适用于直流配电网的直流变压器技术研究

采用基于模块化输入串联输出并联拓扑的直流变压器,实现了柔性中压直流配电网和低压直流微电网之间的电压等级变换和功率双向传输。直流变压器的子单元基于LC串联谐振原理,采用定频不移相控制策略。此外,为了抑制较大的启动冲击电流,提出了一种软启动控制策略:通过脉冲占空比切换的方式控制输入端全桥电路的占空比,从小占空比缓慢切换到额定占空比。设计并生产了一台500 kW,±10 kV/750 V直流变压器,实验结果验证了所提方案的正确性和可行性。     

软开关高增益Buck-Boost集成CLLC型直流双向变换器

研究一种Buck-Boost集成CLLC直流双向变换器,适用于输入输出共地且宽输入电压范围场合应用。直流双向变换器通过Buck-Boost与CLLC电路原边集成、CLLC副边母线电容叠加到原边母线电容上实现高增益。半桥CLLC电路与Buck-Boost电路集成,通过定频PWM同步控制;有助于开关管在较宽输入电压和负载范围实现软开关、高功率密度。该文分析了变换器的拓扑结构及工作模式,理论推导出变压器匝比取n_1:n_2=1:1即可获得高增益,减小了高频谐振变压器的体积和原边的谐振电流。此外,研究Buck-Boost电感L_b对变换器的软开关特性影响,给出了软开关实现的工作条件。搭建了一台低压侧适用电压20~80V、高压侧适用电压100~400V,双向功率600W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性及方案的可行性。     

基于半桥谐振拓扑的高效高密度兆赫兹RDCX变换器研究

谐振变换器因其软开关特性,很容易实现MHz的开关频率,满足高密度供电模块的效率和密度要求。但是MHz高频谐振拓扑采用调频控制方式存在软开关范围受限的问题。当谐振变换器工作在直流变压器(DCX)时才能充分发挥其高效率高功率密度的优势,但是失去了电压调控能力。因此本文通过在DCX中串联可控电压源的方式实现可调直流变压器(RDCX)。绝大部分输入功率直接通过DCX处理,仅通过小部分输入功率的两级处理实现输出电压调节,保证了电路的高效率和高功率密度优势。文中详细设计了输入电压360V-400V,输出电压12V,满载功率750W的RDCX样机参数,通过实验验证了该RDCX方案的优越性。     

基于基波分析法的车载充电机CLLC谐振变换器参数设计方法

研究一种CLLC直流双向谐振变换器,适用于宽电压增益范围、宽负载范围场合应用。文中从基波分析法的角度,对CLLC谐振变换器的增益特性和阻性边界进行研究。针对传统设计方法在面对非阻性有源负载时存在的不足,提出一种基于参数优化且能保证全局软开关运行的设计方法。搭建一台输入电压640～900V、输出电压200～400V,双向功率5k W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性和参数设计方法的可行性。     

一种双变压器串联谐振软开关推挽电路

针对输出电压与输入电压之比较高的推挽变换器,提出一种双变压器串联谐振软开关推挽电路,以提高其效率。两个推挽变换器的变压器次级串联,并且实现串联谐振软开关。给出了其电路构成及工作原理,推导分析了该电路的工作过程。在此基础上,对该电路与单变压器串联谐振软开关推挽电路作了比较研究。最后研制了12V输入、360V输出、200W功率的DC/DC变换器。通过实验证明,该电路具有较高的效率。     

ISOP型直流变压器的谐振网络分析与设计

为实现低压器件在高压电能变换领域的应用,采用基于模块化ISOP(输入串联输出并联)拓扑的直流变压器技术方案,实现中压直流配电网和低压直流配电网之间电压等级变换和功率双向传输。直流变压器的子单元为全桥子模块拓扑结构,采用串联谐振软开关技术,半导体器件工作在ZVS(零电压开通)和近似ZCS(零电流关断)软开关工作状态,效率高,通过定频同步控制和合理的谐振参数设计,在负载动态变化时实现了输出电压稳定。设计并生产了一台500 kW,±10 kV/750 V直流变压器,试验验证了谐振网络理论分析和参数设计方法的正确性和可行性。     

一种PFM+PWM混合控制的CLLC谐振变换器宽负载范围输出策略

CLLC谐振变换器一般采用开关频率调节(PFM)方式控制输出电压,在最大开关频率受限的情况下输出增益会受到限制。为此提出一种频率+脉宽调节(PFM+PWM)的混合控制方式以实现CLLC变换器的宽负载范围输出。分析了CLLC电路在PWM控制方式下的工作模态,采用时域分析的方法推导出电路中各状态量及增益的表达式,最后搭建了350~420 V输入、200~450 V输出、满载6.6 kW的实验平台,实现了两种模式的混合控制,验证了控制策略的有效性。     

面向智能直流配网的高压大容量直流变压器控制策略研究

基于现有的谐振型CLLC变换器,采用输入级串联输出并联的多模块高压大容量直流变压器,在低压直流侧提供了多样化的直流负载以及分布式电源的接口。与传统的配电网变压器相比,新型直流变压器有助于高渗透率分布式能源的消纳,提高电能质量。本文分析了单个模块中输出功率、输出电压与移相角之间的关系,提出一种利用移相角进行功率均衡的控制策略。并在此基础上,提出了能量双向流动的控制策略,从而实现分布式能源柔性接入和高效利用。最后利用PSCAD仿真软件进行了仿真验证。     

基于多谐波阻抗模型的CLLC谐振变换器轻载多移相控制分析与设计

CLLC谐振变换器具有双向功率传输、自然软开关、宽范围电压输出等优势,但轻载运行时,存在输出电压失调和传输效率降低等问题。文章基于多谐波阻抗模型,对CLLC谐振变换器的多移相控制进行分析,设计适用于轻载运行的双移相控制,有效解决轻载输出电压失调问题,提升轻载功率传输效率。首先,建立CLLC变换器的多谐波阻抗模型,求解多移相控制下的轻载输出电压增益与谐振电流有效值;然后,分析不同移相角对输出电压值和谐振电流值的影响,并据此设计双移相控制,实现可靠的轻载电压增益调节,同时降低轻载运行的损耗;最后,搭建一台21.5V/400V,200W的全桥CLLC谐振变换器实验样机,实验结果证明所提多谐波阻抗模型的正确性和轻载运行下双移相控制的有效性。     

采用定频移相控制的宽输出范围多电平LLC谐振变换器

针对电动汽车车载充电器的后级DC-DC环节,提出一种具备宽输出范围的多电平LLC谐振变换器。该变换器通过增加一组半桥和辅助变压器,构造出高于输入电压的多电平结构,结合定频移相脉宽调制控制,实现两倍电压增益拓展。该方案避免了变频控制下增益范围对谐振参数的制约,简化了参数设计过程。工作于串联谐振点使变换器在整个充电工作过程中均可实现功率管的零电压开关和整流管的零电流开关,有利于系统效率的提升。搭建一台输入380V、功率3.3kW的实验样机,验证所提拓扑与控制方案的可行性。经测试,变换器能为动力电池提供250～420V的充电电压,其峰值效率达到了97.1%。     

基于电压前馈的输入串联输出并联型直流变压器反下垂控制策略

以双有源全桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器为基本功率单元的输入串联输出并联(inputseries-output-parallel,ISOP)型直流变压器(DC solid state transformer,DCSST)十分适用于直流电网互联或大规模新能源汇集等高压大容量应用场合。文中针对现有的反下垂控制方法无法兼顾均压/均流特性与输出电压调整率的缺点,提出了一种电压前馈的反下垂控制方法。通过引入输入电压均值前馈实现了直流变压器输入电压与输出电压的解耦,使得直流变压器在实现均压/均流运行的同时,具有较好的稳压性能。最后,于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了以DAB变换器为基本功率单元的三单元ISOP型直流变压器仿真模型,对所提出的算法进行了对比实验验证。实验结果表明:该方法可以实现直流变压器各模块的传输功率平衡,同时具有较好的稳压性能。     

一种高效率高增益的谐振型直流功率变换器

提出一种高效率高增益的谐振型直流功率变换器。该电路利用耦合电感、开关电容电路及输出串联结构实现高电压增益。耦合电感中的漏感能量由输出端回收,利于提升效率,降低开关管的电压应力。同时借助漏感和开关电容谐振,次级二极管的零电流开关得以实现,从而减小反向恢复的影响。详细分析了高效率高增益谐振型直流功率变换器的工作原理,及连续导通模式下变换器的稳态性能,并借助一台35 V输入、200 V/0.75 A输出的实验样机验证了理论分析的正确性。     

不平衡工况下CLLC型交直流母线接口变换器控制策略

针对交流微电网电压不平衡工况下直流微电网母线电压二倍频脉动问题,提出一种适用于CLLC直流变压器的两级式双向隔离AC/DC母线接口变换器控制策略。首先,对不平衡工况下交直流母线接口变换器功率传输特性进行分析,并设计抑制交流侧负序电流的控制策略。其次,建立CLLC直流变压器的基波等效模型,并分析其电压增益和输入阻抗特性。在此基础上,考虑不平衡工况下CLLC直流变压器输入电压脉动特点,对CLLC直流变压器进行了参数优化设计并提出了基于脉动电压前馈的控制策略以抑制直流母线电压脉动。最后,通过Matlab/Simulink进行仿真,结果表明,采用所提控制策略,在交流母线电压平衡及不平衡工况下均能保证三相电流平衡的同时抑制直流母线电压脉动。     

一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器

针对车载DC-DC变换器输入电压变化范围大的问题,提出一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器。该变换器包括飞跨电容(FC)型三电平Buck电路和LLC谐振电路两部分,FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联,通过控制FC三电平Buck电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围,同时三电平结构降低了开关管电压应力、减小了损耗;LLC谐振电路传输负载所需全部功率,采用定频开环控制以获得高效率和稳定增益,同时实现了电气隔离。详细分析了组合式变换器的拓扑结构、直流增益以及工作效率,并与相同电路构成的级联式变换器进行了效率特性对比,根据组合式变换器的拓扑结构和工作特性,提出一种解耦控制策略,实现输出电压稳定和飞跨电容电压平衡,最后搭建了一个200～400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路进行验证,实验结果表明所提组合式变换器的正确性和可行性。     

串联谐振电流源高频链正弦波逆变器的工作原理和控制方法

提出一种新型的串联谐振电流源模式隔离的高频链正弦波逆变器拓扑结构,详细介绍了其工作原理。结合该逆变器的控制难点,采用适于该逆变器拓扑运行特色的控制策略及四象限逻辑组合方式,并给出了谐振槽的参数确定方法。在48V直流输入、220V/50Hz交流输出的1kW实验样机上进行实验,实验结果验证了该逆变器控制方案及实施方法的正确性。同时通过周波变换器结构的变形,构成了各具特色的拓扑簇。     

基于直流充电桩的双向谐振变换电路的研究

双向DC/DC变换器作为新能源汽车直流充电桩的重要组成部分,需要具有电能双向流动等特点,一般采用电容-电感-电感-电容(CLLC)双向谐振电路。针对CLLC双向谐振电路在DC/DC变换器的应用中易受到负载扰动导致输出电压不稳定的问题,结合CLLC双向谐振变换电路的系统模型,设计了模型辅助线性自抗扰控制直流充电桩充电系统,仿真和实验结果证明该控制下的CLLC谐振变换电路具有动态性能好,电压稳定性高的优点,在直流充电桩中具有广阔的应用前景。     

一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器

随着蓄能锂电池恒流充电方式的普及,针对双向车载充电机中传统电压源直流变换器不具备自然恒流输出问题,提出一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器,其由LCL-T谐振结合三电平级联中性点箝位有源桥构成。由于耦合变压器级联的特殊方式,有源桥各子桥臂可独立或并行工作,据此可设计不同的调制方式控制谐振腔输入电压,建立变换器一倍、二倍准恒流模式。为实现双向功率传输特性一致,谐振腔器件参数采用对称设计,进而研究了一种受归一化频率f_n、品质因数Q控制的LCL-T谐振准恒流输出,并考虑无功功率控制和实现开关管零电压开通,设计满足给定准恒流输出精度的输出工况筛选算法。最后通过所搭建的仿真平台和实验样机证明所提变换器在各模式下均能实现给定精度内的准恒流输出。     

一种隔离型变结构多谐振直流变换器

随着直流配用电技术的发展,直流变压器技术开始备受关注,其效率和功率密度是目前主要的技术难题,为此需要从电力电子功率变换拓扑角度出发研究多工况、宽电压范围适用的高频、高效软开关拓扑。文中提出了一种可变结构多模式运行的隔离型多谐振直流变换器。该变换器采用辅助开关控制谐振腔,从而在不同应用场景下表现出自适应谐振特性。当系统输入电压较低时,采用双变压器多谐振拓扑结构,以获得较高的电压增益;而在额定状态下则采用五元件多谐振拓扑结构运行,实现高效率。得益于变结构多模式运行拓扑结构,该变换器具有较宽的电压增益范围,并能够始终保持较高的效率。这些特点使该变换器非常适合应用于直流配用电系统。文中在电路特性分析的基础上,制作样机并完成了实验验证。输入电压范围为80～600 V,输出电压为400 V,变换器峰值效率达到97.5%。     

基于LLC谐振的宽电压输出电源的研究

针对传统LLC谐振变换器输出电压受负载和输入电压变化的影响较大,调节范围窄等缺点,提出了在变换器前端加入Boost电路,同时在变压器原边串联适当大小的电感来设计一种适用于宽范围可调的输出电压源。通过交流等效模型,分析了电路的直流增益特性,对谐振变换器的频率响应和其对电路参数设计的影响进行了分析,在理论分析的基础上进行了仿真验证和实验,给出了仿真和实验结果。     

一种用于电-氢多能互补型微电网的双有源桥集成Boost拓扑及其控制

该文提出一种双有源桥(DAB)集成Boost变换器拓扑,并对其在PWM+移相控制方式下的工作原理和软开关情况进行分析.对多个该变换器进行串并联组合,得到可应用于电-氢多能互补型微电网中高电压等级直流母线与制氢电解槽之间的DC-DC环节的输入串联-输出并联(ISOP)型直流变压器.通过输出电压环、输入稳压环和输入均压环的联合控制,ISOP型直流变压器可以实现在串联侧的电压均衡、并联侧的电压稳定以及各子模块变压器一次、二次电压匹配.在理论分析的基础上搭建以STM32+FPGA为核心控制器的实验样机,验证了所提出的电路拓扑的正确性及控制策略的有效性.