功率解耦型三端口交错并联隔离型DC-DC变换系统研究

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三端口隔离型DC-DC变换器因其具有高集成度、高功率密度、高稳定性、尺寸小、成本低、效率高等优点在蓄电池、超级电容混合储能系统等场合拥有广阔的应用前景。为解决该类型变换器中普遍存在的功率耦合、待机端口瞬时功率不为零、难以实现端口间传输功率的独立精确控制等问题,提出一种新型功率解耦型三端口交错并联隔离型DC-DC变换器,并对所提出的变换器的工作原理、调制策略、端口特性、数学建模和闭环控制策略等方面进行了详细研究。首先,对所提出的三端口隔离型DC-DC变换器的拓扑结构进行简要分析,给出适用于交错并联结构的脉冲宽度调制加移相控制方法,以此为基础分析各个端口的工作原理,推导出变换器传输功率的一般表达式,揭示出各端口产生功率耦合的本质原因。通过设置开关频率等于高压侧谐振回路的谐振频率实现拓扑层面的功率解耦,从而实现低压侧连接储能元件的两个端口传输功率的独立控制。其次,为进一步降低变换器的功率损耗,提高变换器的工作效率,提出以谐振电流有效值最小为目标的优化调制策略,通过拉格朗日乘数法确定全局最优工作点,获得控制变量占空比与外移相角之间的精确关系。进一步通过连续域下各个变量之间的相位关系分析,证明其工作在单位功率因数,即最小谐振电流有效值状态下。对优化调制策略下变换器的工作模态进行分析,以获得全软开关运行的条件与范围。再次,为实现变换器各端口功率的精确控制和快速响应,提出了变换器低压侧端口电流单闭环控制总体方案。根据所提出的闭环控制策略,基于状态空间平均法和扩展描述函数法建立变换器的小信号模型,求取相应的传递函数,根据传递函数对闭环控制器的参数进行详细设计。另外,对中间直流电容电压和谐振电流的暂态时域特性进行详细分析,以验证上述变量处于开环控制方式下不会出现瞬态过冲或振荡问题,从而保证了所提出的闭环控制策略的可行性。最后,搭建基于DSP+FPGA的新型三端口变换器实验平台,对其硬件方案、各关键环节电路和软件程序流程进行详细设计,并对所提出的变换器拓扑、优化调制策略和闭环控制方案进行详细的实验验证。另外,将所提出的变换器与典型三端口DC-DC变换器进行对比,以进一步验证所提出的变换器的优势。
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