高功率密度全范围调压的谐振开关电容变换器研究
谐振开关电容变换器具有体积小、重量轻、功率密度高、易集成、软开关和效率高等优点，是小型开关电源的发展趋势之一。但是，谐振开关电容变换器存在轻载调压能力差和高频寄生谐振的缺点，导致调压时开关频率范围宽、开关损耗大、电感利用率低、关断过电压和电磁噪声大等问题。为此，本文对谐振开关电容变换的拓扑结构和控制方法进行了深入研究，具体研究内容包括以下四个部分。 首先，论文针对谐振开关电容变换器轻载调压能力差和高频寄生谐振问题，提出了复合无源无损钳位2倍压双电感谐振开关电容变换器拓扑。该拓扑是在?uk双电感谐振开关电容变换器拓扑的基础上改变谐振电感的位置，调整其工作方式，使变换器的开关频率在低于2倍谐振频率的情况下实现轻载全范围调压，并为后续解决高频寄生谐振问题打下基础；利用钳位电容和辅助二极管组成复合无源无损钳位电路，消除了高频寄生谐振，避免了开关管和二极管的关断过电压。实验结果表明，所提的变换器拓扑在轻载和重载情况下都具备了全范围调压、无高频寄生谐振的特点。 其次，论文针对2倍压双电感谐振开关电容变换器电压增益小的问题，提出了串并联升压的双电感谐振开关电容变换器拓扑。该拓扑在2倍升压双电感谐振开关电容变换器拓扑的基础上，通过串并联多个谐振电容单元实现变换器的多倍压输出，并可利用多级级联的方法进一步提高电压增益。通过计算串并联升压的双电感谐振开关电容变换器的最大带负载能力，得到该变换器稳定工作的边界条件，由此可分析电路结构和元件参数对其可控范围的影响。实验结果表明，所提的变换器拓扑在轻载和重载情况下都具备增益高和输出电压全范围连续可调的优点。 本文分析了升压双电感谐振开关电容变换器功率密度，并给出了提高变换器功率密度的设计原则。首先，由纹波电压的设计指标和变换器的工作状态来计算谐振电容的参数，再计算电容和电感的最大储能量，继而估算其体积值，并量化变换器的功率密度。论文以2倍升压和串并联升压的双电感谐振开关电容变换器为例估算其体积值，并分析串并谐振电容单元的数量与谐振电感储能量的关系，从而提出降低变换器体积，提高其功率密度的设计原则，并通过实验样机验证方法的有效性。 最后，本文在分析双电感谐振开关电容变换器全范围调压原理的基础上，进一步提出了更为实用的谐振开关电容变换器的全范围调压方法。本文基于谐振开关电容变换器的开关模态和工作波形，分别从空间和时间的维度证明了子电路分解方法的正确性，并通过化简谐振电容的充电和放电子电路，得到类似Buck电路的结构。在此基础上，提出通过控制子电路占空比实现谐振开关电容变换器在轻载和重载情况下都能全范围调压的方法，并以Ladder型3倍升压谐振开关电容变换器为例验证该方法的有效性。
谐振开关电容变换器;功率密度;全范围调压
哈尔滨工业大学
博士
电力系统及其自动化
于继来
2021
中文
TN624
2021-12-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）