实现AC-AC变换的新型开关电容变换器的研究

In recent years, Switched-Capacitor converters have become an important research focus, especially in non- isolated DC-DC applications. Research for the realization of non -isolated AC-AC conversion of Switched-Capacitor converters is a new research direction in the world, and will likely become the new power electronics research focus. On the basis of the results of the foregoing study, the project will study and analyze the physics process of Switched-Capacitor AC-AC converter. And summarize the laws of physics, propose the new topology design method of Switched-Capacitor AC-AC converter, give calculation methods of circuit parameters and component selection principles based on the new proposed design approach. The project will propose control methods for making the AC-AC converter output voltage be changeable, and propose soft-switching technology of this converter, and study the characteristic and the possible application of the Switched-Capacitor AC-AC converter. The study of the project fills the civil power electronics research direction gaps in a way. There are a lot of original work can be done in this research, from this point of view, the research project has important scientific significance.

近年来，开关电容变换器已经成为了重要的研究热点，特别是在非隔离的DC-DC应用领域。用于实现非隔离的AC-AC变换的开关电容变换器的研究在国际上是一个才刚刚开始的新研究方向，将很有可能成为新的电力电子研究热点。本项目在前期研究已经取得一些成果的基础上，将首先研究并分析清楚AC-AC开关电容变换器的物理学过程，总结其物理学规律；提出新型AC-AC开关电容变换器的拓扑设计方法，基于新设计方法提出多种新的AC-AC开关电容变换器拓扑，给出电路参数计算和器件选型原则。提出AC-AC开关电容变换器输出电压可调的控制方法和软开关技术，并将其与其它的电路来研究AC-AC开关电容变换器的特性和可能的应用。本项目的研究在某种程度上说填补了这个电力电子学研究方向的国内空白。对此开展研究，有大量的原创性工作可以做，从这个角度而言，本项目的研究具有重要的科学意义。

本课题在分析总结过往开关电容变换器建模方法的基础上，提出一种开关电流AC-AC变换器暂态分析建模法。即从暂态工作过程推导出稳态电压变比从而建立其数学模型，研究变换器电路参数对变换器性能的影响；基于该模型构建变换器的等效电路，对变换器进行稳态参数分析和效率分析。比较研究对称型升压电路和非对称型升压电路，分析这2种不同的升压电路的工作原理，给出了两种不同接法的等效电路，推导出其等效内阻公式，并比较了两种电路增益和效率。以开关电容电路的等效内阻公式作为依据，采用方差分析的方法，研究开关频率、电容容值和MOSFET通态电阻三个因素对效率的影响程度。. 研究并提出了开关电容AC-AC变换器新拓扑结构的设计方法。纵向型开关电容AC-AC变换器是以1-2型基本单元电路为基础进行纵向拓展。对纵向型电路拓扑结构的电路结构、基本原理、工作过程等进行了研究，实现1/N至(N+1)/N与1/(N+1)至N/(N+1)等多种变比。横向型开关电容AC-AC变换器是将可以实现不同变比的纵向型开关电容AC-AC变换器作为基本单元电路以级联的方式进行连接，以实现任意降压变比的AC-AC型开关电容型变换器。这两类新拓扑能够实现变换器的分级可调输出。. 在对1-2型双桥臂开关电容变换器研究的基础上提出了一种能够实现六种电压变比的1-3型双桥臂开关电容变换器的电路拓扑结构，对其从低频和高频两个方面进行了理论研究、仿真分析，得到了该电路的低频工作特性和高频工作过程。. 发现并研究了AC-AC开关电容变换器多种波形变换，包括交流、直流、三角波、矩形波和梯形波的变换。. 提出了一种基于AC-AC开关电容变换器的新型三角波发生器。这种三角波发生器无需运放、反馈电路，产生的三角波频率和幅值可调。对其工作原理进行了理论分析，从中得出了输出三角波峰-峰值、峰值和谷值与电路参数之间的关系，进而给出了三角波的参数设计方法。