中功率单相AC/DC标准化及相关稳定性研究

论文摘要

本文是在电力电子系统集成课题的背景下进行的研究，全文可以分为两部分。第一部分主要对用于中功率范围的单相功率因数校正器(PFC)的拓扑进行优选，并且对后级宽输入电压范围的DC／DC拓扑进行了研究。第二部分主要对DC／DC变流器的小信号模型进行进一步研究，并且在小信号分析的基础上，研究了DC／DC变流器模块和级联系统的稳定性，同时对PFC变流器的小信号特性也进行了探讨。对于中功率范围的PFC变流器，Boost型的拓扑以其高效率，宽输入范围，低谐波而广泛应用。本文对提高Boost型PFC的效率的方法进行了探讨，并且以高效率为主要的优选准则，综合考虑拓扑的复杂程度，辅助网络的体积，以及是否便于集成，适用功率范围等方面，对现有的boost型PFC拓扑进行了比较，并且归纳出了通用性较好的拓扑。通过比较和优化，按照不同功率等级的PFC应用场合，总结出了若干个适合标准化的Boost型PFC拓扑，传统的DC／DC变流器的效率对输入电压的范围比较敏感，用于宽输入电压范围场合时，效率很低。为了能够使得DC／DC能够适应很宽的输入电压范围(100V—400V)，本文提出一种新的混合调制的控制的方式，通过将窄范围设计的DC／DC变流器单元原边并联，结合副边的桥式整流结构，能够获得很宽的输入电压范围，并且可以降低副边整流器件的电压应力，从而采用低耐压的器件，降低导通损耗，提高效率。本文还对峰值电流模式控制的DC／DC变流器的模型进行了进一步研究，提出了一种改进的小信号模型，能够更为准确的预测变流器的环路特性。本文对平均电流模式控制的DC／DC变流器进行了建模，采用与峰值电流控制变流器建模相似的方法，得出了改进的平均电流模式控制的变流器的模型。通过比较和分析，将两种电流模式控制的模型进行归一化处理，得出了通用的电流模式控制的小信号模型。在这个小信号模型的基础上，对峰值电流模式控制的DC／DC变流器在不同性质负载下的稳定性进行分析和判断，并提出了阻性负载条件下设计用于负阻性负载的DC／DC变流器的设计方法。同样，通过分析输入滤波器对DC／DC变流器环路的影响，得出了更为简单的滤波器设计标准。本文最后对Boost型PFC变流器进行了建模。在通用的电流模式控制变流器模型的基础上，增加了输入电压的前馈环路。虽然PFC不存在DC／DC变流器的稳态工作点，但是通过分析发现，直流输入情况下的平均电流控制的变流器模型可以代替用于交流输入的PFC的模型。通过分析在直流输入时的小信号模型的稳定性，就可近似得出PFC变流器的小信号稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电力电子系统集成的含义和目标
• 1.2.1 系统集成的含义与意义
• 1.2.2 系统集成的现状和发展趋势
• 1.3 本文的研究范围以及任务
• 1.3.1 拓扑优选的标准
• 1.3.2 AC/DC整流器的研究现状及本文的研究范围
• 1.3.3 本文要主要研究内容
• 第二章 高效率单相功率因数校正（PFC）的拓扑优选
• 2.1 引言
• 2.2 低导通损耗的整流拓扑
• 2.2.1 无整流桥APFC拓扑比较
• 2.2.2 倍压型无桥APFC拓扑
• 2.2.3 无桥拓扑综合比较
• 2.3 电压型软开关Boost拓扑
• 2.3.1 ZVT型辅助网络拓扑
• 2.3.2 谐振型ZVS辅助网络拓扑
• 2.3.3 箝位型ZVS辅助网络拓扑
• 2.4 电流型软开关Boost拓扑
• 2.4.1 PWM型ZCS辅助网络的拓扑
• 2.4.2 PWM型ZCT拓扑
• 2.4.3 控制型软开关拓扑
• 2.5 优选后的单相Boost型软开关拓扑
• 2.6 提高效率的其他APFC拓扑结构和控制方法
• 2.6.1 三电平BoostAPFC拓扑
• 2.6.2 软开关在无桥Boost型APFC中的应用
• 2.6.3 Boost型APFC输出电压范围的选择
• 2.7 高效率PFC拓扑综合
• 第三章 宽输入范围高效率前端DC/DC变流器拓扑
• 3.1 引言
• 3.2 标准拓扑宽输入电压范围应用比较
• 3.2.1 谐振型变流器（LLC）
• 3.2.2 一种改进的移相控制ZVS全桥变流器
• 3.2.3 Buck型全桥拓扑的宽范围应用
• 3.3 具有宽输入电压范围的混合控制DC/DC变流器
• 3.3.1 较宽输入范围的错相控制并联型半桥变流器
• 3.3.2 拓展输入电压范围的控制方式
• 3.3.3 试验与测试
• 3.3.5 积木式的宽输入电压范围的变流器单元
• 附录:
• 第四章 模块及系统的小信号稳定性分析
• 4.1 引言
• 4.1.1 引起系统不稳定的原因
• 4.1.2 小信号稳定性分析方法和判据
• 4.1.3 本章研究内容概要
• 4.2 电流模式控制的变流器的传函与环路分析
• 4.2.1 改进的峰值电流控制器模型
• 4.2.2 通用的电流模式控制器模型
• 4.3 不同性质负载下电流控制模式的稳定性分析
• 4.3.1 电阻负载峰值电流模式控制模块的稳定性讨论
• 4.3.2 DC/DC变流器作为负载时电流控制模式模块的稳定性
• 4.3.3 阻抗网络负载对变流器模块的影响
• 4.4 输入滤波器对变流器环路的影响及其稳定性判断
• 4.4.1 关于输入滤波器的设计原则的一点讨论
• 4.4.2 滤波器输出阻抗对Buck变流器稳定性的影响
• 4.4.3 输入滤波器对Boost变流器稳定性的影响
• 4.4.4 Boost变流器+Buck变流器的级联系统的稳定性设计
• 第五章 Boost型AC-DC（PFC）变流器的建模分析
• 5.1 平均电流模式Boost型PFC变流器的小信号建模和分析
• 5.1.1 带有前馈的平均电流模式Boost变流器的建模
• 5.1.2 交流输入对前馈型Boost变流器环路的影响
• 5.1.3 滤波器对PFC变流器环路的影响
• 5.2 电压环带宽的讨论
• 5.3 本章小结
• 附录
• 第六章 结论与展望
• 攻读博士期间发表的论文:
• 致谢