开关频率500kHz的软开关SiC单相逆变器

高频化是提升并网逆变器功率密度的有效途径。SiC MOSFET适用于高频化的应用场合,同时采用软开关技术可维持高转换效率。设计了一台500 kJz零电压开关(ZVS)SiC单相并网逆变器。重点介绍了谐振参数的选取、谐振电感与滤波电感的设计,并在1.5 kW实验模型上进行了验证。实验证明在开关频率为500 kHz时,依靠SiC MOSFET自身的结电容可完成谐振,实现ZVS开通。500 kHz下的滤波电感比100 kHz下的滤波电感体积减小约4/5,满载效率为97.9%。     

三相四线制软开关SiC逆变器软开关工况分析

逆变电源的开关频率上限受到功率器件的动态损耗限制,导致较大的输出滤波元件的体积。零电压开关正弦脉宽调制(ZVS-SPWM)三相四线制逆变器电路只需引入1个辅助开关和2个较小的无源元件,就可以实现电路中所有开关器件的零电压开关。重点分析了SiC MOSFET寄生电容对零电压开关实现的影响,并在此基础上探讨了等效寄生电容值的提取方法,修正了零电压开关条件和功率器件电流、电压应力的计算值。最后在10 kW SiC MOSFET三相四线制零电压开关逆变器实验平台进行了验证。     

计及寄生电感的SiC MOSFET三相全桥损耗

忽略开关过程中寄生电感的变化对开关损耗的影响和导通过程中占空比变化对导通损耗的影响会降低三相全桥逆变器的损耗计算精度。为解决上述问题,提出了一种考虑寄生电容和寄生电感的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)物理模型,通过曲线拟合、分段取值法和振荡法获得寄生电容和寄生电感,分析了寄生电感对开关损耗的影响,推导出在空间矢量脉宽调制(SVPWM)下的平均导通损耗公式,得到三相全桥损耗。最后,通过对比开关损耗计算结果和PSpice仿真结果,验证了寄生电感的变化对开关损耗的影响;同时在基于SiC MOSFET的永磁同步电机控制系统上进行实验,验证了基于SiC MOSFET物理模型的损耗计算方法能提高逆变器的损耗计算精度。     

高速SiC MOSFET开关特性的测试方法

为正确地评估高速SiC MOSFET的开关特性,基于双脉冲测试平台对精准的测试方法进行研究。首先,仿真证明电路中寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响,优化设计PCB布局以减小寄生电感,对比PCB布局优化前后的测试结果。其次,对比分析续流二极管的结电容以及负载电感的寄生电容对SiC MOSFET开通特性的影响。然后,对比分析使用不同带宽的非隔离电压探头、不同电压探头地线连接方式、不同电流测试设备对测试结果的影响,并说明电压与电流波形之间相位延迟对开关能量损耗的影响。最后,对比分析不同测试点对测试结果的影响。     

一种新型的单相高频ANPC软开关逆变器

有源中点箝位(ANPC)拓扑因损耗分布均匀,广泛应用于逆变器场合,使用SiC器件可进一步提高效率.提高开关频率可提高功率密度,但SiC器件的开关损耗显著增加.此处提出一种单相ANPC软开关逆变器,可实现主开关管的零电压开关(ZVS),降低了开关损耗,提高了效率.首先叙述了软开关电路的工作原理,接着介绍了谐振参数设计的基...     

一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器的研究

针对辅助谐振变换极型逆变器在实际应用中辅助开关管难以实现零电压关断(zero voltage switch,ZVS)这一问题,在一种改进型谐振极逆变器回路拓扑的基础上提出一种双辅助谐振极型软开关逆变器回路拓扑及调制策略。它不仅具有以前讨论过的辅助谐振极逆变器的所有优点,而且可有效避免因回路配线形态所带来的回路寄生电感和寄生电容对辅助开关管的ZVS关断所造成的影响,确保辅助开关管可靠的实现ZVS关断。在所提调制策略下,根据不同工作模式下的等效电路图,分析该逆变器的工作原理、软开关实现条件及参数设计方法。最后使用绝缘栅双极型晶体管作为开关器件制作一台10 kW、16 kHz 样机,通过实验验证该逆变器的有效性。     

单相控制型软开关逆变器的最小复位电流控制

基于电感电流临界导通模式(critical conduction mode, CRM)的控制型软开关技术可实现开关管零电压开通(zero voltage switching, ZVS),但传统恒定电流复位方法的反向电流大,开关管通态损耗高。文中以单相三电平中点箝位型(three-level neutral point clamped, 3L-NPC)逆变器为研究对象,提出一种具有最小电感复位电流的控制方法。首先,分析开关管ZVS的实现条件,建立谐振等效电路分析模型,推导出电感复位电流理论最小值,在保证整个工频周期内开关管ZVS的同时,降低复位电流导致的开关管通态损耗。然后,建立逆变器损耗分析模型,将文中方法与传统恒定电流复位方法进行损耗计算与对比。最后,搭建一台1 kW的单相3L-NPC逆变器样机进行实验,结果表明文中方法相比于传统恒定电流复位方法,降低了损耗,最高变换效率提升约0.5个百分点。     

交错并联磁集成软开关双向DC/DC变换器的研究

交错并联磁集成软开关技术可以减小变换器输出电流纹波,提高动态响应,减小开关损耗。介绍了一种交错并联磁集成双向DC/DC变换器电路拓扑结构,该变换器具有开关器件电压应力低,输入输出电压变比大的优点。分析了变换器在Boost和Buck模式下的工作模态,并推导了稳态工作时的基本方程,获得了稳态电压增益,通过等效电感分析了输出稳态纹波与动态响应和集成电感耦合系数的关系,并给出了设计范围,利用阵列式磁芯设计了耦合电感,并给出了设计方法。采用交错并联磁集成技术,减小了输入输出电流纹波;给出了软开关的实现条件,可以实现所有开关管的零电压开关(ZVS)导通,减小了开关损耗。研制了原理样机,通过实验验证了理论分析的正确性。     

一种软开关PWM逆变器的ZVS条件分析

针对目前多数的软开关逆变器拓扑结构中都设置了辅助开关器件来控制谐振过程,导致控制复杂这一问题,提出了一种新型的软开关PWM逆变器,用常规的SPWM能实现开关器件的ZVS,但是当调制度较大时,为实现ZVS,需要限制触发脉冲的最小宽度,这将会导致逆变器输出电流的畸变率变大.为解决这一问题,文中详细分析了实现ZVS的条件,介绍了一种通过选取合适的谐振电感值和耦合电感值,来取消最小触发脉冲宽度限制的方法.仿真和实验结果表明不限制触发脉冲的最小宽度,通过选取合适的电感参数值,开关器件也可以做到关断损耗为零.该软开关PWM逆变器可以有效地减小关断损耗,提高效率.     

软开关单相光伏并网逆变器原理及并网实验

为了优化效率及提升功率密度,提出了一种采用MOSFET的软开关单相光伏并网逆变器及零电压调制方法。介绍了软开关单相并网逆变器的工作原理,通过零电压调制方法控制辅助谐振电路,实现MOSFET的零电压开通,并抑制MOSFET体二极管的反向恢复。因此,逆变器等效开关频率为100 k Hz,并网滤波电感减小。组建了一个30 kW光伏并网发电系统,对10台3 kW软开关单相光伏并网逆变器进行光伏发电测试,验证理论分析及可靠性。     

交错并联磁集成双向DC/DC变换器的软开关实现条件

为了解决传统双向DC/DC变换器的损耗较大和效率较低等实际问题,提出了一种将交错并联磁集成技术与软开关技术相结合的控制方法。首先,以三相交错并联磁集成双向DC/DC变换器为研究实例,分析了当变换器分别运行在一、二、三相电感时的3种工作状态。在每种状态下,分别讨论了电感反向电流的持续时间和死区时间,从而总结出了变换器运行在每种状态下可以实现零电压开关(zero voltage switch,ZVS)的条件。最后,通过实验进一步验证了理论分析的正确性,证实了该设计方案的实用性。     

基于PLECS的车载SiC单相逆变器损耗研究

近年来,碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在电力电子领域的应用日益成熟。由于其具有损耗低、导通电阻小、开关速度快、频率高等优点,因此,当其应用在车载单相逆变器中时,可以通过提高开关频率来有效地减小磁性元件的体积,从而提高逆变器的功率密度,减轻重量。但随着开关频率的提高,逆变器的开关损耗也随之增加,因此SiC MOSFET单相逆变器的损耗分析在设计过程中至关重要。对车载SiC单相逆变器在单极性正弦脉宽调制(SPWM)下的开关器件损耗进行详细分析;在PLECS仿真软件中搭建SiC MOSFET单相逆变器的电路模型和器件损耗模型;最后搭建SiC MOSFET单相逆变器的实验平台,测试开关器件的损耗,验证损耗理论计算的正确性及损耗模型的有效性。     

多包络线谐振软开关逆变器控制策略

为了满足光伏微型逆变器高功率密度、高性能、低总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)的要求,文中基于临界电流模式提出一种多包络线谐振软开关逆变器控制策略,通过进行开关管的分时控制达到平衡电感电流上升下降时间的目的,从而缓解过零点畸变。随后,详细介绍多包络线谐振软开关逆变器控制策略的工作模态,并从软开关、开关频率、开关管损耗与逆变效率、过零点畸变程度等方面与传统临界电流模式进行对比分析。为验证控制策略的有效性,文中基于PSIM搭建了500 W谐振软开关单相全桥逆变器进行开环仿真验证。仿真结果表明,与传统的单极性临界电流模式相比,多包络线临界电流模式可以有效优化过零点问题,能够滤除谐波、降低THD,并且实现零电流开关(zero current switch,ZCS)和全部开关管的零电压开关(zero voltage switch,ZVS)。     

一种新的软开关ZVS变换器及其派生电路

提出一种新的软开关全桥脉宽调制式变换器及其派生电路。这些变换器的特点是所有开关在很宽的输入电压范围和输出负载范围内都能实现零电压切换(ZeroVoltageSwitch,简称ZVS)而负载周期损耗和环流最小。主开关的ZVS采用一个变压器和一个电感来实现。变压器用来实现输出隔离,而电感则用于存储所需的能量。两个桥臂之间相位移发生变化时变压器和电感的感应电压以相反的方向变化。通过一个实验原型电路证实了上述变换器的性能。     

高功率密度碳化硅MOSFET软开关三相逆变器损耗分析

相比硅IGBT,碳化硅MOSFET拥有更快的开关速度和更低的开关损耗。碳化硅MOSFET应用于高开关频率场合时其开关损耗随着开关频率的增加亦快速增长。为进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度,探讨了采用软开关技术的碳化硅MOSFET逆变器。比较了不同开关频率下的零电压开关三相逆变器及硬开关三相逆变器的损耗分布和关键无源元件的体积,讨论了逆变器效率和关键无源元件体积与开关频率之间的关系。随着开关频率从数十kHz逐渐提升至数百kHz,软开关逆变器不仅能够维持较高的转换效率,还能取得更高的功率密度。最后,在1台9 kW软开关三相逆变器和1台9 kW硬开关逆变器上进行了实验验证。     

准谐振软开关双管反激变换器

在传统双管反激变换器基础上,通过引入谐振网络,并用开关管替换一次侧的一个钳位二极管,提出一种准谐振软开关双管反激变换器。该变换器具有双管反激变换器的优点,所有开关管电压应力钳位在输入电压,因此可选取低电压等级、低导通电阻MOSFET以提高变换器的效率、降低成本;利用谐振电感与隔直电容谐振,实现变换器全部开关管的零电压导通(ZVS),减小了开关管的开通损耗。同时漏感能量回馈到输入电源,减小了谐振电感电流的反向峰值,降低了开关管的关断损耗,进一步提高变换器的效率。本文研究变换器工作在励磁电感电流单向工作模式时的工作原理和工作特性,重点分析开关管电压、电流应力及其ZVS条件。最后,设计一台60W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。     

基于SiC MOSFET的移相全桥ZVS变换器

移相全桥ZVS变换器通过软开关技术,显著地减小了开关损耗,并进一步提高装置的效率,得到了广泛应用,但传统移相全桥ZVS变换器在低压大电流情况下整流二极管导通损耗较大。首先采用同步整流技术,降低了次级整流管的导通损耗;然后采用在原边加箝位二极管的方法抑制了副边整流管两端的电压尖峰;并且采用在原边串联隔直电容的方法抑制直流分量;最后用Saber搭建SiC MOSFET半桥模块的仿真模型,通过MATLAB和Saber协同仿真来验证高频下SiC MOSFET的工作特性。     

新型ZVS软开关直流变换器的研究

综述了几种新型的零电压(ZVS)DC/DC变换器,并分析了变换器的优缺点,研究了一种新型MOSFET作为开关器件的三电平ZVS变换器,并分析了这种变换器一个周期的工作状态。该变换器用耦合电感代替常规电感,耦合电感通过变压器反射到原边,使变换器在零状态时的环流减小到零,实现了外管零电压开通,内管零电流关断。由于不存在一次侧环流,减小了通态损耗。     

新型ZVS软开关直流变换器的研究

介绍了几种新型零电压(ZVS)DC/DC变换器,分析了它们的优缺点,研究了一种新型MOSFET作为开关器件的三电平ZVS变换器,并分析了这种变换器一个周期的工作状态.该变换器用耦合电感代替常规电感,耦合电感通过变压器反射到原边,使变换器在零状态时的环流减小到零,实现了外管零电压开通,内管零电流关断.由于不存在一次侧环流,减小了通态损耗.     

不对称半桥变换器直流偏磁抑制与软开关实现

不对称半桥变换器(AHB)利用变压器自身的漏感和开关管的寄生电容串联谐振,实现了开关管的零电压开通(ZVS),从而降低了损耗,提高了效率.但是其不对称的控制方法使变压器原边电压正负波形不对称,原边电流含有直流成分,容易导致变压器铁心直流磁通累加而饱和.虽然铁芯加气隙后可防止饱和,但又会增加变压器损耗.针对倍流整流式不对称半桥变换器直流偏磁的产生原因及实现软开关的开关工作过程做了理论分析,在此基础上,设计并制作了实验样机.通过对实验结果的分析,验证了倍流整流式不对称半桥变换器采用副边串联隔直电容的方法可以有效抑制变压器直流偏磁,并且实现了软开关.