隔離升壓DC-DC變換器在電動汽車、儲能系統、可再生能源發電以及超導儲能系統等領域有廣闊的應用前景。本文以隔離升壓全橋變換器(Isolated Boost Full Bridge Converter,簡稱IBFBC)為研究對象，針對隔離升壓型變換器的拓撲結構、起動問題、隔離變壓器漏感問題、軟開關問題和輸入電感磁復位問題等進行了系統深入的研究，解決了這一類拓撲所共有技術問題。 提出了隔離升壓DC-DC變換器拓撲族，分析比較了各種拓撲的特點，確定了以IBFBC為研究對象。對IBFBC進行了詳細的穩態分析和小信號建模分析，為其分析、設計和搭建實驗平臺提供了電路理論基礎。 理論上分析了IBFBC起動時存在電流沖擊的原因。提出了二種數字化軟起動方案，該方案對主電路進行了改造，利用DSP能靈活產生PWM波的特點采用了新的控制策略，成功實現了該系統的軟起動。 理論上分析了IBFBC隔離變壓器漏感引起功率開關管關斷電壓尖峰的原因，采用了有源箝位的方法，有效的解決電壓尖峰問題。提出了帶有源箝位IBFBC的九種PWM控制策略，提出了一種控制型軟PWM方法，在不增加主電路元器件的基礎上，通過控制PWM的發生方法，實現了有源箝位功率開關管和橋臂功率開關管的零電壓開通。 從理論上分析了IBFBC輸入電感磁復位問題。在正常停機時提出了一種數字化軟停止的方法，控制變換器由Boost工作狀態逐漸過渡到Buck工作狀態，讓輸入電感存儲的能量逐漸釋放掉，最后停止工作。對于故障保護停機，采用了繞組磁復位的方法，把輸入電感設計成反激式變換器形式，突然停機時，電感中存儲的能量通過反激式繞組釋放到輸出端，這樣保護了變換器不會損壞。 給出了主電路關鍵器件參數的設計方法，設計了以DSP-TMS320F2407為核心的數字控制單元，編寫了DSP控制程序和CPLD邏輯處理程序。研制了一臺輸出功率5KW，輸入電壓直流24V，輸出電壓直流300V的IBFBC,通過全面的性能實驗驗證了理論分析和仿真結果。 本文立足于IBFBC的關鍵技術要求，并充分考慮工程應用中的實際因素，進行了理論分析和實驗研究，為實際系統方案設計提供理論依據，并已經在實際應用中得到驗證。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，隨著汽車工業的迅速發展，環境污染、全球變暖、能源短缺的壓力使傳統的內燃機汽車面臨前所未有的挑戰，燃料電池電動汽車已成為汽車工業新的熱點。由于燃料電池輸出特性的特殊性，輸出端必須連接DC/DC變換器，使之與驅動器配合。因此，DC/DC變換器是燃料電池電動汽車的關鍵零部件之一。 本論文主要對燃料電池電動轎車FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)用DC/DC變換器的主電路拓撲結構、參數設計及電磁兼容(EMC)問題進行了研究。重點針對升降壓和雙向DC/DC變換器進行分析研究。 首先介紹分析了幾種傳統升降壓直流變換器的工作原理和優缺點。針對燃料電池的特性和電動汽車對升降壓DC/DC變換器的性能指標要求，分析比較了非隔離式直流變換器的一些優點和缺點，提出了Buck-Boost級聯的升降壓主電路方案并提出相關的控制策略。然后運用模擬仿真軟件MATLAB仿真分析了控制策略的正確性。 其次分析研究了雙向DC/DC變換器的應用與設計，綜合比較現有的各種隔離與非隔離方案，結合車用要求，選擇了非隔離式的Buck-Boost拓撲。針對其工作原理、特點進行了雙向DC/DC變換器主電路與控制電路的設計研究，重點研究其過渡過程的控制策略。在利用MATLAB進行各種過渡過程的仿真分析的基礎上，選取了最佳的過渡控制方案。并利用該控制策略編制DSP控制程序，制作了小功率1kW數字控制雙向DC/DC變換器。 最后深入討論了DC/DC變換器中的電磁兼容問題。分析了DC/DC變換器主電路中存在的主要干擾源、干擾產生的機理以及干擾傳播途徑，然后以此出發，重點討論了各種抑制電磁騷擾(EMI)和電磁抗干擾(EMS)的方法及措施，給出具體方案。
上傳時間： 2013-05-24
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電子式互感器與傳統電磁式互感器相比，在帶寬、絕緣和成本等方面具有優勢，因而代表了高電壓等級電力系統中電流和電壓測量的一種極具吸引力的發展方向。隨著信息技術的發展和電力市場中競爭機制的形成，電子式互感器成為人們研究的熱點；越來越多的新技術被引入到電子式互感器設計中，以提高其工作可靠性，降低運行總成本，減小對生態環境的壓力。本文圍繞電子式互感器實用化中的關鍵技術而展開理論與實驗研究，具體包括新型傳感器、雙傳感器的數據融合算法、數字接口、組合式電源、低功耗技術和自監測功能的實現等。 目前電子式電流互感器(ECT)大多數采用單傳感器開環結構，對每個環節的精度和可靠性的要求都很高，嚴重制約了ECT整體性能的提高，影響其實用化。本文介紹了新型傳感器～鐵心線圈式低功率電流傳感器(LPET)和印刷電路板(PCB)空心線圈及其數字積分器，在此基礎上設計了一種基于LPCT和PCB空心線圈的組合結構的新型電流傳感器。該結構具有并聯的特點，結合了這兩種互感器的優點，采用數據融合算法來處理兩路信號，實現高精度測量和提高系統可靠性，并探索出辨別LPET飽和的新方法。試驗和仿真結果表明，這種新型電流傳感器可以覆蓋較大的電流測量范圍，達到IEC 60044-8標準中關于測量(幅值誤差)、保護(復合誤差)和暫態響應(峰值)的準確度要求，能夠作為多用途電流傳感器使用。 在電子式電壓互感器方面，基于精密電阻分壓器的新型傳感器在原理、結構和輸出信號等方面與傳統的電壓互感器有很大不同，本文設計了一種可替代10kV電磁式電壓互感器的精密電阻分壓器。通過試驗研究與計算分析，得出其性能主要受電阻特性和雜散電容的影響，并給出了減小其誤差的方法。測試結果表明，設計的10kV精密電阻分壓器的準確度滿足IEC 60044-7標準要求，可達0.2級。 電子式互感器的關鍵技術之一是內部的數字化以及其標準化接口，本文以10kV組合型電子式互感器為對象設計了一種實用化的數字系統。以精密電阻分壓器作為電壓傳感器，電流傳感器則采用基于數據融合算法的LPCT和PCB空心線圈的組合結構。本文首先解決了互感器間的同步與傳感器間的內部同步問題，進而依照IEC61850-9-1標準，實現了組合型電子式互感器的100M以太網接口。 電子式電流互感器在高電壓等級的應用研究中，ECT高壓側的電源問題是關鍵技術之一。論文首先分析了兩種電源方案：取電CT電源和激光電源。取電CT電源通過一個特制的電流互感器(取電CT)，直接從高壓側母線電流中獲取電能。在取電CT和整流橋之間設計一個串聯電感，大大降低了施加在整流橋上的的感應電壓并限制了取電CT的輸出電流，起到了穩定電壓和保護后續電路的作用。激光電源方案以先進的光電轉換器、半導體激光二極管和光纖為基礎，單獨一根上行光纖同時完成供能和控制信號的傳輸，在不影響光供能穩定性的情況下，數據通信完成在短暫的供能間隔中。在高電位端控制信號通過在能量變換電路中增加一個比較器電路被提取出來。本文還提出了一種將兩種供能方式結合使用的組合電源，并設計了這兩種電源之間的切換方法，解決了取電CT電源的死區問題，延長了激光器的使用壽命。作為綜合應用實例，設計并完成了以LPCT為傳感器、由組合電源供能、采用低功耗技術的高壓電子式電流互感器。互感器高壓側的一次轉換器能夠提供兩路傳感器數據通道，并且具有溫度補償和采集通道的自校正功能，在更寬溫度、更大電流范圍內保證了極高的測量精度：互感器低電位端的二次轉換器具有數字和模擬接口，可以接收數據并發送命令來控制一次轉換器，包括同步和校正命令在內的數據信號可以通過同一根供能光纖傳送到一次轉換器。該互感器具有在線監測功能，這種預防性維護和自檢測功能夠提示維護或提出警告，提高了可靠性。系統測試表明：具有低功耗光纖發射驅動電路的一次轉換器平均功耗在40mw以下：上行光纖中通信波特率可以達到200kb/s，下行光纖中更是高達2Mb/s；系統準確度同時滿足IEC6044-8標準對0.2S級測量和5TPE級保護電子式互感器的要求。
上傳時間： 2013-06-09
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在電力系統容量日益擴大和電網電壓運行等級不斷提高的潮流下，傳統電磁式互感器在運行中暴露出越來越多的弊端，難以滿足電力系統向自動化、標準化和數字化的發展需求，電子式互感器取代傳統電磁式互感器已經成為一種必然的趨勢，并成為人們研究的熱點。本文圍繞電子式電流互感器高壓側數據采集系統進行了研究與設計。 Rogowski線圈是電流傳感元件，本文總紿了Rogowski線圈的基本原理，其中包括線圈的等效電路和相量圖，線圈的電磁參數計算。在理論研究的基礎上，結合實際設計一款高精度PCBRogowski線圈。電容分壓器是電壓傳感元件，文章中介紹了傳感器的原理、傳感器的模型結構，針對其自身結構缺陷和工作環境的電磁干擾，提出具有針對性的電磁兼容設計方法。 積分器的性能一直是影響Rogowski線圈電流傳感器的精度和穩定性的重要因素之一。模擬積分器具有結構簡單、響應速度快、輸入動態范圍大等優點；數字積分器具有性能穩定，精度高等優點。后者的優勢使其成為近年來Rogowski線圈電流互感器實用化研究的一個熱點問題。本文設計了一套數字積分器設計的方法，其中包括了積分算法的選擇，積分輸入采樣率和分辨率的確定，數字積分器的通用結構，積分初值的選擇方法等。 為了保證系統的運行穩定，文章中的系統只采用激光供電模式，降低數據采集系統的功耗就成了系統設計的一個重要環節。文章中介紹了一些實用的低功耗處理方法，分析了激光器的特性，光電池的特性和光電轉換器件的特性，并根據這些器件的特性，改進了數據發送激光器的驅動電路，大幅度降低了系統的功耗，保證了系統在較低供電功率條件下的正常運行。 論文最后對全文工作進行總結，提出進一步需要解決的問題。
上傳時間： 2013-07-10
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近年來，多電平逆變器在高壓大容量電能變換中得到廣泛應用，而其控制策略和電路拓撲等已成為了研究熱點。相對傳統的兩電平逆變器，它具有效率高動態性能好，對電動機產生的諧波少，適合高壓大容量等優點。但隨著電平數的增加，基本控制算法越來越復雜，同時還存在中點電壓不平衡等問題。將DSP數字控制技術應用于多電平逆變器不僅簡化了系統的硬件控制電路，提高了系統性能，還可以實現系統的優化控制。 本文以二極管箝位式三電平逆變器為研究對象，首先介紹了三電平逆變器的拓撲結構和工作原理，對三電平逆變器的電路方程進行了深入的分析，在開關函數的基礎上建立了三電平逆變器的數學模型。在此基礎上，對空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）算法進行了改進，并詳細推導了該調制算法的計算公式，結合中點電位控制來確定開關矢量的作用順序，使仿真和實現都比較容易。然后重點分析了三電平逆變器直流側電容電壓不平衡問題產生的原因，提出了一種能控制逆變器直流側電容中點電位平衡的電壓空間矢量脈寬調制方法。最后采用MATLAB仿真軟件對所推導的三電平逆變器SVPWM調制算法和中點電位平衡控制方法進行了仿真分析，證明了該調制算法的正確性和可行性。
上傳時間： 2013-05-20
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隨著電力電子技術的發展，各類電力電子裝置應運而生，這些產品在出廠前需要根據不同的需要進行相應的測試和校驗。傳統的負載測試存在著能耗大、靈活性差等諸多缺點，已經越來越不能滿足各種測試場合的要求，特別是一些要求用動態變化的負載、非線性負載、具有負阻特性的負載以及有源負載等測試場合。因此針對這一問題，本文利用電力電子技術結合計算機技術、控制技術等設計了一種通用的交流電子負載模擬裝置，以滿足各種測試場合的要求。 @@ 交流電子負載是一種可以模擬真實負載的電力電子裝置，它不但可以模擬傳統的線性負載，也可以模擬各種非線性負載、有源負載等其他形式的負載。目前國內外對電子負載的研究還不成熟，有些是使交流電源按照一定的功率放電，但是輸出電流卻與真實負載測試下的電流有較大的差別；而有些雖然能夠準確控制電源的放電電流取得和真實負載一樣的效果，但試驗電能完全被消耗掉，造成很大的浪費。本文研究的新型交流電子負載克服了以上電子負載方案的缺點，可以滿足各種試驗場合的測試需求，能夠在很大程度上減少能量浪費，豐富試驗樣式且節約試驗成本。 @@ 本文分析了能饋式交流電子負載的模擬原理，確定了采用中間直流環節的交-直-交主電路結構，其一端接待測交流電源，另一端接低壓交流電網。前級負載模擬環節和后級能量回饋環節均采用可四象限運行的電壓型PWM（Pulse Width Modulation）變換器。負載模擬環節直接與待測電源連接，采用電流滯環瞬時值比較方式，使電源輸出的實際電流信號準確、快速的跟蹤其指令電流信號值，使得電子負載對待測電源呈現設定的負載形式，完成電子負載的模擬功能；能量回饋環節與電網連接，通過控制輸出電流與電網電壓同頻、同相位，實現試驗電能的單位功率因數回饋電網的目的，變換器的控制采用常規的雙閉環控制方式，電流內環控制實際電流跟蹤指令值的變化，電壓外環通過控制輸出電流的大小使直流側母線電壓穩定為設定指令值。 @@ 電子負載系統在負載模擬部分通過人機接口設定具體負載形式和負載屬性，為了更加準確快速的得到電流指令信號值，文中采用更加直接的數值計算方 法，由數字信號處理器實時計算出該給定負載模式下的指令電流值。使用交流小信號分析法得到了系統的頻域方塊圖，并對主電路元件參數以及調節器進行了優化設計。針對大功率開關管開關頻率存在的限制，本文提出了幾種提高電流跟蹤精度的改進方法，取得了良好的效果。整個系統在PSIM平臺上進行了不同工作模式下的仿真，仿真結果表明方案切實可行。最后依據仿真方案設計基于TMS320F2812的控制系統和功率電路，使用PROTEL軟件進行了原理圖的繪制。@@關鍵詞：電子負載；能量回饋；電壓型變換器；滯環PWM電流控制；雙閉環；PWM整流器
上傳時間： 2013-05-26
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作為新一代直流輸電技術，基于電壓源換流器的高壓直流輸電憑借其獨特的技術優點取得了飛速的發展，并已在新能源發電系統聯網、電網非同步互聯、無源系統供電、無功補償等場合得到實際工程應用。在我國，VSC-HVDC的研究尚處于起步階段。本論文著重開展了VSC-HVDC技術的數學建模和控制策略的研究。論文的主要工作和取得的創新性成果如下： 1．建立了系統標么值模型，分析了VSC-HVDC的運行原理和穩態功率特性。明確了系統主電路參數對運行特性的影響，在此基礎上提出了一種功率定義下的換流電抗、直流電壓和直流電容以及頻域下的交流濾波器參數設計方法。 2．設計了一種基于無差拍控制的VSC-HVDC直接電流離散控制器。針對控制系統存在的VSC電壓輸出能力限制、PI控制器積分飽和現象和離散采樣時間延遲問題，提出了相應的解決方法，推導了其電流內環控制器與功率外環離散控制器的設計原則。 3．推導了換流站網側與VSC交流側功率節點以及換流電抗與損耗電阻上的瞬時功率方程，在此基礎上提出了一種換流站網側功率節點控制并補償換流電抗與損耗電阻消耗二倍頻功率的不平衡控制策略，設計了該控制策略下的雙序矢量控制器模型。同時針對傳統dq軟件鎖相環在電壓不平衡時鎖相速度慢的缺點，提出了一種基于前置相序分解的頻率自適應dq鎖相環，提高了不平衡控制算法的動態性能與穩態特性。 4．對VSC閥在交流電網低電壓故障下的過流現象進行分析并提出了一種考慮正負序分量影響的指令電流限制器，保證了故障限流效果。分析比較了VSC閥電流裕度穿越法和指令電流限制器穿越法的特性，在此基礎上提出一種結合正負序指令電流限制器與控制模式切換的交流電網低電壓穿越控制方法，從而解決交流電網低電壓故障時系統穩定與VSC過流問題。 5．在分析現有VSC-HVDC拓撲的基礎上，從降低電力電子器件直接串聯數目、器件開關頻率和簡化主電路拓撲結構三個方面出發，將傳統直流輸電中常用的變壓器隔離式多模塊結構引入VSC-HVDC系統，并針對該模塊級聯式拓撲提出一種系統協調控制與模塊獨立運行相結合的新型控制策略。針對該拓撲下送端站存在的各模塊直流側電容電壓均衡問題，提出了一種基于有功分量調節的直流側電壓控制方法。
上傳時間： 2013-06-03
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變頻器在各行各業中的各種設備上迅速普及應用，已成為當今節電、改造傳統工業、改善工藝流程、提高生產過程自動化水平、提高產品質量以及推動技術進步的主要手段之一，是國民經濟和生活中普遍需要的新技術。但是現有變頻器的調制算法尚存在一些缺點，如開關損耗大和共模電流大等，因此有必要研究和設計高性能調制算法的變頻控制器。鑒于此，開展了以下工業變頻器高性能調制算法為對象的研究內容： 在闡述了工業變頻器系統的結構、調制算法、調速算法的基礎上，結合數學模型，分析了共模電壓產生的原理、共模電流其影響和危害，給出了共模電壓和共模電流的關系。總結其他的抑制共模電壓的方案基礎上，提出一種新的共模電壓抑制SVPWM；還闡述了死區產生的原因及其影響，以及死區補償的原理并將上述兩個調制算法利用MATLAB/SIMULINK軟件對該系統給予了全面的仿真分析。 變頻器硬件部分設計包括整流濾波電路、逆變器功率電路、上電保護電路、DSP控制系統及其外圍電路、IGBT驅動及保護電路以及反激式開關電源，對于傳感器檢測濾波電路的具體電路參數設計，是在PSPICE上仿真基礎上得出。并在考慮成本、EMC、效率等因素后考慮完成了所有硬件相關的原理圖繪制和PCB繪制； 變頻器軟件部分設計包括主程序、鍵盤掃描程序、系統狀態處理程序、PWM發送中斷程序、電機啟動函數、電壓調整程序、AD采樣中斷程序以及故障保護中斷程序。在實現一般SVPWM的基礎上，根據之前理論和仿真得到的共模電壓抑制SVPWM、以及死區補償算法，將這兩個對SVPWM進行改進的調制算法在硬件平臺上實現。 在硬件電路完成設計的各個階段，逐漸編制相應的控制程序，并進行調試，并完成整個程序的編制和調試。此外，還調試了系統所需的反激式開關電源。整個系統調試中遇到了很多問題，如鍵盤消除抖動問題、共模電壓抑制SVPWM出現的直通現象等。最終完成了工業變頻器樣機，并且采用的是文章中研究的調制算法，效果良好，達到設計的目的； 提出了一種將有源功率因數校正(PFC)技術引用到串級調速中來提高定子側功率因數的新方法。通過建立電動機折算到轉子側的等值電路，重點分析了有源PFC技術代替傳統串級調速系統中的不控整流橋后，系統可以等效為轉子串電阻調速。得到了等效串電阻的計算公式和變化趨勢，對電動機功率因數、電磁轉矩脈動也進行了分析，發現能夠比傳統串級調速時有所提升。鑒于電動機轉子側電勢頻率非常低，分析了有源PFC的具體實現的特殊考慮和參數選取方法，并基于對稱平衡的Scott變壓器和兩個單相有源PFC電路實現了繞線電動機轉子側的三相有源低頻PFC，得到超低紋波的直流輸出電壓。利用MATLAB建立了完整的仿真平臺，所得結果驗證了理論分析的正確性。
上傳時間： 2013-07-09
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隨著電力電子技術的發展，交流電源系統的電能質量問題受到越來越多的關注。傳統的整流環節廣泛采用二極管不控整流和晶閘管相控整流電路，向電網注入了大量的諧波及無功，造成了嚴重的污染。提高電網側功率因數以及降低輸入電流諧波成為一個研究熱點。功率因數校正技術是減小用電設備對電網造成的諧波污染，提高功率因數的一項有力措施。本文所做的主要工作包括以下幾部分： 1.分析了單位功率因數三相橋式整流的工作原理，這種整流拓撲從工作原理上可以分成兩部分：功率因數補償網絡和常規整流網絡。在此基礎上，為整流電路建立了精確的數學模型。 2.這種單位功率因數三相橋式整流的輸入電感是在額定負載下計算出的，當負載發生變化時，其功率因數會降低。針對這種情況，提出了一種新的控制方法。常規整流網絡向電網注入的諧波可以由功率因數補償網絡進行補償，所以輸入功率因數相應提高。負載消耗的有功由電網提供，補償網絡既不消耗有功也不提供任何有功。根據功率平衡理論，可以確定參考補償電流。雙向開關的導通和關斷由滯環電流控制確定。在這一方法的控制下，雙向開關工作在高頻下，因此輸入電感值相應降低。仿真和實驗結果都表明：新的控制方法下，負載變化時，輸入電流仍接近于正弦，功率因數接近1。 3.根據IEEE-519標準對諧波電流畸變率的要求，為單位功率因數三相橋式整流提出了另一種控制方法。該方法綜合考慮單次諧波電流畸變率、總諧波畸變率、功率因數、有功消耗等性能指標，并進行優化，推導出最優電流補償增益和相移。將三相負載電流通過具有最優電流補償增益和相移的電流補償濾波器，得到補償后期望的電網電流，驅動雙向開關導通和關斷。仿真和實驗都收到了滿意的效果，使這一整流橋可以工作在較寬的負載范圍內。 4.單位功率因數三相橋式整流中直流側電容電壓隨負載的波動而波動，為提高其動、靜態性能，將簡單自適應控制應用到了直流側電容電壓的控制中，并提出利用改進的二次型性能指標修改自適應參數的方法，可以在實現對參考模型跟蹤的同時又不使控制增量過大，與常規的PI型簡單自適應控制相比在適應律的計算中引入了控制量的增量和狀態誤差在k及k+1時刻的采樣值。利用該方法為直流側電壓設計了控制器，并進行了仿真與實驗研究，結果表明與PI型適應律相比，新的控制器能提高系統的動態響應性能，負載變化時系統的魯棒性更強。
上傳時間： 2013-06-15
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本文致力于可并聯運行的斬控式單相交流斬波變換器的研究。交交變換技術作為電力電子技術一個重要的領域一直得到人們的關注，但大都將目光投向AC-DC-AC兩級變換上面。AC/AC直接變換具有單級變換、功率密度高、拓撲緊湊簡單、并聯容易等優勢，并且具有較強擴展性，故而在工業加熱、調光電源、異步電機啟動、調速等領域具有重要應用。斬控式AC/AC 電壓變換是一種基于自關斷半導體開關器件及脈寬調制控制方式的新型交流調壓技術。 本文對全數字化的斬控式AC/AC 變換做了系統研究，工作內容主要有：對交流斬波電路的拓撲及其PWM方式做了詳細的推導，著重對不同拓撲的死區效應進行了分析，并且推導了不同負載情況對電壓控制的影響。重點推導了單相Buck型變換器和Buck-Boost 變換器的拓撲模型，并將單相系統的拓撲開關模式推導到三相的情況，然后分別對單相、三相的情況進行了Matlab仿真。建立了單相Buck 型拓撲的開關周期平均意義下的大信號模型和小信號模型，指導控制器的設計。建立了適合電路工作的基于占空比前饋的電壓瞬時值環、電壓平均值環控制策略。在理論分析和仿真驗證的基礎上，建立了一臺基于TMS320F2808數字信號處理器的實驗樣機，完成樣機調試，并完成各項性能指標的測試工作。
上傳時間： 2013-04-24
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