SiC MOSFET高频感应加热电源系统研究

采用新型功率开关器件SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),利用多器件并联和多逆变桥并联的扩容方式完成了800 kHz/150 kW高频大功率感应加热电源的系统研制。设计了易实现且实用性较强的SiC MOSFET驱动电路,提出带延时补偿调整的锁相控制策略,并对直流过流检测保护电路和失锁检测保护电路进行了设计。试验结果表明了所设计的感应加热电源能够实现安全可靠运行。     

超级电容储能系统中的零电压开关均压拓扑研究

为解决超级电容单体的串联均压问题,提高均压电路工作效率,提出一种新型零电压开关(ZVS)均压拓扑.在传统由开关器件和电感组成的buck-boost均压电路中增加两个小容量谐振电容,通过电容和电感间谐振实现开关器件的ZVS.在分析了本拓扑结构的开关状态,建立不同开关阶段的等效电路模型后,得出了拓扑的ZVS工作条件和能量转移原理,并由此确定了系统关键参数的设计原则.最后通过仿真和实验验证该拓扑结构的正确性与可行性,相较其他均压法电路工作效率更高,能量损失更小,且模块化扩展性好,可实现超级电容单体或模块间的快速高效均压.     

PSM功率控制大功率感应加热电源及应用

采用一种脉冲均匀密度调制（Pulse Symmetrical Modulation,简称PSM）功率控制逆变器和2SD315A集成驱动电路,设计出感应加热电源,该电源已用于汽车配件热处理.逆变器采用全桥串联谐振式逆变电路,具有逆变和功率调节两个功能.逆变器的开关管按照PSM的控制策略实现了功率控制.逆变器自动跟踪负载谐振频率,控制开关管在零电压开通和零电流关断,实现ZCS和ZVS软开关,大大减小了开关器件的功率损耗,逆变器的输出功率因数接近1,提高了整机的效率.     

双极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究

提出并深入研究了高频脉冲交流环节逆变器电路拓扑族及其双极性移相控制策略。借助周波变换器换流重叠和输出滤波电感电流极性选择 ,该双极性移相控制策略实现了变压器漏感能量和滤波电感电流的自然换流 ,解决了这类逆变器固有的电压过冲和换流重叠期间周波变换的环流现象 ,实现了逆变桥功率器件的ZVS开关和周波变换器功率器件的ZCS开关。仿真与原理试验结果均证实了这种双极性移相控制策略的可行性和理论分析的正确性     

一种新型ZVS型Buck变换器的设计

分析了零电压开关(ZVS)型Buck准谐振变换器(ZVS-Buck-QRC)的工作原理,仿真验证了ZVS效果,指出电路开关器件需承受很高电压应力的缺点,提出一种新型ZVS型Buck电路拓扑结构,相比ZVS-Buck-QRC,通过添加一个辅助开关管和箝位电容,有效限制了主开关管电压应力。主开关管导通前先使辅助开关管导通,添加死区,实现了主、辅开关管的零电压导通和关断。对新型电路的软开关过程进行详细分析,并推导出谐振电路参数的计算公式,仿真及实验结果验证了电路的软开关作用及电路对主开关电压应力的有效限制能力。     

基于SiC器件的单管无线电能传输电路研究

传统无线电能传输电路多采用全桥或半桥逆变拓扑,该拓扑电路及控制方式相对复杂、可靠性较低;单管LC谐振逆变电路具有结构简单、无直通问题、可靠性高、可实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS)等优点。但是由于LC谐振的影响,该拓扑开关管耐压较高,普通Si器件无法满足需求。为此,该文研究一种基于碳化硅(silicon carbide,Si C)器件的单管LC谐振逆变无线电能传输系统。采用互感等效的方式,给出参数详细设计方法;搭建基于Si C器件的单管无线电能传输平台,通过实验比较电路采用Si C器件和采用Si器件在驱动特性、输出特性、负载特性和效率特性上的不同,验证将Si C器件应用于单管逆变无线电能传输电路的可行性。     

高频无极灯电源变换器的建模和参数影响分析

为了提高无极灯逆变变换器工作的稳定性,本文对其进行建模,并进行参数影响分析。首先根据自驱动型无极灯逆变变换器工作的开关状态,对每个开关状态进行分析;然后分别建立其状态空间表达式,利用状态空间平均法建立电源变换器电路的数学模型,对模型进行平均化、直流、交流小信号处理;最后在频域内对模型参数仿真分析,得出器件参数对电源系统稳定性和工作状态的影响大小。该理论分析为后期参数优化提供依据,逆变变换器器件的最优化选型会提高无极灯逆变变换器的工作稳定性,减小功率器件的能量损耗。     

一种新型无刷直流电机谐振极软开关逆变器

永磁无刷直流电机具有高功率密度、高转矩/电流比和控制简单等优势,得到了广泛应用。然而,无刷直流电机通常采用硬开关逆变器驱动,硬开关逆变器的系统效率较低,散热器的体积和重量较大,限制了大功率无刷直流电机驱动系统功率密度和性能的进一步提升。针对硬开关逆变器问题,提出了一种无刷直流电机专用的谐振极软开关电压源逆变器。通过在传统硬开关逆变器的三相输出端添加辅助谐振网络,实现了逆变桥主开关器件的零电压(ZVS)开关动作,辅助双向开关在零电流开关(ZCS)条件开通和关断。针对新型软开关逆变器,提出了一种新的脉宽调制(PWM)控制策略——TPWM TON,逆变桥上下侧开关器件轮流进行PWM调制,保持了直流母线中点电位的平衡,且使主开关和辅助开关的开关频率降到PWM调制频率的一半。对提出的软开关逆变器进行了实验研究,实验结果验证了电路结构、理论分析和控制策略的正确性与可行性。     

基于DSP的双极性双调制波高频链逆变器实现

研究了电压型高频链逆变器的拓扑及控制方式。选用了全桥全波式高频链逆变器作为主电路,采用双极性双调制波控制方案解决双向电压型高频链逆变器的固有电压过冲问题。理论分析了电路拓扑和控制策略的合理性和变换器开关器件实现软开关的可行性。设计了基于双极性双调制波控制的软件程序及数字PI控制器算法的TMS320F2812的闭环控制系统。实验结果表明,高频逆变桥开关管实现了ZVS开通,周波变换器开关管实现了ZCS关断,高频链逆变器输出高质量的正弦波电压,证明了基于DSP控制的双极性双调制波控制模式的高频链逆变器可行性。     

三电平ANPC-DAB的零电压软开关特性与损耗均衡方法

采用多电平电路来构建双有源桥(dual active bridge,DAB)直流变换器可实现更高的电压等级与功率密度及更好的性能。基于半桥有源中点钳位型(activeneutralpoint clamped,ANPC)三电平电路构建半桥ANPC-DAB电路,通过分析开关状态切换过程中零电压开通(zerovoltage switching,ZVS)的软开关特性,得出使全部12个开关管实现ZVS开通的条件。在此基础上,通过分析零电平开关状态对损耗分布的影响,提出一种能够有效改善开关管损耗分布的调制方法。为验证DAB的损耗分布及效率,对半桥ANPC-DAB建立损耗模型,对开关管的损耗分布及DAB的效率进行仿真分析。最后,通过1.5k W的实验样机完成实验验证。仿真与实验结果表明,所提出的调制方法在全部开关管实现ZVS的同时,有效地改善了功率器件的损耗分布。     

开关电感型quasi-Z源光伏逆变器研究

常规的Z源逆变器具有任意升降压的功能,同时其所需要的开关器件数量比普通升降压电路少,其单级式结构体积小效率高,而从传统Z源逆变器发展出来的quasi-Z源逆变器,不仅具有所有传统Z源逆变器的优点,同时可以降低器件的应力并减小开关纹波。本文提出的开关电感型quasi-Z源逆变器利用电感和二极管的组合取代了传统quasi-Z源电路中的电感,既保留了传统quasi-Z源电路的优点,同时提高了逆变器的升压倍数和电路的可靠性,而电容电压应力及电感电流应力比开关电感型Z源逆变器低,特别适合于光伏发电等新能源发电领域。通过利用改进的SVPWM控制算法对开关电感型quasi-Z源光伏逆变器进行仿真及实验,验证了该电路及算法的可靠性、稳定性及有效性,适合于光伏发电并网系统。     

高性能逆变等离子切割机电源的研制

对一种大功率切割机电源的研制进行了分析,并对其主电路、工作原理、控制电路及保护系统做了较详细的介绍,成功地研制出一种高可靠性的电源。该电源采用IGBT(设计开关频率为27 kHz)逆变式全桥型电路,PWM芯片为SGS-Thomson公司的SG3525AN,工作电流为100 A,电压为150 V,具有过压、短路、过热及缓冲电路等保护功能,同时还具有较强的抗高频干扰的功能。经过实验证实该机性能稳定,电路设计合理,切割效率较高,具有较强的实用性。     

Multiple single-phase PWM inverter by means of combination control

A new multilevel inverter with simple circuit configuration and control is proposed here. The inverter is composed of a series connection of individual single-phase inverters. The number of the output voltage levels depends on the number of the individual inverters in series and their output voltage level. The switching devices in the new circuit configuration can be reduced by using a common switching-leg for the individual inverters. In this inverter circuit, the number of the levels is equal to 2^m-1 or 2^m where m is the number of switching-legs used. In the paper, a 15 level inverter using four switching legs (m = 4) is introduced. If the number of voltage levels is increased, smoother sinusoidal waveforms can be obtained directly and it is possible to control the output voltage almost continuously from zero to maximum without generating high-voltage step changes as pulsewidth modulation techniques. The control principle, the circuit configuration and the characteristics of the output voltage control are discussed. The feasibility of the circuit is demonstrated by simulation and experimental results.     

逆变桥无死区控制技术研究

分析了逆变器的死区效应,给出了桥式逆变器无死区控制方案。根据电流极性将桥臂等效为2个开关单元,无需设置死区时间。采用桥臂反并联二极管导通方法检测桥臂输出电流方向,无需电流传感器,降低了成本。采用简单的模拟电路设计了无死区控制的逻辑电路,以半桥逆变器为例进行了实验研究。实验结果表明,该控制方案可以明显改善逆变器的输出波形,提高直流电压利用率,开关管驱动信号只在半个基波周期内有效,开关损耗显著降低,有很好的实用价值。     

推挽正激式高频环节逆变器研究

提出了适合于低压输入且实现了电气隔离的推挽正激式高频环节逆变器,并对构成这种逆变器的电路拓扑、SPWM控制策略、稳态原理特性、以及关键电路参数的设计准则进行了深入的分析研究.这种高频环节逆变器由推挽正激DC/DC变换器和DC/AC逆变桥级联而成.其前级采用SPWM控制技术,使后级逆变桥基本上工作于低频开关状态.实验结果表明,该逆变器具有结构简洁,开关损耗低,电气性能好的优点,是中大功率低压输入逆变器的理想拓扑.     

一种高效率高压开关电源设计与实现

设计了一种高效率高压开关电源,可以应用在高电压、低电流器件中,如行波管、磁控管等。该电源电路设计主要包括全桥逆变电路、高频升压变压器、倍压整流电路以及控制电路。为了实现开关管的软开关,有效减少开关损耗,选用了一种零电压开关移相全桥变换拓扑电路。引入了计算机辅助设计,通过电路仿真优化参数,实现了开关管的软开关,缩短了设计周期。最后搭建了原理样机,在很宽负载范围内实现了零电压开关,满载时效率大于95%。     

计及系统性能提升的谐振式无线充电开关器件死区优化

针对双边LCC谐振式无线充电的逆变器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)死区时间设置影响传输功率及效率的问题,提出了一种适用于其拓扑结构的死区优化设计方法。首先建立了双边LCC谐振式无线充电系统的数学描述,并简述其运行模态,推导出次级侧补偿电容与输入感性阻抗的量化规律。然后据此提出了一种死区时间优化设计方法,以实现与无线充电系统特性密切相关的逆变器软开关。最后,搭建了一套实验平台,实验结果表明,此优化设计方法可确保逆变器运行完全实现软开关,提高了无线电能传输功率及效率。     

高压电容器充电电源谐振变换器的定频控制

为有效控制高压电容器高频恒流充电电源谐振变换电路的开关频率,研制了定频控制(占空比为50%,开关频率在整个充电过程中保持不变)的20 kW高压电容器充电装置逆变电路开关电路。通过提出的充电电源电路的并联负载谐振(PLR)DC-DC变换电路的等效电路模型,研究了充电电源装置的恒流充电原理,找出了电容充电初始阶段谐振电流和开关频率的数值关系。实验研究结果表明,当谐振变换电路开关频率接近于等效电路固有谐振频率的奇数分之一时,产生较大的谐振电流;为了实现谐振变换电路开关器件的零电流开通和关断,开关频率的大小始终可控制在小于等效电路固有谐振频率的1/2的范围之内。     

Multilevel inverter using cascaded 3-phase transformers with common-arm configuration

In multilevel inverter development for 3-phase applications, total number of transformer in the circuit can be reduced by using of cascaded 3-phase transformer circuit instead of single-phase transformer circuit. In the scheme, total number of switching components in the circuit is still a drawback to achieve lower cost and smaller size of the inverter compared with conventional multilevel inverter. This paper includes a challenging method to reduce total switching components in the multilevel inverter by adopting common-arm structure.The proposed inverter has been operated by two control schemes, Newton-Raphson and Equal-area method. After theoretical and experimental comparison of the methods, we found that Newton-Raphson method is useful to eliminate a specific harmonic order. However, the method has a shortcoming in real time operation which is performed by iterative calculation of the nonlinear equations. With Equal-area method, we can easily find the switching angles by calculating a trigonometric function. It can sufficiently minimize Total Harmonic Distortion (THD) of output voltage in real time operation of Digital Signal Processor (DSP).     

基于永磁同步电动机的新颖容错控制策略

开关功率器件长时间运行的不稳定性及定子绕组断路故障限制了永磁同步电动机在高可靠性驱动领域的应用.提出了一种具有容错功能的驱动控制系统,在三相三桥臂逆变器的基础上,新增加了一个桥臂,使之在故障发生后与星型连接的永磁同步电动机的中性电线相连,在电机内部仍能形成圆形旋转磁场,并建立了相应的驱动控制仿真模型.研究结果表明,该方案可靠可行.