基于相互解耦四单极接收线圈的电动汽车无线充电系统的互操作性

近年来电动汽车发展迅速,而传统的有线充电方式不能满足自动化和便利性的要求。电动汽车无线充电技术因其便利性和安全性受到广泛的研究。无线充电系统中常见的线圈结构有单极型线圈、双极型线圈和田字形线圈,由于不同厂商的适配问题,要兼容这些线圈则需要设计一种新型的线圈来实现互操作性。该文提出了一种新型的相互解耦的四单极接收线圈结构,能实现与不同发射线圈之间的互操作性。通过在接收线圈内部添加解耦绕组以实现4个接收线圈之间的解耦,并且通过串联二极管整流器使得发射线圈和四单极接收线圈之间的等效总互感是发射线圈和4个单极线圈之间的互感绝对值的总和。搭建了一套实验样机,验证了该方案的有效性,所提出的四单极接收线圈可以兼容单极型和双极型线圈以及田字形线圈,实现对不同接收线圈的互操作性。

基于磁耦合电动汽车无线电能传输教学实训平台研究与实践

针对目前无线电能传输教学实训平台理论教学与实训脱节,使得学生对无线电能传输运行机理的认识不够深入。为激发学生学习兴趣,增强教学效果,以电动汽车无线电能传输为应用背景,对传统无线电能传输系统架构进行设计。基于基波等效法和基尔霍夫电压定律建立无线电能传输的几种典型结构数学模型,分析在谐振状态下不同结构的输出电压、电流、功率以及传输效率等特性。介绍无线电能传输教学实训平台的搭建过程,包括逆变器、整流器、磁耦合结构的设计和利兹线的计算选择等。在教学实训平台验证了几种典型无线电能传输结构的工作特性,使学生增强电力电子实践能力的同时对无线电能传输系统有更深入的认识。

I型三电平储能变流器设计

随着新能源发电的快速发展,新能源发电输出功率的间歇性和不确定性问题日益突出,为增强电网对新能源的消纳能力,设计了1台I型三电平储能变流器。在深入分析其工作原理的基础上,构建了数学模型并给出了恒流充放电控制策略。针对三电平储能变流器中点电位不平衡的问题,提出了带可变分配因子的空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)算法以实现对中点电位波动的快速响应。样机实验结果表明,在恒流充放电控制策略下,样机在并网工况下具有良好的稳态和暂态性能,所采用的带可变分配因子的SVPWM算法能快速抑制中点电位波动且抑制效果明显。

基于磁粉芯的小型化磁耦合VRM设计

针对传统采用铁氧体磁芯的电压调节模块(VRM)耦合电感体积较大的问题,采用饱和磁密更大的磁粉芯作为磁芯材料,减小磁件体积,提出基于磁粉芯的VRM耦合电感设计方案和流程。最后,依据设计参数搭建了1台磁耦合VRM样机,样机模组部分的电流密度达0.5 A/mm 2,电感总高度仅5 mm,性能良好。实例验证所提方案和设计流程正确有效,能实现VRM耦合电感的小型化和低截面。

断续模式下的半无桥Boost PFC变换器设计

半无桥Boost功率因数校正(PFC)变换器凭借其桥臂无直通风险的优势,广泛应用于军工、医疗等高可靠性应用场合。电流断续模式(DCM)下,Boost PFC变换器具有零电流开通、二极管无反向恢复等优点。针对传统控制方式下输入电压过高导致的电流畸变和功率因数降低等问题,首先在恒定占空比控制的基础上详细推导了变占空比的控制方式,从而在全范围内提高功率因数。其次,为解决传统的半无桥Boost PFC变换器使用2个功率电感带来的系统体积、占板面积大等问题,采用完全解耦的磁集成方式来提高功率密度。最后,搭建了1台150 W基于完全解耦磁集成的半无桥Boost PFC变换器,实验验证了所提方案的有效性。

自适应正负序复合控制的VSG低电压穿越策略

为了解决分布式新能源渗透率提高带来电网的系统等效阻尼和惯性降低的问题,一些学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略。为了能够抑制电网电压不对称跌落时电网电流中的负序分量,VSG多采用基于两相旋转坐标系下d-q轴的正负序复合控制;但是正负序分离的延时恶化了故障发生和恢复时VSG输出电流的过渡过程,造成VSG过流风险增加。针对此问题,文中首先分析了电网电压对称和不对称跌落故障时电网电压等效幅值波形的特点,并据此提出了一种自动识别出故障类型,实现自适应正负序复合控制的VSG低电压穿越策略,不仅能抑制不对称故障时输出电流中的负序分量,还减小了正负序分离的延时影响和VSG出现暂态过流的可能性,使故障发生和恢复时VSG输出电流的过渡过程更加平滑。最后通过搭建仿真系统验证了文中所提方法的可行性。

基于噪声源阻抗提取的EMI滤波器高效设计方法

针对传统EMI滤波器设计方法存在单次设计不准确、多次设计调试周期长的问题,提出一种基于噪声源阻抗提取的EMI滤波器高效设计新方法。首先通过插入无源二端口网络准确、迅速地获得噪声源阻抗幅值和相位;其次依据阻抗失配原则进行EMI滤波器拓扑选择;然后综合考虑噪声源阻抗、LISN端等效负载阻抗以及EMI滤波器高频分布参数对滤波器插入损耗的影响,令滤波器的理论插入损耗等于传导EMI测试频段范围内所需的插入损耗,得到滤波器各元件准确参数,实现了EMI滤波器精确设计。最后,通过一台LED驱动电源进行实验,结果表明一次设计即可满足预期效果,验证了所提方法的准确性和高效性。

基于插入无源二端口网络的噪声源阻抗提取方法研究

为了使电磁干扰(EMI)滤波器设计达到预期的插入损耗(IL),实现良好噪声抑制效果,需要考虑噪声源阻抗的影响。电压插入损耗法仅能获得噪声源阻抗幅值的范围,且无法求解相位。针对上述问题,在不增加实验设备的前提下,提出基于插入无源二端口网络的噪声源阻抗提取方法。该方法通过在被测设备(EUT)与线性阻抗稳定网络(LISN)之间插入3个不同的无源二端口网络,建立关于噪声源阻抗实部和虚部的二元二次方程组,再结合EMI测试频段范围内实验测量的有效频点噪声电流,以实现噪声源阻抗幅值和相位的精确计算。以一台工业照明LED驱动电源为测试对象,对该方法的有效性和适用性进行了验证。实验结果表明,相较于电压插入损耗法,所提方法能够准确地提取全频段(9kHz~30MHz)噪声源阻抗幅值的精确值,并且能够得到噪声源阻抗相位,从而可以预测EMI噪声电流,为设计性能优良的EMI滤波器提供精确理论基础。

基于SiC的图腾柱无桥PFC电路过零点电流尖峰研究

虽然基于SiC的图腾柱无桥功率因素校正(PFC)电路性能优,但仍存在固有的过零点电流尖峰的问题。为抑制过零点电流尖峰,在深入分析图腾柱无桥PFC电路过零点电流尖峰基础上,提出在过零点附近过渡区间插入基于数字控制的新电流尖峰抑制电路。新控制策略包含在过零点前插入实现快切换桥臂开关管软启动的控制,和过零点后采用增强PI控制器的控制。为实现平滑软启动,进一步提出基于实时电流闭环PI反馈的软启动策略。新控制策略电路模态少,控制简单有效,实现容易。

基于EKF算法的动力锂离子电池SOC估计

为了解决新能源汽车中动力锂离子电池荷电状态(SOC)难以精确估计与预测的问题,首先选用二阶RC等效电路模型对锂离子电池进行建模,运用MATLAB/cftool工具箱和遗忘因子递推最小二乘法(FFRLS)两种方法对锂电池模型参数进行辨识。其次,通过扩展卡尔曼滤波(EKF)算法来提高SOC的估计精度。最后,搭建了电池管理系统(BMS)实验平台,在美国联邦城市驾驶工况(FUDS)下仿真和实验。仿真和实验结果表明FFRLS方法相较于利用cftool工具箱的参数辨识方法能够提高锂离子电池模型精度,且SOC估计精度高、收敛速度快,验证了锂离子电池二阶RC等效电路模型结合EKF算法估计锂离子电池SOC的准确性和有效性。

基于GaN器件的高效图腾柱无桥PFC电路设计

GaN器件因其良好的开关性能被广泛应用于图腾柱无桥PFC电路。在电感电流临界连续模式(CRM)下,图腾柱无桥PFC通过合理的控制可以实现开关管全输入电压范围软开关。针对传统电流过零检测(ZCD)电路的控制方式存在控制时序复杂的问题,提出了一种基于电流状态检测电路的软开关控制策略,降低控制的复杂程度;采用交错并联结构降低EMI滤波器的设计压力;并利用解耦磁集成技术将两相电路的功率电感进行磁集成。最终,搭建了一台3000 W基于GaN器件的交错并联图腾柱无桥PFC整流器,通过实验验证了所提电路设计方案的有效性。

基于LLC谐振变换器的LED混合调光控制策略研究

为实现大功率LED驱动电源宽范围调光,需要解决LLC谐振变换器轻载下增益失调问题。结合恒定频率变占空比非对称脉宽调制(APWM)控制的LLC谐振变换器存在可以降压控制区域的特点,提出分段混合控制新型调光策略。重载时,LLC谐振变换器采用脉冲频率调制(PFM)控制;轻载时,LLC谐振变换器则采用占空比小于0.5的APWM控制。搭建了一台额定输出功率1440 W,输出电压30~48 V的大功率LED驱动电源样机,实验表明样机调光范围宽、调光速度快,轻载时电流纹波小、工作稳定,验证了所提策略的正确有效性。

I型三电平PCS中点电位平衡控制技术

针对I型三电平储能变流器(PCS)固有存在的中点电位不平衡问题,基于空间矢量调制方式分析了中点电位不平衡原理,提出结合七段式和五段式的混合调制策略。在中点电位偏移较大时,采用带可变平衡因子的七段式空间矢量脉宽调制(SVPWM),迅速调节中点电位;在中点电位偏移较小时,采用大电流不开关五段式SVPWM,有效减少开关管开关次数,降低损耗。搭建1台12 kW PCS样机,实验结果表明,所提混合调制策略相较于传统七段式调制策略,中点电位偏移以及波动降低,且样机效率提升了约0.3%。同时,验证了所提混合调制策略的正确性和有效性。

开关电源高频平面变压器并联PCB线圈交流损耗建模及分析

并联PCB线圈可很好克服厚导体交流损耗大的不足,提高高频平面变压器的载流能力,但由于并联PCB线圈并联层间特有的环流效应,线圈设计变得十分复杂。通过建立并联PCB线圈交流损耗模型,对并联层间环流的产生机理及影响因素进行了深入分析。结果表明,电流频率、原副边线圈交叉换位与组内线圈交错、PCB厚度以及绝缘层厚度等对环流/线圈交流损耗均有很大影响。分析结果和系统化实现的模型为设计提供了方法和指导。实验验证了损耗模型的正确性。

单相非隔离型并网光伏逆变器研制

针对输入宽范围光伏电池电压,提出了一个采用准两级式主电路拓扑和双CPU控制的单相非隔离并网逆变器系统方案,并建立基于Simulink的光伏发电系统仿真模型。其中,为满足宽电压范围光伏电池的最大功率跟踪MPPT,系统的MPPT放在单相逆变桥级实现。仿真和实验结果表明,样机性能指标优良,系统采用的改进变步长扰动观察法可以减小MPPT时的振荡,采用基于电感安匝特性曲线插值求电感的方法,可以有效满足无差拍并网电流控制对输出滤波电感模型精度要求较高的特点,克服粉芯类磁芯电感随电流变化大的缺点。

反激式变换器的后级稳压磁放大器双向复位

磁放大器后级稳压技术广泛应用于改善多路输出功率变换器的交叉调整率。在深入分析磁放大器存在控制死区现象、原因及影响因素基础上,提出一种可以控制死区时间的磁放大器双向复位控制思想及其实现电路,并给出相应的设计指导原则。新控制方法不仅简单,而且可以有效减小死区时间,从而改善极端负载条件下磁放大器的控制死区对多路输出反激式变换器辅输出电压的影响,进而提高主输出的负载可变范围和辅输出的稳压性能。制作了一台三路输出(5V/3A、9V/2A、6V/2A)的反激式变换器实验样机,实验结果验证了新方案的有效性。

高频开关电源中间抽头变压器线圈损耗的建模及其应用

中间抽头变压器由于两个副边线圈是分时工作,其线圈损耗模型不同于无抽头原副边线圈同时工作的变压器。本文采用线圈电流谐波分解和线圈窗口磁势分析的方法对中间抽头变压器线圈损耗进行建模和分析,结果表明变压器奇次电流的磁势在原副边线圈间平衡,偶次电流的磁势在副边两个线圈间平衡。该模型的建立有助于中间抽头变压器线圈的优化设计,中间抽头引出线设计以及线圈损耗的测量。在一个3kW变压器设计上的应用验证了模型的有效指导意义。

开关电源高频功率平面变压器串并混联PCB线圈交流损耗模型

并联PCB线圈为高频大电流高功率密度开关电源平面变压器重要线圈结构之一,但其载流能力与线圈的设计、变化多端的连接方式以及工作条件等诸多因素有很大关系,必须通过建立线圈损耗模型才能够进行深入系统分析,并得到较优化的设计结果。基于由并联PCB线圈导体层所构成回路的电压平衡原理,结合涡流场场控方程建立了具有串并混联的长形与环形并联PCB线圈交流损耗解析模型。实验验证了交流损耗模型的正确性,并具有足够高的工程精度。

开关电源高频功率平面变压器热设计研究

高功率密度要求和高频下涡流损耗(包括磁芯和线圈的涡流损耗)的急剧增大对高频功率平面变压器的热设计带来巨大挑战。通过分析平面变压器热传递特性,提出一种可分别计算线圈和磁芯温升的热模型及其建模方法。此外,根据铁氧体磁芯的损耗温度特性,还提出一种平面变压器温度设计准则。实验证明提出的热模型具有足够高的工程精度,而提出的温度设计准则可使变压器具有良好的热稳定性,从而改善了平面变压器热性能。

基于DQD型磁耦合机构的AGV抗偏移无线电能传输系统

针对自动引导车(AGV)在进行无线电能传输(WPT)的过程中由于线圈偏移导致耦合系数波动以及传统磁耦合机构成本、重量高的问题,提出一种基于DQD型磁耦合机构的WPT系统。首先通过Maxwell有限元仿真软件对DQD型磁耦合机构进行了建模分析,验证了所提磁芯层结构能够较大程度地节省磁芯用量,同时保留原本的耦合系数。其次,推导了基于LCC-S补偿拓扑的WPT系统输出特性,验证了优化抗偏移性能的必要性。最后,搭建了实验平台,实测与仿真结果基本一致,证明了DQD型磁耦合机构具备良好的抗偏移性能,验证了所提方案的可行性。