非级联式部分功率变换直流电源技术研究

常规DC/DC电源技术使用变流器与不稳定电源级联，以全功率变换获得稳定直流输出。全容量处理意味着高成本、高损耗与低可靠性，在大功率场合下上述问题尤为突出。实际上串联与并联方式亦可获得高性能输出，原则这两种方式是部分功率变换的，有可能在保证性能前提下显著改进上述不足。 本项目着眼部分功率变换的DC/DC变流技术理论与实际问题展开了研究。 首先针对常规不稳定电压输入稳压输出的串联式部分功率变换进行了分析，选取升压变换为典型应用场景，以传统boost升压电路与输入串联移相全桥为对比，理论、仿真与实验研究表明，在Boost 电路中开关管的硬开关工作以及开关管和二极管的高电压应力不仅严重影响电路效率，而且增加了系统成本。同时在电流连续模式下，由于其控制-输出电压传递函数存在右半平面零点，因此电路的动态响应慢。我们对基于移相全桥的串联升压式部分功率DC-DC 变换器的工作原理进行了详细分析，并建立了小信号模型，仿真、实验验证其具备如下优点: 1) 开关管和二极管的电压应力低，实现了开关管软开关，效率更高； 2) 输入输出电流连续，输出滤波电感小。 3) 动态响应快，动态性能良好。 4) 全桥电路处理的功率小，成本低。 类似于上述研究背景，选取升降压变换为典型应用场景，以传统buck-boost升降压电路与输入串联新型高频变压器隔离的逆变部分容量变流电路为对比，理论、仿真与实验研究表明，在传统buck-boost 电路中开关管的硬开关工作以及开关管和二极管的高电压应力明显影响电路效率，增加了系统成本。在电流连续模式下，传统非隔离升降压控制-输出电压增益为非线性，控制难度略高，动态响应稍逊。我们对基于高频隔离双移相全桥逆变器的串联升降压式部分功率DC-DC 变换器的工作原理进行了详细分析，实验验证其具备如下优点: 1) 开关管和二极管的电压应力低，实现了所有开关管的宽范围软开关，效率更高； 2) 输入输出电流连续，输出滤波电感量小。 3) 动态响应快，动态性能良好。 4) 用于串联处理部分功率的高频隔离式逆变器额定功率小，附加成本有限。 2100433B

随着能源短缺的加剧与新能源开发利用的深入，大功率直流电源的使用越来越普遍。多种新能源以及电力储能环节呈现直流形式，交流电的精细利用中也大量使用直流环节。普通直流源应用要求使用电力电子技术加以处置。 常规DC/DC电源技术使用变流器与不稳定电源级联，以全功率变换获得稳定直流输出。全容量处理意味着高成本、高损耗与低可靠性，在大功率场合下上述问题尤为突出。实际上，不仅级联变流器，串联与并联方式亦可获得高性能输出，原则上后两种方式是部分功率变换的，有可能在保证性能前提下显著改进上述不足。 针对不同电源性质与输出要求，非级联式布局下变流器自身拓扑与控制、电源与变流器的组合等均呈现极大差异，有待探索。本申请项目拟从变流器与电源协同出力的基本结构入手，研究其基本规律，结合实际需求提出合理的电路结构与控制方法，以期推动部分功率变换新型大容量直流电源技术的深入发展与应用。

级联可以定义为两台或两台以上的交换机通过一定的方式相互连接，根据需要，多台交换机可以以多种方式进行级联。在较大的局域网例如园区网(校园网)中，多台交换机按照性能和用途一般形成总线型、树型或星型的级联结构。

城域网是交换机级联的极好例子，目前各地电信部门已经建成了许多地级市的宽带IP城域网。这些宽带城域网自上向下一般分为3个层次：核心层、汇聚层、接入层。核心层一般采用千兆以太网技术，汇聚层采用1000M/100M以太网技术，接入层采用100M/10M以太网技术，所谓"40G到大楼，万兆到楼层，千兆到桌面"。

这种结构的宽带城域网实际上就是由各层次的许多台交换机级联而成的。核心交换机(或路由器)下连若干台汇聚交换机，汇聚交换机下联若干台小区中心交换机，小区中心交换机下连若干台楼宇交换机，楼宇交换机下连若干台楼层(或单元)交换机(或集线器)。

交换机间一般是通过普通用户端口进行级联，有些交换机则提供了专门的级联端口(Uplink Port)。这两种端口的区别仅仅在于普通端口符合MDIX标准，而级联端口(或称上行口)符合MDI标准。由此导致了两种方式下接线方式不同：当两台交换机都通过普通端口级联时，端口间电缆采用交叉电缆(Crossover Cable)；当且仅当其中一台通过级联端口时，采用直通电缆(Straight Through Cable)。

为了方便进行级联，某些交换机上提供一个两用端口，可以通过开关或管理软件将其设置为MDI或MDIX方式。更进一步，某些交换机上全部或部分端口具有MDI/MDIX自校准功能，可以自动区分网线类型，进行级联时更加方便。

用交换机进行级联时要注意以下几个问题。原则上任何厂家、任何型号的以太网交换机均可相互进行级联，但也不排除一些特殊情况下两台交换机无法进行级联。交换机间级联的层数是有一定限度的。成功实现级联的最根本原则，就是任意两节点之间的距离不能超过媒体段的最大跨度。多台交换机级联时，应保证它们都支持生成树(Spanning-Tree）协议，既要防止网内出现环路，又要允许冗余链路存在。

进行级联时，应该尽力保证交换机间中继链路具有足够的带宽，为此可采用全双工技术和链路汇聚技术。交换机端口采用全双工技术后，不但相应端口的吞吐量加倍，而且交换机间中继距离大大增加，使得异地分布、距离较远的多台交换机级联成为可能。链路汇聚也叫端口汇聚、端口捆绑、链路扩容组合，由IEEE802.3ad标准定义。即两台设备之间通过两个以上的同种类型的端口并行连接，同时传输数据，以便提供更高的带宽、更好的冗余度以及实现负载均衡。链路汇聚技术不但可以提供交换机间的高速连接，还可以为交换机和服务器之间的连接提供高速通道。需要注意的是，并非所有类型的交换机都支持这两种技术。

随着开关功率变换器高频化和高功率密度的发展，磁性元件成为功率变换器进一步发展的瓶颈，其中磁芯损耗的测量和建模成为关键技术难题，也是磁性元件深入研究和优化应用的基础。 项目首先深入分析并揭示了高频磁芯损耗传统交流功率测量方法误差大一致性差的根本原因；提出了新测量方法—直流功率测量法，基本思想是通过一个DC/AC逆变装置将直流逆变为交流作为被测磁元件励磁源，而由直流侧输入功率获得被测磁元件损耗，从而克服了交流功率测量方法误差大的根本问题；进一步建立了逆变装置本身的多参数损耗精确模型，提出采用定标的方法有效扣除逆变装置的杂散损耗；设计研制了DSP控制的磁元件损耗测量的完整系统；为了获得准确的磁元件损耗，提出了比对量热计新方法，并建立了测试装置系统；通过与量热计法的对比，验证了提出的直流功率测量方法的有效性，进一步提出功率差值测量新方法以及施加高、低频复合励磁波形的新方案，可以测量有气隙磁元件的损耗；同时还提出了扣除被测磁元件绕组损耗从而获得磁芯损耗的有效新方法。验证表明，研发的测量装置在被测磁元件阻抗角89度下误差能控制在5%以内。以上各项成果解决了高频磁芯损耗，尤其是高、低频复合励磁下测量磁芯损耗的难题，测试方法和装置有望成为国际和国内标准。 项目在损耗测量研究和成果的基础上，通过大量的各种工况励磁下的测试，分析了包括磁密大小、频率、各种不同占空比PWM波形、直流偏磁以及高低频复合励磁等实际工况下各个因素对磁芯损耗的综合影响，结合磁芯损耗机理研究和分析，提出了新的磁芯损耗计算模型，可以计算磁芯在功率变换器各种复杂励磁工况下的磁芯损耗，与损耗测量结果较好吻合，为磁性元件损耗分析和优化设计提供了理论模型，有助于功率变换器产品效率和功率密度的提高。 成果包括撰写论文7篇，申请发明专利4项，直接培养博士生2名，硕士生4名，促进了磁性元件损耗测量方法的国际国内标准制定，得到国内外知名企业的重视和技术开发应用。