考虑不同软开关模式的双有源桥变换器电流应力优化方法

为了全面提高双有源桥(DAB)变换器的整体性能,在基于双重移相实现电流应力最小化的同时,对是否要确保所有开关管实现零电压开通(ZVS)进行了研究。首先建立了以传输功率为输入量的线性化大信号模型,基于该模型,可通过传输功率的直接调节实现输出电压的精准控制。以该模型为基础,通过分析4种功率模态中的软开关特性及电流应力特性,分别实现了基于完全ZVS的电流应力优化方法和基于自然软开关的电流应力优化方法。并完成了2种优化方法对于效率影响的分析和对比。结果表明,当采用开通损耗和关断损耗相近的开关器件时,确保所有开关管实现ZVS会使DAB变换器的电流应力大幅增加,进而对效率产生严重的负面影响。理论分析和实验结果均表明,自然软开关模式的电流应力优化算法能够最大程度地降低电流应力,减小损耗,提高变换器的性能。     

基于GaN-HEMT器件的双有源桥DC-DC变换器的软开关分析

对运用双有源桥DC-DC变换器(DAB)的软开关电路进行了建模,并依据此模型,对运用不同开关管的DAB软开关范围进行对比。首先,介绍传统移相控制下的DAB的工作原理,推导辅助电感的电流值。然后,对DAB的左右全桥的开关管进行了软开通电路建模。通过对MOSFET和GaN-HEMT两种开关管的输出电容进行数值拟合,对比二者在不同工作状况下的开通过程,发现运用GaN-HEMT能够扩大软开关范围。之后,根据GaN器件结构的特点,对不同死区时间下的电流尖峰和电路损耗进行对比。最后,基于Pspice仿真软件得到了不同条件下软开关的电感电流和寄生电容电压波形,分析了变换器的功率特性,并搭建GaN-HEMT实验平台进行了实验验证。     

IGBT模型优化及其在Buck变换器中的功耗分析

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的物理结构为基础,建立并优化器件的电路仿真分析模型,并对器件电路模型的开关特性进行了模拟分析,结果显示该模型基本能反映出IGBT的开关特性及开关过程中的拖尾效应;进而把该器件电路模型引入基本Buck变换器中,并对IGBT在Buck变换器中的功率损耗进行了仿真分析,结果显示随着门极控制信号的开关频率或占空比的提高,器件的功率损耗逐渐变大,其变化趋势可以为Buck变换器设计及电路工作条件的选择提供参考。     

双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器

在传统的双有源桥变换器的基础上集成两个双向Buck/Boost电路,提出了一种双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器,该变换器实现了桥臂开关管的复用,提高了功率密度。以光伏-蓄电池混合发电系统为例对该变换器拓扑进行分析,采用移相+PWM进行控制,通过控制移相角实现输入与输出端口间功率传输,通过调节占空比来匹配输入端口电压等级,以实现光伏端口的最大功率点跟踪和平衡蓄电池端口的能量传递。分析了该变换器的工作原理、稳态与软开关特性,该变换器较大程度地改善了传统移相控制下DAB在移相角较小时的软开关条件,使得在宽工作范围内能够实现所有功率开关管的软开关。最后建立300W实验样机进行方案验证。     

三重移相调制下DAB变换器全功率范围统一ZVS控制策略

双有源全桥(dual active bridge,DAB)直流变换器有多种调制方式,采用三重移相(triplephaseshift,TPS)调制方式时,有3个控制量,更加灵活。该文分析TPS调制方式下DAB变换器的开关模式及工作波形,推导出在不同工作模式下实现各器件软开关All-ZVS(zero voltage switching)的控制变量约束条件,得到实现All-ZVS的可行域。在此基础上与已有的电感电流有效值最优化控制算法结合,提出一种电流有效值准最优化的All-ZVS控制策略。该策略在全功率范围和双向功率传输下改善了器件的工作条件,在减小导通损耗的前提下进一步消除了开关损耗,大大提高了效率,在低功率段的效率提升尤为明显,有利于进一步提升变换器的开关频率和功率密度。最后搭建实验平台进行验证,实验结果验证了理论分析的有效性。     

混沌SPWM功率变换器IGBT的Icepak温升仿真与实验

以四象限整流器中IGBT为例,为混沌SPWM控制下功率开关器件进行温升分析。首先基于SolidWorks对功率器件IGBT搭建了3D模型,并将其导入Icepak中,然后通过IGBT的损耗分析模型理论计算了整流器分别工作于混沌SPWM和传统SPWM控制方式下的IGBT的损耗功率,并在Icepak中进行相应的动态仿真,仿真结果表明在同样的输出功率条件下,工作在1 kHz频率时,基于Logistic映射的混沌SPWM控制下变换器功率器件温升与传统SPWM控制下的器件温升略有区别。最后,基于仿真模型搭建了温升实验平台,实验证明了仿真的正确性,并为混沌SPWM功率变换器的温升研究提供了一种分析方法。     

突发散热故障时的光伏MPPT变换器控制方法研究

作为光伏发电系统的重要组成,MPPT变换器能够实现光伏电池最大功率点跟踪(maximum power point tracing, MPPT)控制。但在环境通风不畅和冷却装置失效等突发性散热故障情况下,变换器极易发生过热停机保护,导致光伏电池无法输出功率,严重影响光伏发电的可靠性与经济性。为此,以一个300 W级MPPT变换器为对象,对其功率器件温升特性进行了试验分析。随后,结合传统MPPT算法和主动热管理策略,提出了一种突发散热故障时的光伏MPPT变换器控制方法。通过对器件驱动信号占空比的动态限制和开关频率的分级调节,所提方法能够主动调整器件工作损耗,进而充分挖掘变换器输出功率。相关实验表明,所提方法可最大程度保留变换器散热故障时的光伏出力,并减少散热故障修复前的光伏发电经济损失。根据实验结果,构建了所提方法性能评价指标,并分析了方法性能的影响因素。     

双有源桥直流储能系统软开关优化控制

传统直流储能系统中电容器荷电状态(state of charge, SOC)的变化会导致直流变换器两端电压不匹配,使得功率器件无法处在软开关状态,从而增加了开关损耗。通过分析软开关控制与电容器SOC之间的关系,本文提出一种双有源桥(dual active bridge, DAB)直流储能系统软开关优化控制,实现储能系统在充放电过程中,各功率器件始终处在软开关状态,维持直流母线电压稳定,降低功率损耗。该方法将储能电容SOC变化引入DAB移相控制,确定SOC与移相角的定量关系,使直流变换器功率器件满足软开关条件。根据直流母线电压及储能系统充放电特性,设计恒压、恒流充电和恒压、恒功率放电控制方法。仿真与实验结果验证了所设计软开关优化控制方法的有效性。     

开关功率放大器交错并联控制技术的研究

交错链接(Interleaving)控制技术是一种将工作频率相同的多个开关功率变换器单元交错链接的控制策略.能够在不增加功率开关器件应力和损耗的前提下.得到更高的输出功率、更好的输出电压频谱和更小的输出电流纹波.分析了Interleaving控制技术在开关功率放大器中的应用,提出一种较为简便的低成本控制方案,并通过实验进行了验证.     

两级式逆变器前级电路两种控制下的损耗分析

传统控制下两级式逆变器中间母线电压存在较大二次纹波,降低了中间母线电解电容寿命;而利用逆变侧瞬时输出功率前馈控制前级直流变换器的方法可抑制该纹波,但其对电路损耗的影响未知。这里分析比较了这两种控制下两级式逆变器前级电路的损耗。运用器件Datasheet中伏安特性、开通损耗及关断损耗与电流的关系曲线,通过image2data软件提取参数,采用最小二乘法拟合得到伏安表达式和开关电流公式,结合变换器开关电压电流解析式,建立了器件损耗模型并进行预估。最后对比了实验测试损耗与理论预估损耗,证明了采用功率前馈控制时前级电路损耗更大。     

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。     

有源钳位三电平变频器调制策略及损耗分析

传统中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,导致部分功率器件发热严重,限制了变频器容量和功率器件开关频率的提升.采用有源钳位(ANPC)三电平拓扑结构可产生冗余零电压状态输出实现功率器件损耗平衡.分析了ANPC三电平变频器的工作原理及其换流方式1和方式2下功率器件的工作特性,并给出了两者PWM脉冲生成...     

应用于可再生能源系统的DAB变换器软开关调制策略

双有源桥(DAB)直流变换器是理想的大功率双向DC/DC变换器,是电能路由器系统与储能单元实现能量双向传输的核心装置。为实现变换器软开关以达到改善开关器件工作条件和提升功率传输效率,文中分析了采用三重移相(TPS)调制的工作原理。通过分析TPS调制方法下DAB变换器的开关模式及工作波形,得到变换器实现软开关的条件,并与已有的电感电流有效值最优化控制算法结合,提出了一种全功率范围内实现全部器件软开关的调制策略。最后搭建实验平台进行验证,实验结果证明了所提出调制策略的有效性。     

双馈抽水蓄能机组用中点箝位式三电平变流器损耗与结温分布

针对双馈抽水蓄能机组(DFPSU)运行工况转换频繁,分析不同运行工况下中点箝位式(NPC)三电平变流器功率器件损耗及结温分布。基于DFPSU运行特点,以机侧变流器单相桥臂功率模块为例,研究了不同运行工况下各个功率器件开关动作和电流通路,理论上分析了器件损耗分布不均现象;基于功率器件导通损耗和开关损耗计算模型,建立其热网络等效电路和结温计算模型,考虑DFPSU控制策略,并基于PLECS平台建立了NPC三电平变流器功率器件电热耦合仿真模型;对机组在发电、电动和调相运行工况下的器件损耗和结温分布进行仿真。理论分析与仿真结果表明,不同运行工况下器件损耗不同,变流器中间位置的主开关和箝位二极管的损耗和平均结温最大,且机组在同步转速点附近器件结温波动最大。     

基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

氮化镓功率器件以其优异的高速、高效特性而有望在电源转换领域取得广泛应用。在Buck开关电源应用中,系统采用GaN HEMT替换传统Si功率器件后,系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素。针对GaN器件的电源转换系统死区功耗展开理论及仿真讨论,详细分析Si功率器件与GaN HEMT在buck型开关电源系统中不同的工作机制以及死区时间对系统功耗的影响。优化结果表明,输入电压为12 V、输出电压为1.2 V、开关频率为700 k Hz的GaN基电源转换系统,在死区时间Td1=20 ns、Td2=0 ns、负载电流为20 A的情况下系统转换效率可达到92%。     

一种新型双端口三电平变换器

针对传统背靠背三电平变换器成本高、体积大、结构复杂等问题,本文提出了一种新型双端口三电平变换器拓扑,通过器件复用形式减少开关器件数量,优化系统结构。首先,详细分析了所提新型拓扑的工作原理,给出了单相桥臂的六种有效开关状态、电流流通路径及对应双端口输出电平,并对各开关器件的电压应力进行分析。其次,研究并设计了一种适用于该新型拓扑的载波层叠脉宽调制策略,通过加入直流偏移量,避免了调制波重合带来的影响。还进一步详细分析了该策略在同频与异频工作模式下的调制度范围、相角差约束等关键问题,给出了各工作模式下直流偏移量选取原则及两端口调制度约束范围。最后,基于DSP-FPGA-TYPHOON HIL402实验平台对不同工作模式进行验证,实验结果表明,在实现所提新型拓扑双端口电压电流稳定输出的前提下,加入直流偏移量的载波层叠脉宽调制策略控制输出的电能质量良好,谐波含量低。     

基于拓展移相控制的双有源桥全软开关模态的最小回流功率控制

双有源桥(dual active bridge,DAB)作为直流变换器技术的热门应用,得到了越来越多学者的关注。其中,回流功率是其研究热点之一。过大的回流功率会严重影响DAB的运行效率,缩小DAB的软开关范围。针对上述问题,文章基于拓展移相控制,确定了能实现全部开关管软开关的边界条件,有效地降低了开关损耗;另外,提出了一种新型的回流功率优化技术,极大地降低回流功率,甚至可以在某些工况下实现零回流功率,提升DAB的运行效率。针对在线控制,设计了闭环控制系统,通过负载的连续投切仿真,证明了该方法的有效性。最后,搭建了DAB实验平台,通过硬件实验验证了该最小回流功率控制策略的可行性和正确性。