单相三电平PFC拓扑构成方案及调制方法EI北大核心CSCD

传统单相三电平整流器的开关器件较多;两电平整流器开关器件相对少,但其交流侧输入滤波电感体积大,开关频率相对较高导致功率器件损耗增大,工作效率有所降低。针对上述问题,文中提出级联、电平等效、镜像、去冗余等三电平电路拓扑方案,并以两电平伪图腾柱式功率因数校正电路(pseudo totem-pole power factor correction,PTP-PFC)为例进行上述拓扑方案的推导过程分析,提出一类三电平PTP-PFC电路。首先,对所提新型单相三电平PTP-PFC变换器进行工作原理分析,并提出一种适合此类拓扑的调制方法;其次,对所提拓扑进行功率器件数量、电压应力、损耗等方面分析和对比,总结出各电路特性;最后,设计输出电压400V、功率1kW的3种三电平PTP-PFC实验样机,实验结果证明级联、电平等效、镜像、去冗余等三电平电路拓扑方案的有效性,同时验证所提三电平PTP-PFC电路理论分析的正确性和工程应用的可行性。     

一种双向隔离三电平DC-DC变换器电流有效值最小控制方法

针对双向隔离DC-DC变换器在传统"两电平H桥结构+移相控制"模式下进行功率传输所导致的开关器件承受电压应力大、变换器传输效率低等问题,提出一种"双边三电平半桥结构+电流有效值最小控制策略"方案。该方案将H桥结构替换为三电平半桥结构并在传统移相控制的基础上增加对变压器漏感电流有效值的控制,降低了变换器损耗和开关器件承受的电压应力并提高了变换器的传输效率。根据隔离变压器漏感电流有效值表达式与零电压开关条件,对电感电流有效值最小控制方法的控制曲线进行了详细推导,并根据该控制曲线设计了基于可编程逻辑器件的控制核心。采用新型Si C MOSFET开关器件搭建了物理实验平台。实验结果表明在所提方案的作用下开关器件所承受的电压应力、变换器损耗和变换器传输效率都得到了较大的改善,验证了理论分析的正确性和所提方案的可行性。     

一种混合开关电感和开关电容的高增益DC/DC变换器

针对传统Z源DC/DC变换器存在的输入电流不连续、输出电压增益不够高和功率器件电压应力较高等不足,利用开关电感和开关电容技术,提出了一种混合开关高增益DC/DC变换器。该变换器主电路中只用到1个储能电容,结构简单,与现有典型的高增益阻抗源DC/DC变换器相比,所提出的混合开关电感和开关电容的DC/DC变换器可以实现更高的输出电压增益,同时电容和开关器件的电压应力较低。详细分析了所提变换器的工作原理,通过在实验室中所建立的输入电压16～40 V、输出电压26～107 V和输出功率7～114 W的原型验证了其性能。     

一种新型准Z源三电平Boost直流变换器的研究

针对共地三电平Boost直流变换器的飞跨电容电压严重偏离1/2输出电压及准Z源Boost直流变换器的开关器件电压应力大等问题,提出一种新型准Z源三电平Boost直流变换器结构,并采取交错调制作为变换器控制策略,更好实现增益宽、电压应力小等特性;利用MATLAB软件,仿真验证了所提变换器可有效解决飞跨电容偏离1/2输出电压、开关器件的电压应力大于1/2输出电压等问题。     

基于NPC型三电平变换器的高速磁悬浮飞轮同步载波驱动技术

相比电池储能，飞轮储能具有功率密度高，瞬时功率大，响应速度快等优点，可有效缓解地铁频繁启停对母线电压的冲击。由于我国地铁直流供电网络多为1 500 V电制，两电平变换器无法用常规1 700 V电压等级器件实现安全驱动，因此，本文提出了基于NPC型三电平变换器的高速磁悬浮飞轮同步载波控制技术。首先，建立了三电平驱动系统稳态及换相动态过程的等效模型，分析了驱动电压和定子电流的数学关系；然后，提出了一种同步载波驱动技术，实现了高压、高速无刷电机的加减速控制；最后，设计了磁悬浮飞轮储能系统工程样机，测试了充放电工况下系统的工作状态。实验结果表明，本文所提方法具备快速大功率充放电功能，在充电或放电工况下三电平变换器中点电压均能够保持平衡，系统可稳定运行在额定1 500 V、40 000 r/min参数附近。     

三电平Cuk型AC/AC变换器设计

针对传统AC/AC变换器的输出电压质量不高、大电压下开关管承受能力弱、输入输出电流纹波大的问题,提出了一种新型三电平Cuk型AC/AC变换器,为减少开关管尖峰和电路损耗,又设计了一种CLC无损缓冲电路。叙述了该变换器的工作原理,设计了主要参数,采用带电流极性检测的电压闭环控制方式,建立了该变换器和CLC的电路仿真模型。仿真结果表明,该变换器具有输出三电平、输出电压THD小、电压应力减小的优势,可适用于对电压质量要求较高的中大功率高压场合。该三电平的CLC缓冲电路可以有效降低电子开关器件的尖峰电压,实现零开断。     

具有高增益的双相直流变换器设计

为了获得较高的电压增益,减小开关管的电压、电流应力,将2个中间储能电容与传统双相BOOST升压电路相结合,研究了一种具有高电压增益的新型双相BOOST电路拓扑。该电路具有以下明显的特点:在相同占空比的情况下能有效提高变换器升压增益,可实现更大的功率变换;主开关管和所增加二极管的电压应力只有输出电压的一半,因此对相同功率级的升压电路,不仅可以选择低耐压、高性能的开关器件,而且可以降低电路的损耗。详细分析了新型双相BOOST变换器的工作原理,制作了1台额定功率为1kW原理样机,通过实验验证了理论分析的正确性和可行性。结果表明,所提出的新型双相BOOST变换器性能优良,结构简单,具有实用价值。     

一种可拓展双输入高增益DC/DC变换器

针对光伏发电系统中光伏电池板集成汇流的需求,提出了一种可拓展双输入高增益DC/DC变换器。该变换器采用了一种新型拓扑结构,可在实现输入输出电压高增益变换的同时降低了开关器件的电压应力。此外,所提变换器还具有可拓展性,可以根据不同的光伏电池板数量和输出电压要求对端口进行扩展,从而降低系统的复杂性和成本。首先详细介绍了所提变换器的拓扑结构,并推导出变换器在不同工作模态下的运行原理。然后,对该变换器的增益特性、开关器件的电压和电流应力、关键器件的参数选择和损耗计算等方面进行了深入的理论分析。最后,搭建了一台输出功率为1 kW的实验样机,并进行了实验测试。实验结果验证了所提变换器理论分析的正确性和可行性。     

新型中点钳位三电平电池储能变流器设计及控制系统

基于新型中点钳位(A-NPC)拓扑结构的三电平变流器可以提高输出电压波形质量,有利于降低绝缘栅双极型晶体管(IGBT)耐压,以减小开关器件成本、IGBT损耗和电感损耗,来提高系统整体效率,因此在电力储能领域具有广泛的应用前景。基于A-NPC三电平拓扑结构,设计了电池储能变流器主电路,开发了变流器系统控制器软硬件,研究了变流器中点电压控制机理。样机实验结果表明:所搭建的A-NPC三电平电池储能变流器系统运行良好,与当前储能系统常用的两电平拓扑相比,在略微增加综合成本的基础上,实现了输出电流波形畸变小和输出电流谐波小、效率高等特点,应用在储能系统中,获得了很小的稳态总谐波畸变率和非常好的功耗特性。     

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。     

用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器及其控制

传统两电平DC-DC变换器开关器件承受电压应力高,输出电流纹波大。本文采用一种三电平双向直流变换器控制超级电容的能量流动,有效提高了超级电容充放电效率和输入电压等级。分析了三电平双向直流变换器的工作原理及其控制策略,在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型,验证了三电平双向直流变换器拓扑的优点,并实现了对直流网压、飞跨电容电压以及超级电容充放电电流的控制;样机实验表明了该变换器及其控制的合理性和有效性。     

一种非隔离型高增益DC/DC变换器仿真分析

传统的Boost、Sepic以及Cuk等基本变换器由于受到pcb板和器件的影响,升压能力受到了限制。为此提出了一种非隔离型高增益DC/DC变换器及控制方案,相较于传统变换器而言具有更高的电压增益,且电路拓扑简单,成本低。首先对所提变换器的拓扑结构进行了简要阐述,然后对变换器的工作原理以及器件的电压电流应力等进行了详细分析,最后通过仿真验证了理论分析的正确性。仿真结果表明,所提变换器可用于直流微电网、电动汽车以及燃料电池无人机等需要高升压能力的场合。     

一种具有自修复功能的多电平变换器拓朴

从提高复杂多电平变换器的可靠性出发，提出了一种具有类似生物系统自修复功能的多电平变换器拓扑。电路拓扑工作原理的分析结果表明，该拓扑在正常工作情况下所有开关管均承受单位电平的电压应力，并且以较少的飞跨电容实现每个电压电平的自动平衡。该拓扑不需要任何复杂的中点电位平衡电路或控制措施。文中详细分析了电路中开关管故障对多电平变换器系统运行和器件电压应力的影响。分析结果表明，当某些开关管出现短路或断路故障时，通过简单的软件重构改变驱动信号，利用冗余开关状态组合，电路仍能得到所有电平的正常输出和直流侧电容的电压自平衡，真正实现了原有功能的自修复。整个多电平变换器系统的可靠性由此提高。文中以五电平变换器为例进行了分析研究，并通过仿真实验进行验证。     

基于有源网络的高增益直流变换器

针对在利用新能源的过程中对高增益变换器的需求,提出了一种基于有源网络的高增益直流升压变换器,其电压增益为Boost电路的2倍、其开关管的电压应力为Boost电路的50%。严谨地推导了所提变换器工作的电感电流连续模式(CCM)、电感电流断续模式(DCM)下电压增益、开关管电压应力和二极管电压应力,并最终通过实验样机所得实验结果验证了所做理论分析的正确性。     

基于预测控制技术的新型多电平单相Boost功率因数校正开关变流器

重点研究了有源功率因数校正开关变流器的拓扑和DPS系统的数字控制.分析和研究了三电平Boost PFC变流器主电路工作特征,以及在解决功率器件承受高电压应力、系统的整体损耗、磁性器件的选择等方面所具有的优势;提出了采用改进的预测控制算法控制的三电平BoostPFC变换器方案.最后,给出了电路分析、设计,以及实验分析结果.     

一种多工况高增益多端口DC/DC变换器

针对含储能单元的新能源发电系统,提出一种多工况高增益多端口DC/DC变换器,所提变换器集成了一个单向供电端口、一个双向储能端口及一个负载端口,可实现任意两电气端口之间的一次电能变换,其具有输入输出电压增益高、各工况切换平滑、开关器件电压应力低等优点。首先分析所提变换器的工作原理,然后推导出变换器的性能特点,最后搭建一台额定功率为600W的实验样机对理论分析进行实验验证。     

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。     

输入输出共地的三电平变换器

三电平直流变换器不仅可以降低开关管的电压应力，同时还可以大大减小储能电感和电容。但是6种不隔离的三电平变换器的输入输出不共地，其应用范围受到限制。该文引入隔直电容的概念，对这6种不隔离的三电平变换器进行改进，使其输入与输出共地，同时保留其所有优点：①开关管电压应力只有其原型电路的一半：②储能电感和电容可以大大减小。该文以Buck三电平变换器为例进行分析和实验验证。     

软开关三电平DC/DC变换电路的发展及分析

介绍了三电平直流变换器的突出优点及其与软开关技术相结合的发展趋势、各发展时期有技术代表性的典型电路拓扑结构及其主要性能特点。针对零电流技术中因引入储能电容而引起的副边高电压应力问题,提出了一种新型的零电压零电流软开关三电平直流变换电路拓扑:通过耦合电感实现电流回零,通过改变耦合电感的变比来方便地设定原边环流置零时间,降低环流损耗,实现内管的零电流关断。实验样机验证了这种电路的主要性能,电压电流实验波形显示了三电平的低电压应力特点和零电压开通、零电流关断的软开关性能。     

面向直流储能系统的飞跨电容三电平双向升降压变换器及其模型预测控制策略

光伏系统中直流母线电压受光伏发电端及负载影响变化范围较大,传统储能直流变换器难以适应储能侧及母线侧双端宽电压范围运行。该文提出一种适用于储能系统的飞跨电容三电平双向升降压变换器,该变换器具有对称的拓扑结构,能量向任意方向传递时,均可实现升、降压功率变换,从而解决储能系统在宽母线电压工况下的应用问题。此外,该文提出基于所提变换器的模型预测控制（MPC）策略,该策略通过建立电感电流的预测模型,引入电感电流和输出电压的双闭环控制,实现稳定输出电压的控制目标。同时,建立飞跨电容的独立预测电压闭环,在保证输出稳压的基础上,实现对双侧飞跨电容电压的独立控制。最后,通过搭建小功率实验平台验证了所提变换器及其控制策略的有效性。