双有源桥式DC-DC变换器移相控制的开关策略优化

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为满足电动汽车这一高电压变比、大功率应用场合中的电压变换、电能双向传输、电气隔离等需求,隔离型双向DC-DC变换器的研究得到了广泛的关注。目前,有两个制约其进一步发展的技术难点,即充电效率较低和电池寿命较短,而变换器的电流应力决定了开关器件导通和关断过程中损耗的大小,是影响充电效率的重要因素,同时,电流的冲击也会缩短电池的寿命。因此,降低电流应力和功率损耗,提高容量和效率,是当下隔离型双向DC-DC变换器研究要解决的关键问题。本课题通过研究双有源桥式结构的隔离型双向DC-DC变换器的工作过程和数学模型,在传统移相控制方法的基础上实现零电压开关并完成控制策略的优化,从理论研究和系统设计两个方面重点解决目前隔离型双向DC-DC变换器研究中存在的如何降低电流应力、开关损耗问题。本课题主要研究了以下内容:(1)分析移相控制下双有源桥式结构的隔离型双向DC-DC变换器的工作过程,建立其工作特性模型,研究该结构的变换器实现零电压开关的方法,设计基于LC串联谐振的软开关解决方案。(2)归纳分析双重移相控制的双有源桥式DC-DC变换器在全局条件下的各种工作模式,得到传输功率和电流应力与移相比、电压转换比的关系,并建立两者的数学模型。据此,使用拉格朗日乘数法求解各模式下实现最优电流应力的移相比组合,同时推导出由电压转换比和传输功率确定变换器运行模式的规则,从而提出一种电流应力全局最优的移相控制模型和一种消除电感电流暂态直流偏置的策略。(3)针对本课题中对双有源桥式DC-DC变换器的参数要求利用基于模型的设计方法研究变换器系统的实现方案。(4)通过软件仿真对本课题中的双有源桥式变换器设计方案和优化的移相控制开关策略进行检验,并搭建实验台架以测试不同工况条件下变换器的暂态、稳态性能。结果证明,相对于传统方法,本课题中所采用的控制方法能有效降低电感电流应力及开关损耗、提高变换效率,并能有效消除传输功率突变时暂态过程中电感电流上产生的直流偏置,同时,设计的双有源桥式变换器各项指标均满足了要求。
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