优拓扑,并实验验证了理论分析的正确性。再次,论文对上述耦合电感软开关直流变换器统一模型进行拓展,验证了统一模型法的拓展性优点。通过拓展,分别得到了辅助电路可控的耦合电感软开关单向和双向直流变换器的统一模型、辅助电路可控的耦合电感软开关非同步整流直流变换器的统一模型与基于耦合电感的双输出软开关直流变换器的统一模型。相比于原耦合电感软开关直流变换器,它们的应用场合有所不同,分别适用于效率要求高、非同步整流和双输出的不同场合。类似地,在各个变换器统一模型的工作原理分析后进行了拓扑衍生,分别推演出了一族有效拓扑结构,其中大部分电路拓扑为论文首次提出。同时,对于每一族拓扑结构,也都给出了典型拓扑的实验验证。由于上述三类统一模型均由同一个统一模型拓展而来,它们的某些特性相似。因此,还可以建立起这三类模型的通用分析,有助于不同变换器统一模型之间的原理互通和特性比较。最后,以开关管复用的三端口直流变换器为例,继续应用统一模型法对其进行拓扑衍生与分析,进一步提高统一模型法应用研究的广度和深度。由于三端口直流变换器统一模型中的连接关系比较复杂,在理论上存在1728种不同的拓扑结构,像上述耦合电感软开关直流变换器拓扑衍生过程中逐一判断它们的有效性比较困难。为了快速准确地衍生出所有有效的拓扑结构,论文将该统一模型中的连接关系进行了数学建模、将电路正常工作的限制条件转化为数学关系。然后借助数学求解手段,系统地衍生出了 16种不同的有效三端口拓扑,其中有15个拓扑结构为论文首次提出。所推演出的三端口直流变换器由于开关管数量减少,它们的结构简单、成本低。在进行通用分析后,同时得到了各个拓扑的电压增益、软开关和小信号模型等特性,为不同应用场合选择合适的变换器拓扑结构提供了理论依据。论文还以一个48V单输入24V/2A、36V/3A双输出buck变换器为例,实验验证了三端口拓扑的有效性。综上,论文系统全面地阐释了统一模型法的意义、内容与应用实例:为完善现有的拓扑衍生方法体系,并为实际工程提供更多性能优异的拓扑结构和更方便的拓扑比较设计,论文将一种新颖的统一模型法应用于非隔离直流变换器研究中;同时,论文详细地介绍了该统一模型法的具体内容,并总结出它具有系统性、实用性、一般性及拓展性等优点;最后,以耦合电感软开关和开关管复用三端口两类非隔离直流变换器为例,论文具体地展示了统一模型法的应用。其中,由耦合电感软开关直流变换器的统一模型还拓展出了三类新变换器的统一模型,它们的拓扑衍生与分析过程基本类似,但变换器各有特点、适用于不同应用场合。此外,相比于耦合电感软开关直流变换器,通过对开关管复用三端口直流变换器的应用研究,还进一步探讨了在比较复杂的连接关系下如何借助数学建模进行拓扑衍生的方法。论文研究工作不仅为实际工程提供了诸多性能优异的新拓扑结构,而且为变换器拓扑衍生和分析研究提供了新的思路。