一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器

针对车载DC-DC变换器输入电压变化范围大的问题,提出一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器。该变换器包括飞跨电容(FC)型三电平Buck电路和LLC谐振电路两部分,FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联,通过控制FC三电平Buck电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围,同时三电平结构降低了开关管电压应力、减小了损耗;LLC谐振电路传输负载所需全部功率,采用定频开环控制以获得高效率和稳定增益,同时实现了电气隔离。详细分析了组合式变换器的拓扑结构、直流增益以及工作效率,并与相同电路构成的级联式变换器进行了效率特性对比,根据组合式变换器的拓扑结构和工作特性,提出一种解耦控制策略,实现输出电压稳定和飞跨电容电压平衡,最后搭建了一个200～400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路进行验证,实验结果表明所提组合式变换器的正确性和可行性。     

一种新型的共用滞后桥臂的零电压开关混合型变换器

本文提出了一种新颖的实现滞后桥臂软开关的全桥混合型变换器。半桥LLC与全桥共用一个滞后桥臂,保证该桥臂开关管实现全范围的ZVS,LLC输出回馈到直流母线侧,变换器工作在恒定频率,总的输出由全桥通过移相来控制。同时使开关频率大于谐振频率,LLC输出功率在满足软开关情况下尽可能小,可有效降低损耗。最后研制了一台3k W样机,验证了该方案的可行性,实验结果表明滞后桥臂能够实现全范围的软开关。     

具有宽范围输出电压的三电平半桥LLC谐振变换器控制策略

由于三电平变换器的开关管电压应力仅为输入电压的一半,在大功率DC-DC电源、电动汽车充电等应用领域得到广泛的关注和研究。为了实现宽范围输出电压调节控制,克服三电平半桥LLC谐振变换器采用变频调制时电压调节范围小的缺点,将移相调制策略引入三电平半桥LLC谐振变换器控制,分析了其工作过程、电压调节范围及软开关条件,导出了实现软开关的工作状态分界点,由此提出一种三电平半桥LLC谐振变换器移相和变频相结合的混合式调制策略。该策略根据软开关工作状态,切换移相调制和变频调制,以实现全程软开关和宽范围输出电压控制。实验验证了理论分析结果的正确性以及所提调制策略的可行性和有效性。     

基于数字控制的三电平LLC谐振变换器设计

三电平直流变换器可降低功率开关器件承受的电压应力,在高压输入场合可选择低压器件,有利于功率器件的选择.三电平LLC谐振变换器不仅能实现初级开关器件的ZVS,还能实现输出整流二极管的ZCS,有利于提高变换器效率,降低电磁干扰.详细分析了三电平半桥LLC谐振变换器的工作原理、控制方式及主要参数设计,采用数字控制完成了800 W样机实验.实验结果验证了理论分析的正确性及该变换器的高效性.     

基于串联谐振网络的三端口DC/DC变换器解耦方法

针对有源桥式隔离型三端口变换器(triple active bridge,TAB)存在的端口功率耦合和控制模型非线性问题,提出一种基于串联谐振网络的隔离型三端口变换器解耦方法。首先根据拓扑T/Δ等效变换和谐振工作原理对变换器的功率传输模型进行推导,分析了解耦网络对控制系统非线性特性的抑制作用,为系统控制环路设计和谐振参数的选取提供了依据。其次对单周期内变换器的工作模态和软开关特性进行了分析,给出功率传输电感参与谐振的实际工作过程。此外,对所研究拓扑和未解耦拓扑分别进行仿真,结果表明,该方法能够有效消除变换器功率控制环路的相互耦合,使拓扑等效为2个独立的DC/DC变换器,分别控制运行,提高系统的动态响应速度和稳定性。最后,通过试验样机在不同工况下进行实验验证,结果证明了原理分析的正确性和谐振解耦方法的有效性。     

半桥式三端口变换器建模与解耦控制

提出一种半桥三端口变换器的解耦控制方法,实现系统的能量管理和各端口控制环路间的解耦。给出一种基于竞争策略的功率控制方法,变换器可以在不同工作状态下稳定工作且能够实现在各工作状态之间自由切换;采用状态空间平均法建立半桥三端口变换器的小信号模型,详细分析了各端口之间控制量与被控量的耦合关系,据此提出一种解耦控制方法,通过设置控制环路带宽和引入解耦控制变量,将其多输入–多输出控制系统转化成多个单输入–单输出控制系统,实现各端口控制环路之间的近似解耦;实验结果表明,功率控制策略的正确性和解耦控制方法的有效性。     

基于准Z源网络的高增益模块化多电平谐振直流升压变换器EI北大核心CSCD

针对目前模块化多电平直流变换器(modular multilevel DC-DC converter,MMDC)在工程应用中轻型化、高增益等需求,该文提出一种适用于中小功率新能源接入场合和柔性直流输电系统的单向非隔离型高增益谐振MMDC拓扑及其调制与控制策略。其子模块电容和桥臂电感发生串联谐振,工作在谐振状态。所提变换器特点在于:1)由准Z源网络、上桥臂和下桥臂三部分组成,正常运行时,上、下桥臂投入子模块数恒定,以保证高压直流侧输出电压的稳定;2)结合提出的子模块交替投切调制策略,可实现子模块电容电压自均衡;3)变换器下桥臂大功率子模块可实现软开关运行,具有较小的开关损耗及电磁干扰。详细分析所提变换器的拓扑结构、工作模态、功率流动、控制和参数设计,仿真和实验结果验证所提变换器拓扑和控制算法的有效性。     

双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器

在传统的双有源桥变换器的基础上集成两个双向Buck/Boost电路,提出了一种双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器,该变换器实现了桥臂开关管的复用,提高了功率密度。以光伏-蓄电池混合发电系统为例对该变换器拓扑进行分析,采用移相+PWM进行控制,通过控制移相角实现输入与输出端口间功率传输,通过调节占空比来匹配输入端口电压等级,以实现光伏端口的最大功率点跟踪和平衡蓄电池端口的能量传递。分析了该变换器的工作原理、稳态与软开关特性,该变换器较大程度地改善了传统移相控制下DAB在移相角较小时的软开关条件,使得在宽工作范围内能够实现所有功率开关管的软开关。最后建立300W实验样机进行方案验证。     

部分能量输入的三端口六边形MMC功率分析及环流控制

大容量多端口变换器可代替原有多个分立变换器,具有高功率密度、高变换效率、体积重量小和成本低等优势,可应用于电力系统互连、可再生能源汇集、多电机驱动等场景。在两端口六边形模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)结构基础上,通过在3个桥臂的H桥单元中引入有源前端,将这种六边形MMC扩展成一个无高压直流环节的三端口AC/AC/AC结构。根据桥臂功率分析,各个桥臂的功率分布存在差异,通过环流和中性点偏移电压实现功率平衡。通过对变换器进行建模,发现环流和中性点偏移电压存在关系,并基于此提出一种通过中性点偏移电压控制环流进而实现桥臂功率平衡的控制方法。在RT-LAB实时仿真平台上验证了所提结构能够实现桥臂功率平衡和双异步电机驱动。     

基于移相控制的三电平LLC谐振变换器宽电压范围输出的分析与设计

LLC谐振变换器拓扑具有高效率和高功率密度的优势,广泛应用于DC-DC变换器场合。因为传统LLC谐振变换器难以适应宽电压范围输出,采用移相控制拓宽三电平LLC谐振变换器的系统增益范围,减小工作频率范围,提升轻载下的系统效率。移相模式下采用传统基波近似法分析时,系统增益曲线会与实际值偏差较大,分析其原因后,采用时域分析法建立了精确度更高的系统增益曲线,依据时域分析模型,提出了一种三电平LLC谐振变换器电感比(励磁电感与谐振电感的比值)的设计方法。实验结果表明:移相控制将增益范围从0.8~1.0提高到了0.5~1.0,并且采用所提电感比设计方法 ,软开关实现良好。     

辅助半桥调节的定频LLC谐振功率变换器

提出一种辅助半桥调节的定频LLC谐振功率变换器。LLC半桥和辅助半桥都以隔离的方式传递功率,在不额外添加器件的情况下,仅通过调节控制信号的时序就能改变LLC半桥的谐振参数,实现电压输出调节。不同于传统调频方式,采用定频控制可简化磁性元件设计,减小励磁电感对增益的影响,提高轻载效率。另外,辅助半桥仅处理其中一小部分功率,电路整体保留了原LLC变换器的特性。详细分析了变换器的工作原理及其稳态性能,最后搭建一台300 V输入、48 V/4 A输出的实验样机,实验结果验证了所提变换器的可行性。     

三端口隔离双向DC-DC变换器模型预测控制技术

为提高直流微电网中三端口隔离双向DC-DC变换器的动态性能,针对三有源桥(TAB)DC-DC变换器,该文提出一种模型预测控制(MPC)策略。考虑TAB变换器各端口的控制目标,基于移相控制和平均值模型建立TAB变换器离散化预测模型,通过MPC问题最优求解设计预测控制器,以实现端口间的解耦控制效果。进一步分析系统参数偏差对MPC策略控制效果的影响,设计抑制稳态误差的TAB变换器MPC控制方案。基于TMS320F28335+FPGA_XC6SLX16的双处理器控制内核搭建TAB样机,实验结果验证了该文所提方法的有效性,且具有更快的动态特性及端口功率解耦运行能力。     

基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器

为了进一步提升户用储能系统中电池端双向DC-DC变换器的功率密度和效率,提出一种基于LLC谐振的新型软开关双向DC-DC变换器。该变换器有效降低了变压器匝比,提高了转化效率,在非对称半桥拓扑下可实现双向LLC特性,变换器中所有开关管均能实现软开关。同时该变换器结构简单,并可应用同步整流技术,具有效率高、成本低等优势。描述了所提变换器软开关的实现过程,进而分析了谐振特性和相关参数以及软开关的实现条件。最后制作了一台高压侧350～400 V、低压侧45～50 V的500 V·A实验样机,验证了所提变换器的有效性和实用性。     

一种高频隔离LLC谐振双向直流变换器的实现

针对高压大功率应用场合,将LLC谐振槽引入高频隔离三电平半桥(TLHB)双向直流变换器,提出一种新的拓扑结构。该拓扑具有LLC谐振和TLHB双向直流变换器的优点,可采用低耐压的开关器件,在全负载范围内实现了功率开关管的零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS),从而提高了开关频率,降低了开关损耗,提高了工作效率。分析了TLHB LLC谐振双向直流变换器的工作原理,给出了谐振槽参数的设计方法,实验结果证明了理论分析的正确性。     

基于混合控制模式的宽范围LLC谐振变换器设计

为了提升LLC谐振变换器的输入电压范围,提出了一种混合控制的方式来提升LLC谐振变换器电路的增益。将整个控制分为3个模式,分别为全桥模式、半桥模式以及混合模式。在混合模式下,通过PI运算得出半桥LLC谐振变换器和全桥LLC谐振变换器分配的权重,控制信号由数字信号处理器DSP28335发出,让整个电路在控制周期的一定时间内工作在全桥LLC谐振变换器模式,其余时间工作在半桥LLC谐振变换器模式。前期通过分析和仿真,能够确定控制方式的最佳控制方案,最后通过一个输入50～150 V直流、输出12 V/5 A的实验样机,验证了所提控制方式的正确性和合理性。     

基于复合控制的LLC谐振变换器轻载纹波优化

为提高LLC谐振变换器输出电压稳定性,改善轻载工况下输出电压纹波,提出了一种复合控制策略以实现全桥LLC变换器全负载范围的稳定电压输出。此种控制策略混合了有限双极性PWM控制与PFM控制,轻载时采用有限双极性PWM控制模式,重载时采用PFM控制模式,以此实现零电压开关,有效提高了LLC谐振变换器的效率,使得输出纹波大大减小。最后,通过实验验证了分析的正确性以及所提复合控制策略的有效性。     

基于IPOS双LLC谐振变换器的恒压恒流充电研究

针对充电拓扑存在开关工作频率范围过宽的问题,提出了一种适用于蓄电池充电的IPOS双LLC谐振变换器,并针对其恒压恒流输出特性展开了研究。所提变换器包含两组LLC谐振腔,通过辅助开关管S的开闭改变其中一组谐振电容参数,从而实现变换器的恒压和恒流输出转换。恒压恒流模式下所提变换器均定频工作：在恒压模式(S闭合),两组谐振腔工作在LC串联谐振点处;在恒流模式(S断开),一组谐振腔工作在LLC谐振点处实现恒流输出而另一组仍恒压输出。所提变换器实现软开关的同时实现了原边开关管和副边整流二极管的复用,并详细介绍了其工作原理、电压电流增益、设计方法和控制方案。最后,通过实验和仿真验证了所提变换器的可行性。     

PWM控制的双向LLC谐振变换器

针对能源互联网和电动汽车等所需储能系统,提出一种具有宽输入和宽输出电压范围的双向谐振变换器。该变换器是在双向LLC谐振变换器拓扑结构的基础上,通过在二次侧加入辅助开关构成。变换器采用定频控制方式,利用一次侧全桥-半桥之间的切换配合二次侧辅助开关的脉宽调制(pulse width modulation, PWM),以实现宽增益变换,可以应用在电压增益有4倍变化的场合。所提变换器在工作过程中功率器件均工作于软开关状态,有利于提高变换器效率,采用定频控制有利于变压器的设计。对变换器的正反向工作原理和调制策略进行了详细分析,最后搭建了一台最大功率为3kW的实验样机,实现了400V直流母线与105～420V的蓄电池组之间的双向功率变换,完成了系统实验。实验结果验证了该变换器可实现双向功率变换,并且具有宽电压增益和高效率。     

宽输出LLC谐振变换器的定频PWM控制策略

传统频率控制的LLC谐振变换器不适用于宽电压范围的应用场合,且存在较大的循环电流而难以实现高转换效率。为了解决这些问题,提出一种简单的定频PWM控制策略,谐振变换器的后桥臂通过固定的开关频率控制,开关频率等于谐振频率;前桥臂采用PWM控制,将谐振网络的输入电压转换成多电平电压,谐振变换器实现2倍的电压增益调节范围。在这种控制方式中,增益范围独立于负载和励磁电感,可以简化谐振参数设计,通过设计较大的励磁电感减小电路的传导损耗和开关关断损耗,提升转换效率。仿真结果表明：谐振变换器可以实现宽输出电压,该控制策略降低了循环电流和关断电流。最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性。     

限制调频范围的不对称多模式宽输出LLC变换器

频率控制的传统LLC谐振变换器往往受限于开关频率的有效调节范围,难以实现宽输出电压范围,为此,研究了一种限制调频范围的不对称多模式宽输出LLC谐振变换器。采用双谐振腔且对应两变压器变比不同的不对称结构,能够根据原边开关组合的不同,使得双谐振腔分别工作在单半桥、双半桥和半桥+全桥3种不同的模式,从而获得3种不同的电压增益,并且保证每种模式之间归一化增益调节范围不超过1.5,可以在窄开关频率范围内实现宽输出电压范围。建立300 W的实验样机,验证了所提变换器可实现1～3倍的宽输出电压范围,并且实现了原边开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断,具有良好的软开关性能,验证了变换器的可行性。