双向DC/DC变换器的交错并联磁集成理论与控制方法

双向DC/DC变换器普遍存在轻载效率过低的问题，首次提出双向DC/DC变换器的交错并联磁集成理论和控制方法解决这一问题。将各通道电感集成为耦合电感，得出CCM和DCM模式的等效稳态电感和暂态电感，增大稳态电感可减小通道电流纹波而减小器件电流应力和开关损耗，减小电感绕组损耗，消除中柱交流磁通而减小磁芯损耗，实现ZVS,消除环流；提出工作通道数的最优控制方法，根据负载的减小程度，适当减少工作通道数，消除未工作通道的所有损耗；提出开关频率的最优控制方法，根据负载的减小程度，固定导通时间而减小开关频率，实现工作通道有源元件和无源元件损耗的最小化，其中一个关键问题是要保证频率降低时磁芯不饱和，故要保证各通道电感电流纹波不变，但由于是反向耦合，各通道直流磁通互相消除，只要保证至少有两个通道同时工作，该问题就可以解决。最终通过电感耦合、工作通道数和开关频率的最优控制，三管齐下，实现全负载范围的高效率。

双向DC/DC变换器用于电动汽车、不间断电源、电能质量调节和可再生能源发电等领域需要能量双向流动的场合，可大幅度减小系统体积、重量和成本，功率流动方向易于控制，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。项目提出研究并建立双向DC/DC变换器的交错并联磁集成理论与控制方法，结合交错并联技术和磁集成技术的优点，根据负载大小的不同，提出工作通道数和开关频率的最优控制方法，满足ZVS条件，最大程度地减小器件损耗和电感损耗，使制约双向DC/DC变换器发展的关键问题——轻载效率普遍偏低的问题得到根本解决，实现双向工作模式下全负载范围内的高效率。项目取得了预期成果。提出了用于双向DC/DC变换器的5种磁集成结构，建立了磁路和电路模型,给出了既降低稳态电流纹波又提高暂态电流响应速度磁集成耦合电感的设计准则和设计理论，依据该设计准则，可使变换器的稳态相电流纹波减小50%，暂态电流响应速度提高45%，从而显著提高变换器的效率和响应速度。在此基础上，提出了交错并联磁集成双向DC/DC变换器的工作相数控制方法和频率控制方法，并实现了ZVS控制，使变换器的轻载效率显著提高，从而实现了双向DC/DC变换器在全负载范围的高效率，为使双向DC/DC变换器广泛应用于电动汽车、不间断电源和新能源发电等领域并实现高效率和高响应速度提高了重要的理论和技术支撑。在项目执行过程中，共发表论文46篇，其中国际IEEE刊物1篇，国际会议4篇，国内核心刊物29篇，SCI收录1篇，EI收录18篇。申请发明专利5项，其中3项已获得实用新型授权。培养硕士研究生42人，其中已毕业27人，在读15人，考取国家985高校博士2人，获得辽宁省优秀硕士学位论文奖和提名奖各1人，获得国家奖学金7人，获得辽宁省高等学校优秀毕业生2人，获得校级优秀毕业生5人。发表论文获得辽宁省自然科学学术成果三等奖1项和葫芦岛市自然科学学术成果一等奖2项，获得第六届全国功率变换器元件联合学术年会优秀论文奖1项。与本项目相关的项目“软开关变换器中平面无源集成的研究”于2013年获得辽宁省科技进步三等奖1项。项目负责人受聘担任中国电源学会理事，中国电源学会第七届磁技术专委会副主任委员，《电源学报》编委，《中国电机工程学报》特约审稿专家，国际会议IEEE-PEAC 2014的技术委员会委员和分会场主席。项目组成员有1人晋升教授。