本文是一篇电气自动化论文，本文主要对采用SiC MOSFET的双向非隔离型交错并联DC-DC变换器的软开关技术展开研究。
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
目前，世界能源消耗仍以煤炭、石油、天然气等化石能源为主。根据2020年英国石油(BP)公司世界能源统计报告[1]，按照当前的使用消耗量，地球上的化石能源预期在五十年后枯竭，全球将面临能源危机[2]。更值得关注的是，化石能源使用过程中排放的二氧化碳带来了温室效应，导致全球变暖[3]，对人类社会发展构成了威胁。为此，世界各个国家均出台了节能减排政策，比如欧盟在《2050年低碳经济路线图》中提出发展低碳经济、建立资源节约型欧洲，到2050年将欧盟温室气体排放量在1990年的基础上降低80%~95%[4]，从而实现向低碳经济转型。美国则在2014年《中美气候变化联合申明》中表示2025年温室气体排放则在2005年基础上减排26%~28%这一目标[5]。在2020年，我国提出力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和[6]。这一目标的提出，将推动绿色能源的快速发展，提高了非化石能源在能源供应中的比重，促使我国从化石能源为主向清洁能源为主转变。图1.1给出了我国非化石能源发电装机容量预测。从图中可以看到，至2030年，非化石能源装机将达23亿千瓦，在能源供应中比重将超过60%；至2060年，非化石能源装机将高达65亿千瓦，在能源供应中比重将超过95%[7]。而且，在非化石能源中如太阳能、风能成为未来发电的主体。
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1.2 双向DC-DC变换器的交错并联技术
1.2.1 双向DC-DC变换器拓扑
双向DC-DC变换器根据输入和输出侧有无电气隔离，可以分为隔离型和非隔离型两大类[14]。
（1）隔离型双向DC-DC变换器
隔离型双向DC-DC变换器由于存在变压器，能够使输入输出侧具有良好的电气隔离特性[15]，适合使用在安全级别要求较高的场合，提高了系统的可靠性，而且可以通过改变变压器的匝数比来调节电压比值，在电压增益较高的场合，应用越来越广泛，但是却存在体积较大，损耗大，成本高、慢的动态响应以及控制相对复杂的问题，一般只用在需要电气隔离的场合中。图1.5给出了基本的隔离型双向DC-DC变换器电路拓扑。
双向正激DC-DC变换器结构简单，可靠性高，但变压器存在单向励磁问题[16]，所以效率不高，一般多用在中小功率领域。双向反激DC-DC变换器电路结构简单，成本低，动态响应快，但由于变压器存在漏感，当开关管关断时，开关管上有较大的电压尖峰，降低了变换器的效率[17]，一般多用在小功率场合。双向半桥DC-DC变换器开关器件数量少，变压器双向励磁，无变压器偏磁问题，但电路可靠性较低，一般也应用在中小功率场合中[18]。双向全桥 DC-DC变换器可实现软开关，但由于开关管使用数量较多，开关管上导通损耗较大，无法使效率进一步提高，而且电路结构复杂，多用在中大功率场合[19]。双向推挽DC-DC变换器器件电压应力高，纹波电流偏大，一般适用于中低输入电压的电源中[20]。
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第二章 交错并联双向DC-DC变换器的特性研究
2.1 交错并联双向DC-DC变换器工作状态
根据电感电流是否连续，交错并联双向非隔离型DC-DC变换器工作状态可分为三种：电流连续状态(CCM)、电流断续状态(DCM)以及电流临界连续状态(CRM)[44]。图2.1给出了这三种状态下的电感电流波形。
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CCM状态的优点是降低了输入侧的电流纹波，易于滤波器设计，同时减少了电磁干扰[45]；流过开关管的电流有效值较小，导通损耗小，降低了对开关管和二极管的电流应力要求[46]，变换器可以工作在固定开关频率下。一般多用在中大功率场合。缺点是续流二极管上会产生反向恢复损耗，开关管工作在硬开关下，损耗较大[47]；另外电感感值较大，增加了电感的体积和成本。
DCM状态的优点是开关管实现了零电流导通，并消除了二极管的反向恢复问题，使开关损耗得到了降低；电感值较小，减小了电感体积，提高了变换器的功率密度[48]；变换器的开关频率固定。缺点是输入纹波电流较大，不适合应用在对电流质量要求较高的场合中[49]；而且由于开关管至少在两倍的负载电流下关断[50]，关断损耗更大；峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的电流应力；电流断续增加了EMI的设计难度。一般主要应用在中小功率场合。
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2.2 CRM下交错并联双向DC-DC变换器工作原理
由于CRM与交错并联技术结合后，能够改善CRM下的缺点，因此，本文主要在CRM下对交错并联DC-DC变换器进行分析。
由图1.7可知N相交错并联是由N个变换器单元组成。为了便于对交错并联DC-DC变换器进行分析，下面只对两相交错并联变换器在CRM下工作原理进行论述。图2.2给出了交错并联变换器两相原理图。图中VLow和VHigh分别是低压侧和高压侧电压，L1和L2是两相电路的主电感，CL和CH是滤波电容，S(1,1)，S(1,2)，S(2,1)和S(2,2)为开关管。当能量从VLow流向VHigh时，实现的是Boost模式，在该模式下，开关管S(1,1)，S(2,1)导通，其驱动信号相位相差180°；当能量从VHigh流向VLow，实现的是Buck模式，在该模式下，开关管S(1,2)，S(2,2)导通，其驱动信号相位相差180°。
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第三章 基于新型公用有源辅助ZVT单元的软开关技术研究 .................................. 31
3.1 基于新型公用有源辅助ZVT单元的拓扑结构与工作原理 .......................... 31
3.1.1 基于新型公用有源辅助ZVT单元的拓扑结构 ................................... 31
3.1.2 公用有源辅助ZVT单元的工作原理 ................................... 33
第四章 电路设计与损耗分析 .............................. 47
4.1 主回路设计 .................................... 47
4.1.1 主开关管设计与选型 .............................. 47
4.1.2 主电感设计与选型 ................................ 47
第五章 仿真分析与实验验证 ..................................... 71
5.1 仿真分析 ....................................... 71
5.1.1 Boost模式仿真分析 ................................ 72
5.1.2 Buck模式仿真分析 ........................................... 77
第五章 仿真分析与实验验证
5.1 仿真分析
根据表5.1中变换器主要参数的数值，本文采用了Matlab/Simulink软件搭建了含有有源辅助ZVT单元的两相交错并联变换器的仿真模型，并分别在Boost和Buck模式验证了辅助ZVT单元的软开关特性，且对仿真结果进行了分析，此外，也给出了辅助ZVT单元在三相电路中的仿真结果，验证了辅助ZVT单元的可扩展特性，实现了多相电路的软开关，最后对变换器闭环控制系统的稳定性进行了验证。
5.1.1 Boost模式仿真分析
图5.1给出了交错并联DC-DC变换器在Boost模式下的仿真模型。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
交错并联双向DC-DC变换器由于电流纹波小，容量大，功率密度高等优点受到了广泛关注，然而变换器中开关仍处于硬开关状态，开关损耗较大，且随着SiC器件的广泛应用，开关频率进一步提升，使开关损耗大幅增加，降低了变换器的效率。为此，本文主要对采用SiC MOSFET的双向非隔离型交错并联DC-DC变换器的软开关技术展开研究。本文主要研究内容和所取得的成果如下：
1）针对现有的软开关技术中，辅助单元与各相电路需要“一一对应”或仅能实现两相电路的软开关，电路结构冗余且无法满足功率扩展对软开关技术需求的问题，提出了一种应用于N相交错并联结构的新型公用有源辅助ZVT单元，实现了多相电路的软开关并支持相数扩展，而且软开关可以在较宽的负载和占空比变化范围内运行。
2）针对现有的软开关拓扑中开关管存在较大电压电流应力问题，所提出的辅助ZVT单元，没有额外增加主回路器件电压电流应力，同时辅助单元中有较小的电压电流应力，而且辅助单元中的电压电流应力还可以通过调节谐振电容和谐振电感来进一步减小，有效降低了辅助单元的体积和成本，从而使变换器获得较高的功率密度。
3）针对在CRM下开关频率可变的问题，采用了一种CRM和DCM相结合的混合控制方法，避免了变换器工作在轻载下开关频率过高，导致效率下降的问题，并通过建立变换器的小信号建模，对补偿网络进行了设计，且借助仿真验证了该控制方法的准确性。
4）根据电路设计要求，给出了主回路和辅助单元参数设计方法及各器件选型，并对主回路和辅助单元中的功率损耗进行了详细地理论计算与分析，可知辅助单元中的损耗较低，从而使辅助单元可以进一步做到小型化和高效率。
5）通过仿真和搭建实验样机验证了所设计的合理性。实验表明，含有源辅助ZVT单元的变换器在Boost和Buck模式下，均可以实现软开关，而且在额定满载下，变换器的效率在Boost和Buck模式下分别达到了97.8%和97.6%。
参考文献（略）