基于复合桥式整流的移相全桥变换器设计及特性研究

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自上个世纪诞生以来,电力电子技术就一直保持着高速发展的势头,其应用领域一直在扩展,如今,电力电子技术在社会生产和生活中占据了越来越多的地位。其中,在两种不同的直流电压(或电流)之间进行变流的直流变换电路是电力电子技术的一个重要组成部分。直流变换电路按照变换方式,可被分为直接变换电路和间接变换电路两类,包括六种基本电路及若干基于基本电路的派生电路,这些变换电路被广泛应用于各类电力电子设备中。随着电力电子设备的改进与更新,其集成化程度不断提升,开关频率也随之提高,但损耗也因此增加,为改善这一缺陷,软开关技术被应用于直流变换电路中。在众多软开关直流变换电路中,移相全桥电路因其开关频率固定、控制简单,开关器件应力较低,功率密度高等优点,在中高功率场合中广受欢迎,也是本文的主要研究对象。移相全桥变换器应用场合十分广泛,而不同的应用场合对移相全桥变换器会有不同的特定要求。合理地优化改进变换器拓扑,使其在特定应用场合下具有优越的性能表现,对移相全桥变换器的推广应用具有重大意义。本文拟针对传统移相全桥变换器的几大固有缺陷,如滞后桥臂上的开关管相对较小的软开关范围、零状态期间循环电流带来的导通损耗和变压器副边的占空比丢失等,就不同应用场合下移相全桥变换器拓扑的改进设计开展研究。首先,针对电压的输入较高而电流的输出较大的应用场合,提出了一种采用复合桥式整流结构的输入串联输出混联全桥变换器。通过辅助电容与特定的调制方案,消除了变换器零状态期间的循环电流,使变压器副边的占空比丢失减小,改善了滞后桥臂开关管原本较小的软开关范围。输入串联结构降低了一次侧半导体器件的电压应力,而复合桥式整流结构与调制方案相结合,改善了整流电压波形,有效抑制了输出电流纹波。此外,通过对所提出变换器的动态特性的分析,设计了闭环反馈调节方案,实现了输入均压控制与输出电压控制功能。其次,针对输入电压变化范围较大的应用场合,提出了一种在一次侧与二次侧都采用复合桥式结构的改进型移相全桥变换器,两个全桥单元通过复用一组桥臂结合在一起。通过对称的调制方案,实现了两个全桥单元的功率均分,降低了半导体元器件应力与变压器伏安额定值。利用辅助电容和二次侧的辅助开关管,使所有开关管在较大的输入电压变化范围下都具有较宽的软开关范围,保证了变换器在宽输入电压范围下的高效率。最后,基于对所提出的两种变换器的理论分析,分别设计了一套实验参数,搭建了实验原型,验证了所提出的两种针对不同应用场合的改进型移相全桥软开关变换器拓扑及控制策略的有效性。
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