适用于高压输入大功率场合的软开关DC-DC变换器的研究

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目前,直流变换技术的应用依然渗透在各行各业,采用合适的直流变换器不仅能使提高电流变换系统的可靠性,而且可以起到降低功耗,节能环保的作用。在很多领域例如非并网风电、燃料电池发电,工程器械用电的传输等情况下经常用到高输入电压、大功率的场合,所需的 DC/DC变换器需要满足高输入电压的设计要求。而在这些需要用到直流电力变换的系统中,高输入电压是设计 DC-DC变换器的主要难点。目前,对于高压输入的直流变换的问题主要采用以下几种解决方案:(1)通过器件的串联来提高承受的电压;(2)使用三电平或多电平来降低输入管承受的压降;(3)使用在输入侧串联(ISOP)等多模块的方法来均分输入电压。本文主要对上述后两种方案进行例如分析和验证。  本文第二章研究分析了全桥软开关直流变换器的特性,研究并设计了输入2500V输出100V的直流变换器,其功率管单管压降等于输入电压。第三章以三电平软开关直流变换器为例,论证了三电平软开关在较高电压传输中的优点,其输入电压为5000V,两倍于第二章中提到的全桥直流变换器输入电压,单管压降依然是2500V,额定输出的功率也提高了近1倍。三电平变换器可以使IGBT管上的压降减少为输入电压Vin的一半,并且可以在较宽的范围内实现软开关。实现软开关可以让管上的损耗大大减少,从而大大减少管子发热,大大提升了变换器的性能。因此三电平软开关在几千伏的工程器械中应用较为广泛,实现中大功率的传输上有优势。  当输入电压变得更高,传输功率更大的情况下,多电平变换器会存在很多局限性,因此本文研究了一种模块化组合变换器,第二章提到的全桥软开关直流变换器作为其中的一类模块得到应用。分别讨论了两个相同模块和两类不同模块组合时的情况,并且进行了理论分析。研究了 ISOP-FB组合式直流变换器的输入电压和输出电流的关系,讨论了各模块输入电压存在压差的原因,并对其中重要的影响因素进行了分析和仿真验证。此外,还设计了输入电压为7500V,输出依然是100V的直流变换器。最后本文还对负载发生变化和输入总电压发生变化时的系统特性进行理论分析和仿真验证。这种方式可以推广到n个模块,在开关管承受压降不变的情况下,极大程度地提高了输入的电压等级和变换器传输的功率。
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