单相电流型PWM逆变技术综述

在分析了传统单相电流型PWM逆变器固有缺陷的基础上,系统地论述了从电路拓扑、控制策略等方面提出的多种解决其缺陷的方案,并给出了设计实例与特点,获得了重要结论。电路拓扑方面的解决方案包括差动双向Boost直流变换器型逆变器、组合式Boost/Buck/Buck-Boost逆变器、附加反激AC-DC能量回馈电路的单相电流型高频环节逆变器等,具有满足Boost变换器控制规律、电路复杂、损耗大等特点;控制策略方面的解决方案包括具有补偿环节的非线性调制控制策略和无源性控制策略等,具有输出波形质量高、储能电感大等特点;电路拓扑和控制策略两方面的解决方案包括输入侧串并联谐振器的单相电流型逆变器、具有储能电感电流限定非线性PWM单周期控制单相电流型逆变器等,具有输出波形质量高、储能电感小、变换效率高等特点。     

差动Boost直流变换器型高频环节逆变器

提出并深入研究差动Boost直流变换器型高频环节逆变器的电路拓扑、控制策略、稳态原理特性和关键电路参数设计准则,并给出原理实验结果。这类逆变器是由2个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流Boost直流变换器以差动电路构成。研究结果表明,这类逆变器具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、双向功率流、输入电流纹波小、负载短路时可靠性高、输出容量大等优点,拓宽和丰富了电力电子学高频环节逆变技术理论。     

全桥Boost型高频环节DC-AC变换器

在全桥Boost型高频环节AC-AC变换器基础上,提出将输入周波变换器变为高频逆变器,并且在输出负载与输入电源之间联接高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路,实现全桥Boost型高频环节DC-AC变换.该变换器是由输入滤波电路、储能电感、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波电路依序级联构成,深入分析了其控制策略与稳态特性,并给出了关键电路参数与仿真结果.这种变换器适用于要求输入电流纹波小、负载短路时可靠性高、输出容量大、体积和重量小的逆变场合.     

三类高频链AC-AC变换器比较研究

本文对Buck、Boost、Buck-Boost型三类高频链AC-AC变换器的电路结构与拓扑、控制策略、网侧功率因数、负载短路时的可靠性、输出容量、高频变压器磁化状态和原理试验结果等进行了深入的比较研究,获得了重要结论。高频链AC-AC变换器电路结构,是由输入滤波器、储能电感(Boost型)、输入周波变换器、高频变压器或高频储能式变压器、输出周波变换器、输出滤波器依序级联而成。研究结果表明,三类高频链AC-AC变换器具有不同的特点、工程实现难易性和应用场合,为实现新型的正弦交流稳压器、交流调压器、电子变压器和同频波形变换器等奠定了关键技术基础。     

组合双向升压直流变换器型高频链逆变器

提出了一类组合双向升压直流变换器型高频链逆变器电路结构与拓扑,它由两个隔离双向升压型直流变换器输入侧并联、输出侧反向串联构成。深入研究了互补和独立两种电压瞬时值反馈控制方案及关键电路参数设计准则等。研究表明,采用互补控制时占空比变化范围小、副边功率开关电压应力小、输入电流和输出电压纹波小等特点;采用独立控制时占空比变化范围大、副边功率开关电压应力大、输入电流及输出电压纹波大等特点。研制了单端式500VA 18-32VDC/115V400HzAC互补控制逆变器样机,给出了样机测试结果。     

一种具有功率耦合电路的无电解电容LED驱动电源

为解决LED驱动电源寿命短的问题,提出一种PFC+Buck/Boost的无电解电容LED驱动电源方案。PFC采用常用的Boost型电路结构,控制方法采用简单的CRM控制方式,Buck-Boost双向变换器与LED负载并联,替代电解电容器实现电源交流输入侧和直流输出侧的瞬时功率不平衡的功率耦合功能。设计了PFC的CRM控制策略和双向变换器的固定占空比控制策略,建立了Saber仿真实验模型。仿真研究结果表明,该电路的功率因数达到0.9以上,输出电流和输出电压具有很好的稳定性。     

π型Buck-Boost交流变换器

提出一种对称结构π型Buck-Boost交流变换器及其变结构控制策略。该变换器由Buck交流单元和Boost交流单元组成,与级联式两级电路相比,省去前级LC输出滤波器,简化了电路结构。根据前、后单元的工作与否,π型交流变换器存在4种工作模式:Buck模式、Boost模式、直通模式和Buck-Boost模式。通过等效改变电路结构,变结构控制策略使得π型Buck-Boost交流变换器只有3种工作模式:Buck模式、Boost模式和直通模式。π型Buck-Boost交流变换器虽然具有两个独立的控制对象、采用两级占空比调制,但实际上最多只有一级功率变换,且存在直接功率传递通路,适用于稳压或调压应用场合。     

限功率控制Boost多输入直流变换器型并网逆变器

该文提出并深入研究全桥Boost多输入直流变换器型并网逆变器电路拓扑、带限功率的最大功率输出能量管理控制策略和基于箝位电容的储能电感磁饱和抑制启动方案,给出高频开关过程分析、电压传输比推导和有源箝位电路设计,获得了重要结论。该拓扑是由全桥Boost型多输入直流变换器和Buck型逆变器级联构成;该能量管理控制策略是在最大功率点跟踪电压环外加入限功率环,通过减小异常情况下变换器的储能占空比来限制直流母线电压升高;该储能电感磁饱和抑制启动方案,是以2m个开关周期为一个控制周期,高频逆变电路功率开关和有源箝位开关交替工作。设计并研制成功的1k VA双输入并网逆变器样机,具有高频隔离、多输入源同时向负载供电、占空比调节范围宽、变换效率高、新能源利用充分、可靠性高等优点。     

级联式Buck-Boost AC／AC变换器

详细分析了Buck型和Boost型AC/AC变换器的工作原理及其控制方法,在此基础上提出了一种新型级联式Buck-Boost AC/AC变换器及其三模式控制策略.三模式控制策略是比较输入电压与基准输出电压的大小,使得变换器只有3种工作模式:Buck模式、Boost模式和滤波模式.该电路虽然由Buck型和Boost型AC/AC变换器2级变换器级联而成,并采用2级占空比调制,但实际上最多只存在一级功率变换,具有控制简单、变换效率高、开关管电压应力低等优点.仿真结果证明了级联式Buck-Boost AC/AC变换器及其控制策略的可行性和理论分析的正确性.     

差动Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器

从差动结构的角度提出了差动Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑,该逆变器是由2个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向Buck-Boost直流变换器以差动电路构成.针对该逆变器的特点采用电压瞬时值反馈互补双向控制策略.给出了逆变器稳态工作时的4种工作模式,根据4种工作模式分析逆变器在一个低频输出电压周期内阻性、感性和容性负载下的稳态工作原理.利用开关状态等效电路进行分析计算得到了不同占空比下的逆变器标幺外特性,给出了关键电路参数的设计.实验结果证实了此逆变器及其控制策略的正确性与可行性.     

适于可再生能源发电储能系统中的双向直流变换器

研究了一种交错式双向直流变换器,该变换器工作在Boost方向时输入端进行交错并联,减小了输入电流纹波,输出端进行交错串联,提高了升压变比;工作在Buck方向时,输入端进行交错串联,输出端进行交错并联,因此该模式下具有较大的降压变比,同时减小了输出电流纹波。另外,在两种工作模式下,功率器件的电压应力都得到了降低。详细地分析了该变换器在两种模式下的工作原理及稳态特性,最后给出了实验结果以验证理论分析的正确性。     

大型停车场直流充电桩输出侧低频纹波分量抑制

大型停车场用直流充电桩前级采用无电解电容滤波的三相不控整流电路,导致后级DC-DC变换器输出电流、电压中含有6倍工频纹波,严重缩短动力电池组的循环使用寿命。为此,从转移导纳的角度出发,对大型停车场直流充电桩输出侧的6倍频纹波分量的抑制方法进行了研究。首先建立了Superbuck变换器的小信号模型,得出恒流充电模式下系统的闭环转移导纳,并指出抑制输出侧的6倍频纹波分量的根本方法是减小闭环转移导纳在该频率处的幅值增益;然后基于该方法,得出了2种低频纹波抑制策略:提高系统的带宽和引入输入电压前馈;最后,通过一台1.8 kW/80 kHz仿真样机验证了理论的正确性。     

低输入电流纹波大升压比差动Boost型逆变器研究

为减少功率变换级数以及低频纹波对输入直流电源的影响,具有大升压能力和低输入纹波的单相逆变器具有重要的研究意义。深入研究了大升压比差动Boost逆变器电路拓扑、纹波抑制策略、电流纹波回路、输入电流反馈和输出电压复合控制策略。在传统波形控制基础上,通过输入电流反馈在输出滤波电容上叠加低频偶次电压,进一步减小输入电流中相应偶次谐波分量,使逆变器输出侧低频脉动功率在输出滤波电容与负载之间传递,阻断其向输入源传递;采用前馈与比例积分控制策略提高输出电压质量和输入电流质量。不同负载下的实验结果验证了此变换器的可行性。     

一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器

提出一种带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器。采用三绕组耦合电感、开关电容技术和级联结构,该变换器可实现更高电压增益。变换器的输入电感可有效降低输入电流纹波,从而减小输入电源应力。此外,耦合电感的漏感能量由输出端回收利用,提升效率的同时,能够抑制开关管的电压尖峰,降低其电压应力。详细分析带三绕组耦合电感的级联型高增益功率变换器的工作原理,以及连续导通模式下变换器的稳态性能。最后搭建一台30V输入、380V/0.3A输出的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。     

Analysis and Implementation of an Interleaved ZVS Converter with High Input Voltage

An interleaved half‐bridge converter is presented for high input voltage application. The features of the proposed converter are zero voltage switching (ZVS) turn‐on for all active switches, ripple current reduction at output side, load current sharing and load voltage regulation. Two half‐bridge converters connected in series and two split capacitors are used to limit the voltage stress of each power switch at one‐half of input DC bus voltage. Thus, active switches with low voltage stress can be used at high input voltage application. On the other hand, the output sides of two half‐bridge converters are connected in parallel to share the load current and reduce the current stresses of the secondary windings and the rectifier diodes. Since two half‐bridge converters are operated with interleaved pulse‐width modulation (PWM), the output ripple current can partially cancel each other such that the resultant ripple current at output side is reduced and the size of output inductors can be reduced. In each half‐bridge converter, asymmetrical PWM scheme is used to regulate the output voltage. Based on the resonant behavior by the output capacitance of MOSFETs and the leakage inductance (or external inductance) of transformers, active switches can be turned on at ZVS during the transition interval. Thus, the switching losses of power MOSFETs are reduced. The proposed converter can be applied for high input voltage applications such as three‐phase 380‐V utility system. Finally, experiments based on a laboratory prototype with 960‐W rated power are provided to demonstrate the performance of proposed converter. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种差动型高增益DC-DC变换器分析与设计

针对传统DC-DC变换器电压增益低、开关管电压应力较高、输入电流和输出电压纹波较大等问题,提出一种由两个多电平升压变换器差动连接而成的DC-DC变换器。首先,详细分析了所提变换器的拓扑结构、工作状态以及电路参数设计。理论分析结果表明,在占空比为0.5时,该新型变换器输入电流和输出电压的纹波相互抵消,具有明显的纹波抑制功能。同时,当电容器以互补开关方式运行时,电容器纹波的减少降低了电容器的尺寸。此外,该新型变换器无需添加额外的开关管,驱动及控制电路设计简单。然后,对所提变换器与其他类似变换器在电压增益、元件器数量以及半导体器件的电压应力等方面进行了对比分析,进一步说明了所提变换器的优越性能。最后,通过仿真研究和样机实验验证了理论分析的正确性,以及所提拓扑结构在降低元器件电压应力、提高电压增益方面的有效性。     

低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法

传统的基于半桥型模块化多电平电力电子变压器使用大量的开关器件和无源元件,限制了其功率密度和效率的提高。提出了一种组合全桥型模块化多电平换流器(MMC)和输入侧间接串联型输入串联输出并联DC-DC变换器的电力电子变压器拓扑,MMC输出等级较低的中压直流母线,可减少隔离级DC-DC模块数量,且可以实现故障时的自阻断功能。通过改变DC-DC变换器模块输入侧的串联连接方式,可有效避免中压直流端口短路时导致DC-DC变换器输入侧电容短路问题。该电力电子变压器拓扑同时具备中压和低压直流端口,且可以有效降低开关器件、无源元件、高频变压器以及DC-DC变换器模块数量,提高电力电子变压器的功率密度、效率和故障穿越能力。最后基于MATLAB/Simulink,搭建了该电力电子变压器的仿真模型,仿真结果验证了该拓扑的可行性。     

PWM开关DC-DC变换器的低频波动

为了揭示PWM开关变换器输出电压出现低频波动的规律，基于电感电流和输出电压包络的波动频率远低于变换器的开关频率的假设，建立了变换器中电感电流和输出电压包络的微分方程，并在s域进行分析，得出了变换器的闭环输出—输入电压传递函数，采用胡尔维茨稳定判据得出了变换器的稳定条件，分析结果表明：反馈环节的滞后是造成变换器输出电压出现低频波动的原因。采用零极点分析的方法确定了变换器低频波动的频率，利用变换器拓扑结构的约束关系，得出了变换器低频波动的幅值。采用SPICE仿真和实验的方法验证了理论分析结果的正确性。     

一种减少输出纹波的单级反激LED驱动电路

鉴于成本低、效率高等优势,AC-DC单级LED驱动电路可使用单级电路实现输入功率因数校正和输出DC-DC恒流控制,但通常存在较大的输出2倍工频纹波的问题,而电流纹波是影响LED光学特性和寿命的重要指标。首先,提出了一种基于辅助绕组的单级反激LED驱动电路;然后,采用电流纹波抑制策略分析了所提电路的工作原理和实现低输出电流纹波的条件;最后,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和有效性。实验结果表明,所提的LED单级驱动电路能够在不影响输入特性的基础上有效地降低了输出电流纹波。     

光伏发电系统宽电压开关变换器参数设计

光伏电池输出电压特性较软使得系统中DC-DC开关变换器需要有宽范围的工作电压,而开关变换器参数合理设计是其安全可靠工作的前提条件。本文以独立光伏发电系统中广泛应用的Buck-Boost变换器为例,分析了其工作原理,讨论了电感和电容对变换器工作模式和输出纹波电压的影响。在此基础上给出了宽输入和宽输出电压范围的电感、电容参数设计方法。通过仿真分析,验证了宽电压范围Buck-Boost变换器参数设计的合理性。