發(fā)布時間：2020-06-01 02:48

【摘要】：航天器、電動汽車、綠色數(shù)據(jù)中心等新的應(yīng)用需求不斷提出,促進了對新型變換器拓撲的研究與探索。為了滿足航天器、電動汽車等電源系統(tǒng)日益增長的高效率、高功率密度和高可靠性的發(fā)展需求,本文對高性能隔離型寬增益范圍諧振變換器的電路拓撲、控制和諧振參數(shù)優(yōu)化展開研究。歸納總結(jié)了諧振變換器典型的分析和設(shè)計方法。以經(jīng)典的LLC諧振變換器為例,對FHA分析法、時域近似分析法、數(shù)值分析法等多種諧振變換器分析方法作了詳細的對比和應(yīng)用說明。其中,FHA分析法最為簡單實用,但增益分析的誤差較大,尤其是在整流側(cè)電流或電壓斷續(xù)的工作模式。最精確的方法就是借助于計算機數(shù)學(xué)軟件的狀態(tài)空間法或數(shù)值分析法,但是過程復(fù)雜一些。在對比的基礎(chǔ)上,提出了諧振變換器的分析步驟。整理歸納還發(fā)現(xiàn),雖然LLC諧振腔有多種設(shè)計方法,但是其效率優(yōu)化目標(biāo)都是找到滿足不同約束條件組合的激磁電感比值與品質(zhì)因數(shù)之積的最大值。研究了LLC和LCLCL多諧振變換器在寬輸出電壓范圍時的參數(shù)優(yōu)化方法。在現(xiàn)有設(shè)計方法歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上,考慮電池的充電特性,提出了寬輸出LLC變換器的參數(shù)優(yōu)化方法:根據(jù)恒流恒壓充電曲線中的兩個極限工作點設(shè)計出更大的激磁電感比值,減小導(dǎo)通損耗,提升全范圍的變換效率。LCLCL多諧振變換器在LLC諧振腔的基礎(chǔ)上增加了陷波單元,增益分析時也多了兩個參數(shù):陷波電感比值和陷波電容比值。分析結(jié)果表明,這兩個比值對峰值增益的影響較小,但對原邊電流影響較大。陷波電容比值對陷波頻率和串聯(lián)諧振頻率的影響比陷波電感比值更明顯。因此,諧振電容要先于諧振電感設(shè)計。LCLCL變換器的峰值增益受激磁電感比值和品質(zhì)因數(shù)的影響。當(dāng)滿足最高電壓增益需求時,原邊電流有效值隨著激磁電感比值與品質(zhì)因數(shù)之積的增大而減小。在此基礎(chǔ)上,提出了寬輸出LCLCL多諧振變換器的參數(shù)優(yōu)化方法。提出了一類適合寬輸入電壓場合的分裂諧振腔型LLC諧振變換器。通過變壓器及諧振支路的裂解和組合,實現(xiàn)在不同的輸入電壓下變換器在高、中、低三種等效增益模式之間平滑自動切換,大大縮小了每一種工作模式所承擔(dān)的諧振腔電壓增益工作范圍,使得LLC諧振腔參數(shù)得以優(yōu)化,并減小了原邊環(huán)流,提升了全輸入電壓范圍內(nèi)的整體變換效率。當(dāng)兩條諧振支路參數(shù)相同時,中增益模式的電壓增益分別處在高增益模式和低增益模式的中間。為了增強拓撲的適應(yīng)性,進一步優(yōu)化諧振腔電壓增益范圍,采用多支路重組法來實現(xiàn)中增益模式的電壓增益在其它兩者之間的自由移動。優(yōu)化后,諧振腔參數(shù)并不一定相同,但兩支路對應(yīng)諧振元件的阻抗比值都為變壓器匝比的比值。在任一工作模式下,兩個變壓器都傳輸功率,提高了利用率、減小了總體積。提出了一類適合保持時間場合的集成升壓單元型LLC諧振變換器。該集成升壓單元僅在保持時間內(nèi)工作,將輸入儲能電容中的能量泵入諧振電感或串聯(lián)諧振腔,拓展了變換器的電壓增益范圍,滿足了保持時間要求。而在正常輸入電壓下,變換器得以始終工作在諧振頻率點附近。集成升壓單元工作時,變換器的輸出電壓增益只與輔助開關(guān)管的占空比(或移相角)和諧振腔品質(zhì)因數(shù)有關(guān),而不受激磁電感的影響。因此,該類改進型變換器可以增大原邊激磁電感,減小原邊環(huán)流,明顯提高正常工作狀態(tài)(即額定輸入電壓)的效率。針對以上研究,分別搭建了相應(yīng)的樣機平臺,并進行了充分的仿真和實驗驗證,驗證了分析的正確性和可行性。
【圖文】：

也稱為直流充電樁，安裝在充電站，功率大，實現(xiàn)高速公路等場合的快速充電，常采用高頻高效的模塊化結(jié)構(gòu)。兼容不同車型時，非車載充電機的輸出電壓范圍更寬，，如日本 CHAdeMO 標(biāo)準的 50V~500V 和國內(nèi)盛弘電氣產(chǎn)品 SER750/20 的 200V~750V。在目前的交流電網(wǎng)中，兩種充電機的模塊廣泛使用“PFC(Power Factor Correction)+DC-DC”兩級式結(jié)構(gòu)。其中，后級需要采用寬輸出范圍 DC-DC 變換器。隨著直流微網(wǎng)[13,14,25,26]、電動汽車 V2G(Vehicle to Grid)和移動電站等概念的發(fā)展，新一代充電機更適合采用寬電壓范圍雙向 DC-DC 變換器[27-29]。作為電動汽車的關(guān)鍵零部件，車載 DC-DC 變換器和車載充電機需要滿足高可靠性、高效率、低體積、低成本等要求。高效率的寬電壓范圍 DC-DC 變換器不僅可以降低電池充電時的電能損耗和成本，還可以提高放電時的電能利用率、增加續(xù)航里程。此外，因為鋰離子等高功率密度電池都有充放電次數(shù)的限制，它還可以延長電池使用壽命。FCEV 具有低噪音、燃料補充時間短和車輛綜合燃料效率高等優(yōu)點。2016 年，通用汽車正式公開了與美國陸軍坦克車輛研發(fā)工程中心(TARDEC)共同研發(fā)的“雪佛蘭科羅拉多 ZH2”全新軍用燃料電池車。2017 年，通用汽車和日本本田公司宣布將合作生產(chǎn)新一代燃料電池車動力系統(tǒng)，以拓展商用市場和坦克等軍事應(yīng)用。然而，實現(xiàn)燃料電池電能變換的高效率寬輸入范圍DC-DC 變換器對車輛綜合燃料效率的提升有著重要的影響[6,20]。

2 2 1 12 12 10.5 2r Lr r LrLr LrLr LrL i L iN = NAe B Ae B 2 12 20 2 0 12 12 12/ 2Lr Lr LrLrr ru Ae N u AeN= =L L 2 12 12 2 1 12 222Lr LrLr LrLr LrN NuAe uAe i i r2Lr1L2 1 圖 4.32 Lr1和 Lr2的磁集成幾何示意圖
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

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本文編號：2690852