用于HVDC系统互联的高频模块化直流变压器优化控制策略

针对应用于高压直流输电(HVDC)系统互联的高频模块化直流变压器(HFMDCT),以直流电流纹波及高频环节电流应力大小为优化目标,提出了HFMDCT的直流链匹配多电平控制策略。对HFMDCT在多电平控制方法下的直流电流纹波机理进行了分析;通过采用拉格朗日因子法得到优化高频环节电流应力的直流链占空比条件,并以此为依据提出了高频变压器变比的设计原则;同时,为了在直流电压变化时仍可以保证HFMDCT的运行效率,进一步提出了基于直流链匹配多电平控制策略的直流电流纹波优化控制方法。     

一种复合型单开关功率因数校正预调节器

为了满足输入电流谐波限制标准，例如IEC 1000-3-2，在DC-DC变换器前加入一级功率因数校正变换器作为预调节器。但是对于有保持时间要求的电源，当输入掉电时，由于受下一级DC-DC变换器占空比变化范围的限制，预调节器电容上存储的能量不能全部传送到输出端，因此需要较大容量的电容以提供要求的保持时间。该文提出1种新的预调节器，它可以充分利用预调节器的电容能量，因此在相同的条件下可以减小储能电容，并且保持电容电压低于450V。分析了这种变换器的工作原理，并在1个250W的原理样机上进行了验证，最后给出了实验结果。     

多相交错并联自均流高增益DC/DC变换器及其控制策略

针对多相交错并联高增益DC/DC变换器在传统固定相移(2π/M)控制方式下,变换器会随着相数M的增加其只能在有限占空比范围(M-1)/M≤D<1内实现各相电流均流的问题,依据在多相变换器拓扑内电容电荷平衡原理以及各相电流均流条件,提出了一种可变移相的自动均流控制策略。所提控制策略只需任意两相相邻相位差φ满足2π(1-D)≤φ≤2πD条件,即可使得任意M(M≥2)相交错并联高增益DC/DC变换器在占空比[0.5,1)范围内均能实现各相电流自动均流。此外,对多相变换器中的电容电压纹波、电感电流纹波、电压增益、各相电流以及开关器件的应力进行了详细分析。最后,以四相高增益DC/DC变换器为例进行了模态分析,并搭建了一台低压输入/高压输出、功率300W的实验样机,实验结果验证了所提控制策略的有效性和正确性。     

High‐efficiency transformerless buck–boost DC–DC converter

A novel high‐efficiency transformerless buck–boost DC–DC converter is proposed in this paper. The presented converter voltage gain is higher than that of the conventional boost, buck–boost, CUK, SEPIC and ZETA converters, and high voltage gain can be obtained with a suitable duty cycle. The voltage stress across the power switch is low. Hence, the low on‐state resistance of the power switch can be selected to decrease conduction loss of the switch and improve efficiency. The input current ripple in the presented converter is low. The principle of operation and the mathematical analyses of the proposed converter are explained. The validity of the presented converter is verified by the simulation results in PSCAD/EMTDC software and experimental results based on the prototype circuit with 250 W and 40 kHz. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

Single‐Inductor Dual‐Output DC–DC Converter Design Using RC Ripple Regulator Method

In this paper, we have proposed Single‐Inductor Dual‐Output (SIDO) buck–buck and boost–boost dc–dc converter using improved RC ripple regulator control. The proposed SIDO buck–buck converter has the characteristics of low‐ripple and high control frequency. RC ripple regulator control cannot be applied to SIDO boost–boost converter because RC ripple regulator undergoes self‐excited oscillation and two self‐excited oscillating controllers make the SIDO converter unstable. Thus we proposed the priority circuit for RC ripple regulator control. The proposed control circuit improves response characteristic and simplicity of the control circuit. Simulations are performed to verify the validity of the proposed SIDO converter. Simulation results indicate good performance of the proposed SIDO converter.     

一种用于数控功率因数校正的占空比控制算法

功率因数校正技术存在开关周期内需要大量运算操作的问题,受数字控制器计算速度的影响,开关频率的提高受到限制;当负载和输入电压变化时,其调整能力不强.针对此问题提出一种应用于Boost功率因数校正电路中的占空比控制算法.该算法不仅可以使电流环和电压环两方面的计算同时进行,而且运算操作大大减少.当负载和输入电压发生阶跃变化时,算法通过引入输出纹波电压和前馈输入电压来补偿每个开关周期的占空比,保证了输入电流仍是良好的正弦波形,并保证功率因数校正系统具有较快的动态响应速度和较高的稳定性.仿真结果表明,电路工作在开关频率为100 kHz的情况下,功率因数达到0.998以上,能够达到功率因数校正的目的.     

A new non‐isolated free ripple input current bidirectional DC‐DC converter with capability of zero voltage switching

In this paper, a new nonisolated free ripple input current bidirectional dc‐dc converter with capability of zero voltage switching (ZVS) is proposed. The free ripple input current condition at low voltage side is achieved by using third winding of a coupled inductor and a capacitor for the whole range of duty cycles. In the proposed structure, the voltage conversion ratio can be more increased by adding the turn ratio of the second winding of the coupled inductor for the whole range of duty cycles. By adjusting the value of an auxiliary inductor in the topology of the converter, according to the power, the ZVS operation of the implemented 2 switches can be achieved throughout the whole power range. The mentioned features of proposed converter are validated theoretically for both boost and buck operations. In this paper, the proposed converter is analyzed for all operating modes. Moreover, all equations of the voltages and currents of all components, voltage conversion ratio, the required conditions for ZVS operation of switches, and also required conditions for canceling input current ripple at low voltage side are obtained. Finally, the performance of the proposed converter is reconfirmed through experimental and EMTDC/PSCAD simulation results.     

Analysis and implementation of a step–up power converter with input current ripple cancelation

This paper proposes a power electronics converter capable of canceling the input current ripple at preselected duty cycle. The proposed converter is an extended topology of a buck–boost converter aided by a boost‐type converter that improves the quality of the current drawn from the direct current source. The voltage gain of the proposed converter is increased as well, with a minimum of extra component added to the original buck–boost power converter. These features make the proposed converter ideal for low voltage generation sources, such as photovoltaic panel and fuel cell applications. Along this paper, the state space mathematical model is developed to provide the key design guidelines. The theoretical analysis is validated through computer simulation and hardware prototyping.     

具有低频电流纹波抑制功能的电流型桥式光伏微逆变器

合理的低频电流纹波水平能有效增加微逆变器的寿命,提高光伏电池的输出功率。文中提出一种器件复用的电流型桥式变换器,作为两级式光伏微逆变器的前级,针对该变换器提出了一种双占空比调制策略,分析了在该策略下变换器的工作原理,在此基础上提出了一种可实现光伏电池侧低频电流纹波抑制的策略。分析了变换器的小信号模型,分别设计了升压电感电流内环、光伏电池电压外环以及低压侧电压环的调节器参数,并通过根轨迹验证了在整个光伏电池运行范围内变换器均能稳定运行。实验样机运行结果验证了分析与设计参数的正确性。     

永磁同步电机有限集模型预测直接转矩控制

针对永磁同步电机(PMSM)模型预测直接转矩控制(DTC)转矩脉动大、功率元件开关频率不恒定等问题,将两电平逆变器的8个电压空间矢量作为有限控制集,应用到PMSM DTC中。设计考虑转矩误差、最大转矩电流比及电流约束的成本函数,利用成本函数来估算有限集合中各电压矢量的占空比,从而求得逆变器的最优电压矢量作为系统控制量。与传统模型预测控制方法相比,该方法的电流谐波和转矩脉动显著降低,且转矩动态性能也得到改善。仿真试验结果验证了所提出的控制方案有效性。     

变占空比控制二次型Boost功率因数校正变换器

与传统电流断续模式(DCM)Boost功率因数校正(PFC)变换器相比,定占空比控制二次型DCM-DCM Boost PFC变换器的输出电压纹波明显减小,然而,其功率因数(PF)低于传统DCM Boost PFC变换器,并随输入电压的增大而下降。针对此问题,提出了变占空比控制二次型DCM-DCM Boost PFC变换器,研究了其PF和输出电压纹波的表达式,通过占空比的拟合,给出了相应的控制电路。在90~220V输入电压范围内,变占空比控制二次型DCM-DCM Boost PFC变换器的PF均接近于1,且具有较小的输入电感电流纹波和较低的输出电压纹波,实现了高功率因数与低输出电压纹波特性。实验结果验证了理论分析的正确性。     

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。     

级联H桥Boost PFC电源建模及应用研究

针对电感电流断续导电模式(DCM)功率调节器固定占空比,输入电流纹波含量大导致功率因数降低的问题,提出了一种具有自动调节功能的级联H桥开关周期平均模型。给出了Boost PFC电路拓扑结构,并分析了该电路的工作原理。论证推导了在DCM模式下时均模型修正方程表达式。利用LTspice软件进行仿真分析并进行实验验证,其结果与传统固定占空比的DCM功率调节器相比,很大程度减少了低频输入电流纹波,有效降低了谐波含量。仿真结果和样机实验验证了所提出的模型和控制策略的有效性。     

并联高频脉冲直流环节逆变器研究

提出了基于占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器的并联逆变器电路结构,并对其电路拓扑、稳态原理、三态DPM电流滞环控制技术、均流原理、关键电路参数设计进行了深入的分析研究.这类并联逆变器,由N个共用电压外环、独立电流内环的占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器模块构成.设计并研制成功的3kVA 27VDC/115V400HzAC并联逆变器样机,具有体积重量小、变换效率高、静态精度高、动态响应快、输入电压变化范围宽、输出波形质量高、并联均流效果好、负载适应能力强、过载与短路能力强等优良的性能,在大功率逆变场合有重要应用价值.     

高功率因数三相单管Boost PFC变换器

三相单管Boost功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器具有开关管零电流开通、二极管无反向恢复、开关频率恒定、控制简单、成本低等优点,适用于中低功率场合。但在工频周期内占空比恒定,尤其在输入电压较高时,输入电流谐波含量较大、功率因数(power factor,PF)相对较低。分析三相单管Boost PFC变换器的PF值。在此基础上,提出变占空比控制的方法,从而降低输入电流谐波、提高PF值。为了简化电路实现,进一步给出一种拟合占空比的方法。与定占空比控制相比,所提方法还具有输出电压纹波小和效率高等优点。完成一台3kW的原理样机,进行实验验证,实验结果验证了理论分析和参数设计的正确性。     

电流断续模式Boost功率因数校正变换器的变占空比控制

DCM Boost PFC变换器具有开关管零电流开通、二极管无反向恢复和开关频率恒定等优点,但是当在半个输入周期内占空比恒定时,其输入功率因数较低。本文推导了DCM Boost PFC变换器的输入电流和PF值的表达式,并提出一种变占空比控制的方法,可以在全输入电压范围内将PF值提高到接近于1。为了简化电路实现,本文进一步给出一种拟合占空比的方法。与定占空比控制相比,所提出的变占空比控制方法还具有输出电压纹波小和效率高等优点。实验结果验证了理论分析的正确性。     

宽输入电压范围下隔离型全桥Boost变换器的高效率控制

本文提出了一族隔离型的Buck-Boost变换器以适应宽输入电压范围并要求隔离的应用场合,以全桥(Full-Bridge,FB)Boost变换器作为其典型电路之一在文中展开分析。考虑占空比的丢失,提出了基于移相控制的双沿调制策略以减小整个输入电压范围内的电感电流脉动。为实现变换器可靠高效的工作,提出了三模式双频控制策略。三模式双频控制策略下,输入电压被分为低、中、高三个电压区间,分别对应于FB-Boost变换器的Boost、FB-Boost和FB三个工作模式。由于FB-Boost模式下电感电流脉动较小,可以降低该模式下Boost单元的开关频率以减小开关损耗,进一步提高效率。为验证设计和控制策略的有效性,搭建了一台输入电压250～500V,输出电压360V,额定功率6kW的原理样机,整个输入电压范围内变换器都具有较高的效率,最高效率为97.2%。     

基于交错控制的三电平升压型DC/DC光伏控制器研究

提出了一种应用于非隔离光伏并网系统的前级DC/DC三电平升压型变换器及其控制方法。该变换器采用Boost三电平(Boost Three-level,Boost-TL)拓扑结构,分析了其工作原理,推导并建立了系统的数学模型。为了减小输出电压和电感电流纹波,提出了采用两开关管移相180°的交错控制策略。同时,针对直流母线中点电位不平衡问题,通过采取一种调整开关管导通时间的方法,实现了两输出电容电压的平衡。该变换器具有体积小、器件电压应力低和转换效率高的优点。最后,搭建了23 kW的实验平台,通过仿真和实验验证了所提控制方法的正确性和有效性。     

高增益电流型直流升压变换器研究

本变换器作为能馈电子负载的第一级,需要满足低压大电流输入、高增益,同时输入电流纹波小的要求,为此本设计采用高增益电流型直流升压变换器-级联升压Boost变换器。交错并联输入可以有效减小输入电流纹波,两级Boost级联可以方便提高升压比。文中给出了变换器中电感的设计、开关管的选择、输入电流闭环的设计,以及同步整流技术在该变换器中的应用。最后设计制作了一台3.3 V输入、48 V输出、330 W试验样机,试验结果满足能馈电子负载的要求。     

Quasi‐V2 hysteretic control boost DC–DC regulator with synthetic current ripple technique

Conventionally, a high accuracy operational amplifier (OPA)‐based current sensor is used for sensing current message under a full load range, which increases the cost characteristic. Instead of a high accuracy OPA‐based current sensor, this paper describes using a switching inductor quasi‐V² hysteretic control boost dc–dc regulator with a proposed current‐sensing technique named emulated‐ramp feedback (ERF), which can improve transfer efficiency under a full load range. Two control systems are presented in this paper. The first system, a hysteretic voltage control switching boost converter with ERF, achieves the hysteretic voltage control in a boost regulator and lowers the cost characteristic without using compensator. The second system, a quasi‐V² hysteretic voltage control switching boost converter with ERF, demonstrates the compatibility of ERF technique in rippled‐based control boost converters. The regulator was implemented with TSMC 0.25‐µm HV CMOS process. Experimental results show the second system can work under the specification of 5–12 V with a 0 to 300‐mA load range. Additionally, this system attained a recovery time is 27/95 µs for step‐up/step‐down in a 100 to 300‐mA continuous conduction mode load current, and a peak efficiency of 92.1% with a chip area of only 1.014 mm². Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.