基于功率流分析與重構(gòu)的直流變換器拓撲衍生理論和方法.pdf

1、以航天器電源為代表的可再生能源獨立供電系統(tǒng)一般配有蓄能電池，形成了具有輸入、輸出和中間雙向三類端口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著我國航天載人事業(yè)的迅速發(fā)展，采用多個兩端口變換器實現(xiàn)此類三端口功率系統(tǒng)功率管理控制的傳統(tǒng)解決方案將難以適應(yīng)未來供電系統(tǒng)的要求，必須研究采用新的理論、方法和技術(shù)有效提高功率變換能效。本文研究新型集成直流三端口變換器(Three-Port Converter，TPC)，旨在揭示TPC拓撲族的本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，形成一般性拓撲衍生

2、理論和方法，以推動TPC系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用發(fā)展，并為復(fù)雜功率接口變換器拓撲的研究提供理論和方法參考，為高能效、高功率密度可再生能源供電系統(tǒng)提供解決方案。
　　提出了基于功率流分析與重構(gòu)的直流變換器拓撲衍生的整體思想和方法。在工作原理分析的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)并提取典型TPC拓撲所共有的端口特性及端口間功率流特性，給出了TPC拓撲內(nèi)在機理描述，明確了TPC拓撲的構(gòu)成要素即端口、功率傳輸路徑和功率控制變量;揭示了TPC與傳統(tǒng)兩端口變換器的內(nèi)在

3、聯(lián)系，建立了兩端口變換器拓撲向三端口變換器拓撲轉(zhuǎn)化的橋梁;將變換器拓撲構(gòu)造過程分解為端口、功率傳輸路徑及其控制變量的重構(gòu)過程，形成了研究TPC等復(fù)雜變換器拓撲本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系、進而獲得其拓撲衍生的一般原則。
　　提出了TPC拓撲合理有效的物理構(gòu)造和優(yōu)化方法。(1)組合-優(yōu)化構(gòu)造法。首先由兩端口變換器組合構(gòu)造出基本三端口拓撲，然后以器件復(fù)用和功率傳輸路徑集成為拓撲優(yōu)化準則，去除冗余部件，實現(xiàn)高功率密度TPC。以非隔離TPC拓撲族為

4、例，分別給出了兩端口變換器經(jīng)由雙輸入變換器、雙輸出變換器和雙向變換器生成TPC的原理、方法和過程。(2)控制變量重構(gòu)法。發(fā)掘并利用現(xiàn)有兩端口變換器中潛在的第三端口及功率路徑，補充構(gòu)造TPC功率控制所需要的控制變量、滿足功率控制要求，得到TPC拓撲。以半橋式TPC拓撲族為例，給出了拓撲構(gòu)造方法和過程。(3)功率路徑重構(gòu)法。發(fā)掘并利用現(xiàn)有兩端口變換器中潛在的功率控制變量，補充構(gòu)造第三端口及相應(yīng)的功率傳輸路徑，構(gòu)造出TPC拓撲。以全橋式TPC

5、拓撲為例給出了拓撲衍生方法，并將該方法延伸推廣于含多個雙向端口的多端口變換器拓撲族的生成。(4)直接構(gòu)造法。發(fā)掘并利用現(xiàn)有兩端口變換器中潛在的端口、功率傳輸路徑和功率控制變量，將其直接升級為TPC拓撲。以Z源變換器為例分析，并給出了Z源TPC拓撲實例。
　　應(yīng)用所提出的拓撲構(gòu)造原理和方法，推導(dǎo)并得到了一系列具有高集成度且任意兩個端口之間均為單級功率變換的TPC拓撲族和多端口變換器拓撲族，包括非隔離TPC拓撲族、半橋式TPC拓撲族、

6、全橋式多端口變換器拓撲族以及雙有源橋多端口雙向變換器拓撲族等。提出了兼顧實現(xiàn)輸入最大功率點跟蹤、輸出穩(wěn)定及蓄電池充放電控制等要求的多目標優(yōu)化功率控制和能量管理策略，以及脈寬調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。
　　將功率流分析與重構(gòu)的新方法拓展應(yīng)用于復(fù)雜兩端口變換器的拓撲描述和系統(tǒng)化衍生研究。以功率流概念詮釋正激變換器的工作機理，提出了二極管磁復(fù)位正激直流變換器拓撲族的正單元、負單元和復(fù)合單元三種基本開關(guān)單元及其構(gòu)造思想，以及二極管磁復(fù)位正