第一章緒論1.1研究背景及意義隨著全球能源、環(huán)保以及氣候變化等問題日益突出，碳中和碳達峰成為了全球范圍內(nèi)的重要議題。可再生能源系統(tǒng)和新能源汽車成為了實現(xiàn)碳中和和碳達峰目標(biāo)的重要途徑。而隔離三電平DC/DC變換器作為可再生能源系統(tǒng)和新能源汽車中的重要組成部分，對于提高能源利用率和降低碳排放以及對環(huán)保方面有著重要的作用。對于可再生能源體系進步的越來越多的重視?？稍偕茉聪到y(tǒng)，如光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)，具有環(huán)保、清潔、永續(xù)的特點，成為替代傳統(tǒng)化石能源的重要選擇。隔離型三電平DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在電能的轉(zhuǎn)換和管理方面。新能源直流微電網(wǎng)(NewEnergyDcMicrographyNetwork)是一種基于直流電力的小型電力系統(tǒng)，通常由可再生能源發(fā)電裝置(如光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等)、儲能設(shè)備(如電池、超級電容器等)、直流負(fù)載和直流/直流(DC/DC)或直流/交流(DC/AC)組成，是一種小型電力系統(tǒng)。這種微電網(wǎng)通常是獨立運行的，能夠在脫離主電網(wǎng)的情況下提供電力供應(yīng)，也可以與主電網(wǎng)進行互聯(lián)并實現(xiàn)能量的雙向流動。新能源直流微電網(wǎng)其次，新能源汽車的市場規(guī)模隨著政策的支持和技術(shù)的進步而不斷擴大。在新能源汽車上應(yīng)用隔離型三電平DC/DC轉(zhuǎn)換器，主要體現(xiàn)在動力系統(tǒng)與動力管理兩個方面。例如，隔離式三電平DC/DC轉(zhuǎn)換器可以在電動汽車的電池管理系統(tǒng)中使用，在不同的電動汽車工作模式下，為了滿足能源需求，實現(xiàn)對電池電壓的升壓、降壓或變換。同時，電動汽車充電樁還可采用隔離式三電平DC/DC轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)由交流電轉(zhuǎn)換為直流電，控制充電過程，提高充電效率，提高充電安全。DC/DC變換器在新能源汽車中的功能1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1隔離型DCDC變換器拓?fù)溲芯楷F(xiàn)狀隔離式DCDC轉(zhuǎn)換器大體上可分為全橋隔離器的不對稱半橋隔離器和全橋隔離器的雙向直流轉(zhuǎn)換器。不對稱半橋隔離型雙向直流轉(zhuǎn)換器包括雙向推進式直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)、雙向正向激流直流轉(zhuǎn)換器和雙向反向直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)。通過雙向推擠DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)輸入輸出電壓的升降變換。其具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、可靠性強。雙向正激變換器具有輸出電流平穩(wěn)、功率密度高等特點，適用于需要高效率、低電磁干擾的場合。雙向反激變換器輸入輸出電流波形較為平滑，輸出電壓穩(wěn)定，適用于對輸出電壓波動要求較高的應(yīng)用場合。雙有源橋變換器由兩個有源橋連接而成，分別為正激橋和負(fù)激橋。每個橋都包括兩個開關(guān)和一個有源元件（如電感或電容），并通過一個共享的直流電源連接在一起。正激橋和負(fù)激橋的輸出端口通過電感連接在一起。在每個工作周期內(nèi)，正激橋和負(fù)激橋各自進行開關(guān)操作。正激橋用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為變換輸出，而負(fù)激橋則用于將變換輸出轉(zhuǎn)換為輸入電壓。通過調(diào)節(jié)兩個橋的開關(guān)狀態(tài)和占空比，可以控制輸出電壓的大小和方向。雙有源橋變換器，其雙向能量傳輸?shù)奶匦允蛊湓谀芰抗芾砗凸β柿骺刂品矫婢哂兄匾饔?。移相全橋變換器的工作周期分為兩個階段，即正激階段和負(fù)激階段。在正激階段，正激全橋工作，將輸入電壓通過變換輸出到輸出端；在負(fù)激階段，負(fù)激全橋工作，將輸出端的電壓反向變換輸出。通過調(diào)節(jié)兩個全橋轉(zhuǎn)換器的工作相位和占空比例，就可以實現(xiàn)對輸出電壓的控制和調(diào)節(jié)。具有輸出電壓穩(wěn)定、效率高、響應(yīng)速度快等特點，適用于對輸出電壓要求高、功率密度大的應(yīng)用場合。目前，針對全橋隔離型雙向直流變換器的控制問題，研究人員提出了各種高性能的控制算法，如模型預(yù)測控制（MPC）、虛擬矢量控制（SVC）等，以實現(xiàn)對輸出電壓和電流的精確控制，并提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。與此同時，在設(shè)計全橋隔離型雙向直流變換器時，需要考慮其在工作過程中可能產(chǎn)生的電磁干擾，并采取相應(yīng)的措施來提高其電磁兼容性，以確保系統(tǒng)在各種工作環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。為了進一步提高系統(tǒng)的功率密度和性能，研究人員開始探索采用多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建全橋隔離型雙向直流變換器，如級聯(lián)多電平拓?fù)?、混合拓?fù)涞龋詽M足不同功率等級和應(yīng)用需求。本文采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行深入研究，有效降低系統(tǒng)成本和提高開關(guān)應(yīng)力。1.2.2三電平DCDC變換器拓?fù)溲芯楷F(xiàn)狀常見的三電平結(jié)構(gòu)有：電容鉗位型、二極管中點鉗位型（NeutralPointClamped，NPC）、有源中點鉗位型等。電容鉗位型結(jié)構(gòu)通過串聯(lián)電容器實現(xiàn)三個電平的輸出，通常用于中等功率的應(yīng)用。相對于其他結(jié)構(gòu)，電容鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)和維護。電容鉗位型逆變器需要較大容量的電容器來實現(xiàn)電壓平衡，因此電容器成本和體積較大。NPC結(jié)構(gòu)是一種常見的三電平逆變器拓?fù)洌褂脙蓚€分別連接到中點的二極管來實現(xiàn)三個電平的輸出。NPC結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低功率損耗和高效率，因為它可以減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，能夠產(chǎn)生較為平滑的輸出電壓波形，減小諧波含量。有源中點鉗位型結(jié)構(gòu)在中點電壓上添加了一個有源電壓調(diào)節(jié)器，能夠更好地控制中點電壓，由于需要額外的有源電路，有源中點鉗位型結(jié)構(gòu)通常具有更高的成本和復(fù)雜度。本文采用NPC和電容鉗位混合型三電平結(jié)構(gòu)。1.3論文組織結(jié)構(gòu)本論文從變換器的工作原理及特性開始分析，從系統(tǒng)的工作原理上探討可能的控制策略，并通過對系統(tǒng)的建模分析，采用雙閉環(huán)移相控制的方式進行控制。本論文主要針對隔離三電平DC/DC轉(zhuǎn)換器展開研究，通過詳細(xì)闡述轉(zhuǎn)換器的工作原理、主要工作方式、電氣特性、性能指標(biāo)等，從其工作原理和特性入手進行深入分析，為后續(xù)的控制策略設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。在對變換器工作原理的基礎(chǔ)上，進一步探討可能的控制策略?？紤]到隔離三電平DC/DC變換器的復(fù)雜性和多變性，采用雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)通常負(fù)責(zé)電壓或電流的精確調(diào)節(jié)，而外環(huán)則負(fù)責(zé)控制整體系統(tǒng)性能，如輸出質(zhì)量和穩(wěn)定性。為了更好地適應(yīng)系統(tǒng)的工作特性和控制要求，本文采用了移相控制技術(shù)與雙閉環(huán)控制聯(lián)合調(diào)控的方式，通過調(diào)整控制信號的相位角度來實現(xiàn)對輸出電壓或電流的精確調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的建模分析是為了驗證雙合環(huán)移相位控制策略的有效性和性能優(yōu)勢，對雙合環(huán)移相位控制策略進行建模分析。利用MATLAB/SIMULINK建立了隔離三電平DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型，并對其進行了詳盡的模擬分析。通過設(shè)置不同的工作條件、控制參數(shù)和輸入信號，評估了系統(tǒng)在雙閉環(huán)移相控制策略下的動態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性和抗干擾能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

第二章隔離三電平DC/DC變換器的工作原理及特性分析2.1隔離三電平DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隔離三電平DC/DC變換器如下圖所示，其中VIN和VO代表DC/DC變換器的輸入和輸出電壓。本拓?fù)渲饕蠶1、Q2、Q3、Q4四個開關(guān)器件組成的半橋逆變；Lf、Cf組成的濾波網(wǎng)路；隔離變壓器；D5、D6組成的二極管鉗位網(wǎng)絡(luò)；C1、C2兩個容值相等的較大的電解電容組成的實現(xiàn)功率解耦；DR1、DR2、DR3、DR4構(gòu)成的全橋整流模塊共同構(gòu)成。四個開關(guān)管中Q1、Q4屬于四管開關(guān)管中的前置管，Q2、Q3屬于四管開關(guān)管中的后置管。每根開關(guān)管都裝有二極管和電容器，具有反并聯(lián)作用。LR表示輔助性電感和變壓器在一次側(cè)變換的漏感之和，變壓器的變比為n:1。顯而易見，三電平代表A、B兩點的電位分別為Vin2，0，-Vin2，對于三個電平的控制，可以分為P、N、O三個區(qū)。當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通時AB兩點的電位為Vin2，稱為P區(qū)；Q2、Q3導(dǎo)通時此時兩個二極管D5、D6處于續(xù)流狀態(tài)，AB兩點的電位為0，稱為O區(qū)；當(dāng)Q3、Q2.2隔離三電平DC/DC變換器的工作原理對于移相控制的隔離三電平的工作波形，對于輸入電壓為直流，通常表示為一條平穩(wěn)的直線。而輸出電壓通常呈現(xiàn)三個不同的電平，負(fù)電平、零電平和正電平，因此輸出波形為三電平形式。而由于隔離變壓器造成的續(xù)流等問題會造成占空比的丟失。橋臂Q1、Q2兩根開關(guān)管在同一時間內(nèi)導(dǎo)通，橋臂Q3、Q4兩根開關(guān)管在同一時間內(nèi)導(dǎo)通，均為TON。導(dǎo)通時間越長，副邊通過整流后的直流方波電壓寬度越寬，經(jīng)過濾波后得到的直流電壓也會越大。因此，輸出電壓的大小可以通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間來進行調(diào)節(jié)。要保證每根橋臂上、下兩根開關(guān)管的導(dǎo)通時時刻刻錯開，避免同時導(dǎo)通4根開關(guān)管，導(dǎo)致橋臂上的開關(guān)管出現(xiàn)破損現(xiàn)象。邏輯上是互補的，因此每組開關(guān)管同時導(dǎo)通的時間應(yīng)小于半個周期。2.3隔離三電平DC/DC變換器中移相控制傳輸功率特性分析對于功率傳輸特性，在負(fù)載輕重不統(tǒng)一時，可以通過移相控制，優(yōu)化功率傳輸效率，靈活調(diào)整移相的范圍來調(diào)節(jié)輸出功率?？梢哉{(diào)節(jié)諧振電路中的諧振峰值電流，減小開關(guān)器件的壓力，延長其使用壽命。傳輸功率P可以用下面的式子表示：P為了便于計算和觀察功率特性，進行以PN=np根據(jù)圖示，可知變換器的傳輸功率標(biāo)幺值p與橋間移相比D之間存在一元二次函數(shù)的關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向傳輸。功率傳輸曲線關(guān)于D=0.5對稱。隨著移相比從0增加到1，傳輸功率先增加至最大值，然后逐漸減小至零。當(dāng)傳輸功率P確定時，必然存在與之對應(yīng)的橋間移相比，調(diào)節(jié)特性較好，可以適應(yīng)不同功率下的需求。2.4本章小結(jié)本章主要研究了隔離三電平DC/DC變換器的工作原理并對其特性分析。首先，介紹了該變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過描述其內(nèi)部電路連接方式以及各個元件之間的關(guān)系，能夠?qū)ψ儞Q器的整體結(jié)構(gòu)拓?fù)溆幸粋€清晰的認(rèn)識。隨后，對移相控制傳輸功率特性進行了分析。通過探討控制策略與功率傳輸效率之間的關(guān)系，以及通過移相控制來優(yōu)化功率傳輸特性，更深入地理解該變換器的控制機制以及其在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。第三章隔離三電平DC/DC變換器的控制策略3.1雙極性控制雙極性控制方法是通過控制每個功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止來實現(xiàn)變換器的控制。這種控制方式有兩個獨立的控制回路，分別控制正向和負(fù)向輸出電壓。對于這兩個控制回路的工作原理：①正向輸出電壓控制回路負(fù)責(zé)控制變換器輸出的正電壓。它通過監(jiān)測輸出電壓并與參考電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，控制信號被發(fā)送給對應(yīng)的功率開關(guān)管，以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。正向輸出控制回路通常使用比例積分（PI）控制器或其他控制算法來實現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)。②負(fù)向輸出電壓控制回路與正向控制回路類似，但是負(fù)責(zé)控制變換器輸出的負(fù)電壓。它同樣監(jiān)測輸出電壓并與參考電壓進行比較，然后發(fā)送控制信號給相應(yīng)的功率開關(guān)管來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。雙極性控制方式的關(guān)鍵在于確保正負(fù)輸出電壓之間的同步性。這對于兩個控制回路需要做到緊密協(xié)調(diào)，以確保在正負(fù)輸出電壓之間平衡能量轉(zhuǎn)換，避免過電壓或過流現(xiàn)象的發(fā)生。在這種控制方式下，開關(guān)管Q2與Q3、Q1與Q4同時開合，以不超過半個開合周期的PWM方式交替運行，即開合角度小于180度。Q1和Q4導(dǎo)通時，電壓在Q2和Q3上是Vin，反之則是Vin。4個開關(guān)導(dǎo)管全部停用時，每個開關(guān)導(dǎo)管的電壓都是Vin/2。當(dāng)鉗位二極管D1~D4導(dǎo)通時，由于開關(guān)過程中高頻變壓器的漏感和開關(guān)管結(jié)電容產(chǎn)生高頻振蕩，可能導(dǎo)致電壓峰值超過輸入電壓，開關(guān)管兩端的電壓就會被限定在輸入電壓上。這樣的操控方式，在全橋電路中，這樣的操控方式基本做到了極致。在實際應(yīng)用中，雙極性控制方式還可能涉及到其他功能和保護措施，例如過流保護、過壓保護、溫度保護等。這些保護機制能夠幫助確保轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。3.2有限雙極性控制3.2.1有限雙極性控制原理有限雙極性控制方式的核心在于對輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍進行限制。通常情況下，系統(tǒng)會設(shè)定一個最小輸出電壓和一個最大輸出電壓的范圍，超出這個范圍的輸出電壓將被截斷或者限制。這種限制可以通過硬件設(shè)計或者軟件控制來實現(xiàn)。電路中的兩個開關(guān)管互為補充的導(dǎo)通，如Q2、Q4等同橋臂，空比上可以調(diào)整另一橋臂的兩個開關(guān)管的導(dǎo)通。Q4連續(xù)在正半期開出，Q1也僅間隔一期。負(fù)半期連續(xù)開出Q2，僅在Q3中開出1枚。Q1、Q3在Q4、Q2前分別封閉，形成前驅(qū)橋臂，Q2、Q3形成后驅(qū)橋臂。在有限的雙極性控制中，系統(tǒng)會設(shè)定輸出電壓最低的范圍(通常為負(fù)值)，以及輸出電壓最高的范圍。當(dāng)輸出電壓超過此范圍時，為了限制輸出電壓的變化范圍，控制系統(tǒng)會對PWM信號的占空比進行相應(yīng)的調(diào)整。在有限的雙極性控制中實現(xiàn)PWM控制是關(guān)鍵。電源開關(guān)的導(dǎo)通時間可以通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來進行控制。在有限的雙極性控制中，為了使輸出電壓保持在允許范圍內(nèi)，通常會根據(jù)輸出電壓的需要，動態(tài)地調(diào)整PWM信號的占空比。有限雙極性控制方式一般會配備反饋回路，用于監(jiān)測輸出電壓并將其與參考值進行比較。根據(jù)比較結(jié)果，控制系統(tǒng)會調(diào)整PWM信號的占空比，以實現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。3.2.2有限雙極性控制仿真結(jié)果在Simulink中，4個開關(guān)管的頻率被設(shè)定在100kHz。Q1和Q4前導(dǎo)管的比重均為0.35，Q2和Q3后導(dǎo)管的比重為0.492。按圖示依次表示開關(guān)管的驅(qū)動信號Q1，Q2，Q3，Q4。按照有限的雙極控制方式，首先Q1和Q2同時導(dǎo)通，然后Q1關(guān)閉，Q2繼續(xù)導(dǎo)通，然后在Q2關(guān)閉后和Q3之間保持一個特定的死區(qū)時間，Q1和Q2同時關(guān)閉，Q2然后，和上半個循環(huán)類似，Q3和Q4同時開路，然后Q4先收線，然后Q3再做收線動作，走完一個完整的循環(huán)。對于占空比丟失的調(diào)控：有限雙極性控制隔離三電平dc/dc轉(zhuǎn)換器特別適用于對丟失占空比的處理。對占空比的損失進行一定程度的補償，通過有限的雙極性控制，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定和精確。系統(tǒng)可在有限的雙極性控制下，對開關(guān)的工作狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，使開關(guān)在不同工況下，在占空比變化的情況下，系統(tǒng)能做到隨機應(yīng)變。對占空比損失的實時補償可以通過監(jiān)控輸入輸出端的電壓、電流，以及調(diào)節(jié)PWM信號來實現(xiàn)，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定與性能。這種控制策略通常是為了實現(xiàn)對占空比損失的精確控制和補償，將傳統(tǒng)的控制方法與先進的調(diào)節(jié)技術(shù)相結(jié)合。仿真圖中，實現(xiàn)了變壓器原邊的ZVS輸出以及對占空比丟失的調(diào)控。3.3移相控制3.3.1移相控制原理移相控制方式的重點在于調(diào)節(jié)兩個全橋拓?fù)渲g的導(dǎo)通相位差，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小和相位。通過控制其中一個全橋拓?fù)涞膶?dǎo)通時間，可以實現(xiàn)輸出電壓的相位調(diào)節(jié)。通常情況下，把其中一個全橋拓?fù)涞膶?dǎo)通時間延遲或提前一定相位角度，就可以改變輸出電壓的相位。移相角是指從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖為止的電角度，移相角又叫控制角用來描述輸出電壓的相位關(guān)系。對輸出電壓的相位進行控制，通過調(diào)節(jié)移相角的大小可以實現(xiàn)對相位差的調(diào)整。這種調(diào)節(jié)通常通過控制系統(tǒng)中的相位調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。除了可以調(diào)節(jié)相位之外，移相控制方式還可以用來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間和移相角，可以實現(xiàn)對輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，從而滿足不同場所下對電壓的需求。在移相控制方式中，每根橋臂的兩根開關(guān)管以180度互補的方式打開，而兩根橋臂的開關(guān)管相位差叫做移相角(port-pointf輸出脈沖的寬度通過改變移相角度的大小來控制，從而達到調(diào)整輸出電壓的目的。Q1、Q3的驅(qū)動信號走在了Q2、Q4的前面，稱Q1、Q3構(gòu)成的橋臂是前導(dǎo)臂，Q2、Q4構(gòu)成的橋臂是后導(dǎo)臂。移相控制方式具有高效性和穩(wěn)定性的優(yōu)點。由于可以精確控制輸出電壓的相位和大小，因此可以實現(xiàn)高效率和高性能的電力轉(zhuǎn)換。同時，移相控制方式還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低對濾波器(Filter)的要求，從而降低輸出波形的諧波含量。移相控制方式適用于各種需要對輸出電壓進行精確控制和調(diào)節(jié)的應(yīng)用場景，例如電力電子、工業(yè)控制、可再生能源等領(lǐng)域。在太陽能逆變器、電力調(diào)制器、電機驅(qū)動器等系統(tǒng)中，移相控制方式都有著廣泛的應(yīng)用。本論文采用移相控制的方式進行設(shè)計。3.3.1移相控制仿真驗證隔離三電平DC/DC變換器的移相控制涉及對四個開關(guān)管的控制，這四個開關(guān)管通常被組織成兩個半橋，每個半橋包含兩個開關(guān)管，用于控制能量流向輸出端。移相控制通過調(diào)節(jié)每個半橋的開關(guān)狀態(tài)和PWM信號的相位差來實現(xiàn)。如圖所示，Q1和Q2之間有移相的控制。在開環(huán)的移相控制當(dāng)中，輸出電壓有峰值，且存在些許震蕩，不能較好的對系統(tǒng)的工作提供穩(wěn)定的輸出，所以提出了雙閉環(huán)的移相控制方式。3.4本章小結(jié)本章著眼于隔離三電平DC/DC變換器的控制策略，深入探討了雙極性控制、有限雙極性控制以及移相控制。在3.1節(jié)中，我們介紹了雙極性控制，該控制策略旨在通過調(diào)節(jié)PWM信號的極性來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定控制。在3.2節(jié)中，進一步探討了有限雙極性控制，詳細(xì)介紹了其原理以及通過仿真得出的控制結(jié)果。不同控制策略之間的差異以及其在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。在3.3節(jié)中，重點研究了移相控制這一控制策略的研究為讀者提供了另一種思路，即通過調(diào)節(jié)相位差來實現(xiàn)對輸出電壓的精準(zhǔn)控制，為實際應(yīng)用中的控制方案提供了新的思路和方法。第四章隔離三電平DC/DC變換器建模與系統(tǒng)設(shè)計4.1功率參數(shù)的設(shè)計4.1.1濾波電感的設(shè)計濾波電感是用于電路中濾除高頻噪聲或者穩(wěn)定直流電壓的元件之一，而設(shè)計過程中，要考慮電流在經(jīng)過隔離變壓器和整流橋后的脈動電流ΔIΔ其中：Vo——輸出電fs——開關(guān)頻率Vin——輸入直流電壓K——變壓器原副邊變比；VLf——濾波電感壓降VQ——整流MOSFET兩端壓降取輸出濾波電感的最大脈動量為10%，則濾波電感的計算公式為：L帶入數(shù)值，可以得出Lf取200uH4.1.2濾波電容的設(shè)計當(dāng)電流通過濾波電感時，若其值大于負(fù)載端輸出電流的平均值，濾波電容將充電，導(dǎo)致電容電荷逐漸增加，進而提升輸出電壓；反之，若電流值小于輸出電流平均值，則電容將放電，電荷逐漸減小，導(dǎo)致輸出電壓下降。由于電容不斷充放電，輸出電壓會出現(xiàn)脈動，電容值越大，脈動越小，反之越大。輸出濾波電容的容值由對電源輸出電壓的峰-峰值的需求來確定。C其中：Vo——輸出電Vin(max)——輸入直流電壓K——變壓器原副邊變比；VLf——濾波電感壓降VQ——整流MOSFET兩端壓降取Vopp=200mV，則ESR的值需要小于，200mV4.2隔離三電平DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型4.2.1空間狀態(tài)方程在電路運行于某一穩(wěn)態(tài)工作點附近時，可將其視為線性化處理，此時需采用狀態(tài)平均?？臻g狀態(tài)方程（StateSpaceEquations）是描述電力電子轉(zhuǎn)換器動態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型，通過這些方程可進行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。隔離三電平DC/DC變換器通常包括隔離變壓器和多個功率開關(guān)，用以高效轉(zhuǎn)換電能和提供隔離保護。為簡化分析，假設(shè)變換器處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，并忽略所有非理想因素（如開關(guān)損耗、磁芯損耗等）?？臻g狀態(tài)方程的推導(dǎo)取決于變換器的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式。4.2.2小信號模型的建立降壓變換器的狀態(tài)變量切換周期均值方程，簡稱狀態(tài)均值方程，描述巴克變換器的狀態(tài)變量在切換周期中的平均行為。這些平均數(shù)可以用來近似描述Buck轉(zhuǎn)換器在開關(guān)周期中的平均狀態(tài)，這些平均數(shù)可以通過聯(lián)立的方式得到：&線性化處理可以得到：&Buck轉(zhuǎn)換器的小信號交流模型可以通過以上狀態(tài)空間平均法得到：令輸入信號為零，可以得到下面的傳遞函數(shù)：G在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)隔離三電平DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型，變壓器副邊的有效占空比為Ds同理計算可得從輸入占空比到濾波電感電流的傳遞函數(shù)為：G4.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計4.3.1閉環(huán)控制系統(tǒng)總體方案半橋三電平DC/DC變換器的傳遞函數(shù)是一個最小相位系統(tǒng)，其幅頻和相頻特性有密切的關(guān)聯(lián)。通過研究系統(tǒng)的幅頻特性曲線，可以分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，從而進行閉環(huán)控制器的設(shè)計。在分析幅頻特性曲線時，我們通常把頻率分為三個：低頻、中頻和高頻。低頻主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度。中頻關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，比如調(diào)節(jié)時間、峰值時間等因素。高頻主要體現(xiàn)系統(tǒng)對噪聲的抵抗能力。在設(shè)計控制器時，通常需要提高低頻段的斜率，以加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。在中頻段需要保證帶寬充足，帶寬越大，相角裕度越大。但是相角裕度增加會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)性能降低。一般中頻段以-20dB/dec的斜率穿過零分貝點能夠確保系統(tǒng)具有足夠的相角裕度。為了系統(tǒng)的動態(tài)性能，相角裕度通?？刂圃?0度到60度之間。在高頻段，幅頻特性曲線需要較大的斜率，以便能夠更好地抑制高頻噪聲，提高系統(tǒng)的抗高頻噪聲能力。4.3.2電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計對隔離的三電平DC/DC變換器的閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，設(shè)計電流內(nèi)環(huán)是非常關(guān)鍵的，主要作用是控制電感器(如變壓器的主電感)的電流，使變換器穩(wěn)定運行，并為電壓外環(huán)提供準(zhǔn)確的參考信號。主要目標(biāo)是使電感器的電流穩(wěn)定在設(shè)定值附近運行，以達到高效的能量轉(zhuǎn)換。為了達到此目的，需要選擇適當(dāng)?shù)目刂破黝愋汀Ｓ捎赑ID(比例-積分-微分)控制器簡單有效且易于實現(xiàn)，所以它通常被用于電流環(huán)的控制器設(shè)計。其中電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：G通過設(shè)計轉(zhuǎn)折頻率為0.1倍開關(guān)頻率和適當(dāng)?shù)南辔辉６瓤梢杂嬎愠?，取KIP=0.09以及4.3.3電壓外環(huán)的設(shè)計設(shè)計隔離的三電平DC/DC變換器的電壓外環(huán)是保證輸出電壓穩(wěn)定性和精確性的關(guān)鍵部分，主要是起到調(diào)節(jié)變換器的控制信號的作用，使輸出電壓達到設(shè)定值并保持在穩(wěn)定水平，從而使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性得到提高。對于PID控制器而言，比例參數(shù)決定快速響應(yīng)電壓誤差的程度，用于抑制系統(tǒng)超調(diào)和振蕩的是微分參數(shù)，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差的PID控制器。這些參數(shù)的調(diào)節(jié)需要結(jié)合系統(tǒng)的動態(tài)特性和性能要求進行精心優(yōu)化。設(shè)電壓外環(huán)的PI控制器為：G通過設(shè)計轉(zhuǎn)折頻率為0.1倍開關(guān)頻率和適當(dāng)?shù)南辔辉６瓤梢杂嬎愠?，?。篕VP=3.6以及4.4本章小結(jié)第四章聚焦于隔離三電平DC/DC變換器的建模與系統(tǒng)設(shè)計。介紹了功率參數(shù)的設(shè)計，包括濾波電感和濾波電容的設(shè)計，這是確保變換器正常工作的關(guān)鍵。建立了隔離三電平DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型，包括空間狀態(tài)方程和小信號模型，為后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。接下來是閉環(huán)式控制系統(tǒng)的設(shè)計，在分別設(shè)計電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)后，提出閉環(huán)式控制系統(tǒng)的整體方案。這些設(shè)計不僅確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和抗擾性。通過這一章的內(nèi)容，全面了解隔離三電平DC/DC變換器的建模方法和系統(tǒng)設(shè)計原則，為下一步的設(shè)計和優(yōu)化提供了關(guān)鍵參數(shù)。第五章隔離三電平DC/DC變換器的仿真驗證5.1：Simulink控制器的搭建1、開環(huán)仿真模型2、閉環(huán)仿真模型5.3：雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真驗證5.4：系統(tǒng)在輸入電壓突變時的仿真結(jié)果當(dāng)系統(tǒng)在輸入電壓突變時，對隔離三電平DC/DC變換器的控制性能提出了更高的要求。系統(tǒng)需要具有快速的動態(tài)響應(yīng)能力，能夠在電壓突變瞬間迅速調(diào)整輸出電壓，以保持穩(wěn)定的輸出；控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抗干擾能力，能夠有效地抑制電壓突變對系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸出質(zhì)量的影響，避免因電壓波動引起的系統(tǒng)失控或故障，能夠根據(jù)不同的電壓突變情況動態(tài)調(diào)整控制策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)最開始的運行電壓基準(zhǔn)為80V，在0.5s時，將參考電壓設(shè)為50V；并當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓在1s時由400V將為350V時，以及在1.5s時，將輸入電壓變?yōu)?50V，得到的輸出電壓圖為：輸出電流為：輸出功率為：由上面三個圖可以看出，無論是參考電壓的變化還是輸入電壓的變化，系統(tǒng)都能動態(tài)響應(yīng)且穩(wěn)定跟蹤，符合設(shè)計要求。5.5：系統(tǒng)在負(fù)載突變時的仿真結(jié)果控制系統(tǒng)需要有快速的反應(yīng)速度來快速調(diào)整輸出電壓和電流，以適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)載突變時因負(fù)載突變而產(chǎn)生的電壓和電流變化。其次，在保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性和可靠性的情況下，系統(tǒng)要有良好的動態(tài)穩(wěn)定性，在避免調(diào)節(jié)過度或振蕩過大現(xiàn)象發(fā)生后，能夠在負(fù)載發(fā)生突變后迅速實現(xiàn)穩(wěn)定輸出?？刂撇呗孕枰邆淞己玫呢?fù)載適應(yīng)性，能夠根據(jù)不同負(fù)載情況自適應(yīng)地調(diào)整控制參數(shù)，以保持系統(tǒng)的高效運行和穩(wěn)定性。系統(tǒng)最開始的運行電壓基準(zhǔn)為80V，在1s時，將參考電壓設(shè)為50V，此時系統(tǒng)的負(fù)載為20Ω，并當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓在1.5s時將系統(tǒng)的負(fù)載由20Ω變?yōu)?0Ω，得到的輸出電壓圖為：輸出電流為：輸出功率為：由上圖可以得出，隔離三電平DC/DC變換器在負(fù)載突變時其快速的響應(yīng)速度、良好的動態(tài)穩(wěn)定性和負(fù)載適應(yīng)性，都可以確保系統(tǒng)能夠及時有效地應(yīng)對負(fù)載變化，保持穩(wěn)定可靠的輸出。5.6本章小結(jié)第五章重點對DC/DC轉(zhuǎn)換器隔離三電平的模擬驗證。我們先簡要介紹了Simulink的基本概念，為后續(xù)仿真工作奠定了基礎(chǔ)，描述了如何搭建Simulink控制器，確保仿真過程的準(zhǔn)確性和可靠性。隨后，又對雙閉環(huán)式控制系統(tǒng)進行了模擬驗證，對設(shè)計的閉環(huán)式控制系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性進行了驗證。最后，分別展示了系統(tǒng)在輸入電壓突變和負(fù)載突變時的仿真結(jié)果，驗證了系統(tǒng)對突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。第六章總結(jié)與展望論文對設(shè)計和控制隔離三電平的DC/DC轉(zhuǎn)換器做了系統(tǒng)研究。在緒論中，介紹了國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的研究背景和研究意義。第二章詳細(xì)講解了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，隔離三電平流/DC轉(zhuǎn)換器的占空比損失。第三章對包括雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制在內(nèi)的變換器的控制策略進行了探討，并對其進行了模擬驗證。第四章則著重介紹了該變換器的建模與系統(tǒng)設(shè)計，包括功率參數(shù)設(shè)計、數(shù)學(xué)模型建立以及閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計。最后，第五章通過Simulink進行仿真驗證，包括雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的驗證以及系統(tǒng)在輸入電壓和負(fù)載突變時的仿真結(jié)果。整個論文系統(tǒng)性地介紹了隔離三電平DC/DC變換器的理論基礎(chǔ)、設(shè)計原理和仿真驗證結(jié)果，為該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供了有力支撐。隔離三電平DC/DC變換器作為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)換和電力傳輸中扮演著重要角色。未來的發(fā)展趨勢將著重于性能優(yōu)化、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略改進、集成與智能化以及應(yīng)用拓展等方面。主要目標(biāo)是使轉(zhuǎn)換過程性能得到進一步的優(yōu)化，包括提高轉(zhuǎn)換效率提高功率密度增加穩(wěn)定性等，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。對新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行探索，將有利于在滿足高壓高頻率和大功率轉(zhuǎn)換要求的同時，促進技術(shù)的進一步創(chuàng)新與發(fā)展。在控制策略上，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性和穩(wěn)定性，提高輸出的精確控制將是今后的研究重點之一。另外，把集成電路技術(shù)和智能控制算法結(jié)合起來，設(shè)計緊湊高效的系統(tǒng)，并進行智能化的監(jiān)測管理與優(yōu)化，也將成為今后技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隔離三電平DC/DC變換器的應(yīng)用將得到進一步的擴展，主要應(yīng)用于新能源領(lǐng)域電動車充電系統(tǒng)和電力電子設(shè)備中，對促進能源轉(zhuǎn)型和提高電力系統(tǒng)效率有更大貢獻，隨著持續(xù)的研究和創(chuàng)新的開展，隔離三電平DC/DC變換器將在未來得到更廣泛的應(yīng)用和更大的發(fā)展，從而在能源領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。參考文獻梁英鍵.隔離型三電平雙向DC-DC變換器的研究與實現(xiàn)[D].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院,2021.DOI:10.27960/ki.gfskj.2021.000098.YoshinoriM,ToshihikoN,NoritakaT,etal.2kWDual-OutputIsolatedDC/DCConverterBasedonCurrentDoublerandStep-DownChopper[J].WorldElectricVehicleJournal,2020,11(4):78-78.Electronics;GuangdongUniversityofTechnologyDetailsFindingsinElectronics(AMultipleModularIsolatedDc/dcConverterWithBidirectionalFaultHandlingandEfficientEnergyConversionforDcDistributionNetwork)[J].ElectronicsNewsweekly,2020,354-.Electronics;DatafromAalborgUniversityAdvanceKnowledgeinElectronics(ZvzcsFull-bridgeThree-levelDc/dcConverterWithReducedDeviceCount)[J].ElectronicsNewsweekly,2020,17-.殷文貴.移相全橋ZVS變換器研究[D].上海交通大學(xué),2012.DongL,YanboW,FujinD,etal.BalancedPowerDeviceCurrentsBasedModulationStrategyforFull-BridgeThree-LevelDC/DCConverter[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2020,35(2):2008-2022.DongL,YanboW,QiZ,etal.ZVZCSFull-BridgeThree-LevelDC/DCConverterwithReducedDeviceCount[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2020,1-1.XinanZ,BenfeiW,UjjalM,etal.AModelPredictiveCurrentControlledBidirectionalThree-LevelDC/DCConverterforHybridEnergyStorageSysteminDCMicrogrids[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,34(5):4025-4030.李祖勇.雙向半橋三電平CLLLC隔離型DC-DC變換器及其控制研究[D].西南交通大學(xué),2019.DOI:10.27414/ki.gxnju.2019.002609.楊超,許海平,袁志寶等.PWM結(jié)合移相控制下的混合三電平隔離型雙向DC-DC變換器反饋線性化控制研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2020,44(06):2321-2329.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2018.2909.WeiL,HuiW,ShoudaoH.AnImprovedAdaptiveControlfortheDividedCapacito