多模块输入串联型组合DC_DC变换器研究.pdfVIP

摘要

摘要

在航天器供电系统、轨道交通变流器、高压取能及中压直流配电等场合，

中高压直流母线对半导体器件选型、系统绝缘和可靠性带来很大挑战。将多个

变换器模块进行输入端串联，输出端串联、并联或独立连接，可以构成输入串

联型组合变换器，从而有效降低器件的电压/电流应力，降低系统开发难度，并

提高系统可靠性。基本模块作为构建输入串联型组合DC/DC变换器的关键部

件，其电压/电流等级、转化效率、功率密度及电压调节能力等直接决定了输入

串联型组合DC/DC变换器的电气属性及性能。然而，在中高压直流母线和载

荷供电电压范围宽时级联型基本模块需多次处理负载功率，导致输入串联型组

合变换器的整机效率低。同时，标准化电源模块无法直接构成输入串联型组合

变换器，需重建子模块或引入专用电压均分补偿器，导致输入串联型组合变换

器的设计复杂、定制性强、研发周期长。而且，在高压直流母线场合下，组合

系统中低压隔离型基本模块的数量大幅增加，导致具有高绝缘应力的变压器数

量增多，系统体积质量增大，可靠性降低。为此，本文从输入串联型组合变换

器的基本模块、积木式构建方法和结构优化三个方面开展深入研究，旨在高效

率、高可靠性和灵活地实现中高压直流母线到中低压载荷的功率变换。

针对具有宽调节能力的级联型基本模块效率低，高效率隔离型准单级基本

模块结构复杂的问题，本文通过分析高效率准单级型电路的构造方法，提出了

一种基于输入间接并联输出串联结构的部分功率处理型基本模块。通过仅增加

一个辅助绕组不仅降低了调整级中器件的电压应力，而且实现了大部分功率只

经过一级高效率高功率密度的不调节直流变压器转换，小部分功率经过两级处

理，从而提高了输入串联型组合变换器的转换效率，降低了系统结构复杂度。

针对由标准化电源模块构成的输入串联型组合系统无法稳定运行，现有方

法需要进行子模块重建或引入专用电压均分环路导致系统设计复杂、定制性强、

研发周期长的问题，本文分析了两模块输入串联型组合变换器不能实现输入均

压的原因，并提出了在两标准化电源模块输入侧并联开环控制的耦合电感式均

衡模块方法。该方法继承了标准化电源模块的高动态输出响应，实现了快速地

将两标准化电源模块进行输入串联型组合，避免了对子模块功率拓扑及输入均

压环的设计，简化了中低压直流场合下输入串联型变换器的设计环节。

为进一步提高多模块输入串联型组合的灵活性，本文深入探讨并提出了一

种积木式构建多模块输入串联型组合变换器的方法。采用构成链式连接结构的

开环电压均衡模块处理各子模块间微小的不平衡功率，实现了组合变换器稳定

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文

运行的同时兼具多模块扩展功能。提出的方法可实现直接地将标准化电源模块

作为器件级设备进行选配和组装，提高了中高压场合下输入串联型组合DC/DC

变换器构建的灵活性。

针对高压直流母线下由低压直流变换器构成的输入串联型组合系统具有隔

离变压器数量多、体积质量大、绕组间绝缘应力高和可靠性低的问题，本文对

具有多端高压桥臂形式的输入串联型组合变换器进行了结构优化，探索并提出

了具有三端高压桥臂形式的多半桥模块串联型直流变压器。通过升压电感和隔

离变压器磁化电感的协同设计，实现了所有半桥子模块和整流器的软开关，从

而获得了高效率。同时，提出的双循环调制方法实现了在全调制系数下半桥子

模块电容电压的自均衡，避免了复杂的采样排序算法，扩展了循环调制的应用

范围。该高压直流模块具有简单的单堆栈和集中式隔离变压器结构，作为输入

串联型组合变换器的基本模块时将显著降低高绝缘应力变压器的数量，提高组

合变换器可靠性。

关键词：输入串联型组合变换器；部分功率处理；积木式构建；三端高压桥臂；

循环调制

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Abstract

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