基于GaN的开关线性复合高速随动脉冲负载直流变换器

有源相控阵雷达发射机收发组件工作在高频脉冲负载模式,这对其供电电源的负载动态性能提出了很高要求。该文针对高速负载切换的二次DC-DC电源,提出开关线性复合并联结构的脉冲负载变换器及其相应的控制策略。基于器件级环路建模的方法有效提升了线性稳压电路的环路带宽,使其进行快速功率跟踪,并设计基于GaN的低阻抗交错并联Buck变换器,使其以较快的速度高效地提供主要脉冲功率。针对重复频率50 kHz、峰值功率120 W的高频模拟雷达脉冲负载,该文搭建脉冲电流上升下降时间50 ns以内的脉冲电源原理样机,输出电压跌落小于5%。实验结果表明所提方法能够有效改善脉冲电源的动态性能。

临界电流模式图腾柱无桥功率因数校正换相谐振抑制

工作于临界电流模式下的图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路因其无整流桥损耗、电感体积小、易于实现软开关而得到广泛关注。然而,在输入电压过零点处,工频管之间的换相时刻,电感会与工频管的结电容产生谐振,相应地,电感电流和直流母线电压因此会存在高频振荡。电感电流振荡会加剧输入电流畸变程度,而母线电压上的高频尖峰由于振荡频率高,后级DC-DC变换器难以抑制而传递至负载,导致敏感负载无法正常工作。该文分析线性开关在主动栅极电路中抑制振荡的工作原理,基于线性开关的特性提出三电平驱动方式来抑制图腾柱无桥PFC换相谐振,降低输入电流总谐波畸变率(THD)的同时实现对直流母线的高频尖峰的抑制,在2kW满载工况下,将输入电流THD降低1%,母线电压尖峰高频分量峰值由2.83V减小至0.01 V以下。实验结果表明,该文所提出的三电平驱动方式可以有效抑制临界电流模式图腾柱无桥PFC的换相谐振。

采用环形变压器的小功率隔离型DC-DC变换器共模电磁干扰噪声建模与抑制

环形变压器具有隔离电容小、易于实现印制电路板(PCB)和集成电路(IC)等优点,在小功率隔离DC-DC变换器设计中的应用日益广泛。实际产品设计中,针对共模EMI噪声的准确预测和有效抑制是至关重要的,而变压器是隔离变换器共模EMI噪声的主要传播通路。然而,目前鲜有针对环形变压器共模电磁干扰(EMI)特性的相关研究,也缺乏针对性的噪声抑制方法。该文针对多种常见于小功率隔离型DC-DC变换器应用的环形变压器对称绕组结构,推导证明其具有统一的对称共模等效集总电容模型。该模型的参数易于获取,且可直接用于预测共模EMI噪声。分析了常用隔离变换器拓扑采用环形变压器时的共模噪声特性,同时给出噪声预测方法,并经实验验证了模型的正确性和有效性。此外,还提出多种环形变压器的共模EMI噪声抑制方法并加以分析,所提方法已在两台样机上得到验证,共模噪声的抑制效果显著。

基于高压SiC MOSFET模块桥式电路串扰抑制

碳化硅(SiC)器件开关速度快,在高压条件下串扰现象明显,串扰尖峰容易引起桥臂直通,损坏器件。此处基于桥式电路,考虑了SiC寄生参数的影响,分析了桥臂串扰现象的原因。提出了一种有源箝位的电路,可以有效抑制桥臂串扰尖峰,并且可以减小驱动电阻,减小开关损耗。此处搭建了桥式电路实验平台,通过实验验证了该方案的有效性。在相同电阻条件下可以减小62%串扰尖峰。

一种新颖的四开关Buck-Boost变换器

提出一种新颖的四开关Buck-Boost变换器及其控制策略。该变换器由Buck变换器和Boost变换器级联等效而成,其可以将宽范围的输入电压高效率变换到额定电压附近,这样对后级变换器而言输入就是一个窄范围,从而保证了后级变换器的优化设计;与此同时,四开关Buck-Boost变换器的滤波工作模式还保证了额定输入电压附近效率的最高。实验结果表明:采用文中提出的四开关Buck-Boost变换器作为前级的两级式变换器可以满足未来通信电源模块高效率、高功率密度以及宽输入范围的要求。

双沿调制的四开关Buck-Boost变换器

与传统的Buck—Boost变换器相比，四开关Buck—Boost变换器具有输入输出同极性、开关管电压应力低等优点。该文针对四开关Buck—Boost变换器在通信电源分布式系统中的应用，提出三模式双频双沿调制的控制策略。该控制策略将变换器分成Buck单元和Boost单元，此两单元分别采用后沿调制和前沿调制，并且在Buck—Boost工作模式时，开关频率由Buck以及Boost模式的200kHz降到40kHz，以提高变换器的效率。实验室制作了一台48V（33-75V）输入48V／6．25A的样机，对所提出的控制策略进行验证。试验结果表明所得结论正确。

损耗最小化输出滤波电感的设计

在开关电源中,输出滤波电感有储能和平滑滤波输出电压的重要作用。传统设计方法是以临界连续电流为依据根据经验选取输出滤波电感值。这种方法的缺点是没有严格考虑输出电感上电流脉动对变换器的影响,而电感电流脉动量直接影响输出电压的质量、输出电感的制作及电源整体工作的可靠性。该文基于电感电流脉动对变换器的影响,提出了一种损耗最小化的输出电感设计方法,并以Buck变换器为例进行了实验验证。

输入串联输出准并联的多路输出变换器

采用多路输出直流变换器的服务器电源架构具有较好的效率优势。提出一种应用于该电源架构中的输入串联输出准并联的多路输出变换器。该多路输出变换器由一个DCX和一个辅助变换器组成,其中DCX处理大部分输出功率,辅助变换器仅处理小部分功率,并用来稳定DCX的其中一路输出电压。给出DCX和辅助变换器的电路拓扑选取依据,并提出变换器的软启动控制策略。最后,以输入串联输出准并联的双路输出LLC变换器和双管正激变换器为例,设计一台500W原理样机,进行实验验证。实验结果表明,所提出ISOq P多路输出变换器及其控制策略具有可行性,变换器具有较高的效率,有利于提高服务器电源的整体变换效率。

一种快速动态响应低电压纹波功率因数校正变换器的控制策略

功率因数校正(PFC)变换器的输出侧并联有源储能单元,可有效抑制PFC变换器输出侧的二次纹波。以采用Buck型有源储能单元的三相交错并联Boost PFC变换器为研究对象,对其控制策略进行研究。首先,为弥补传统Boost PFC双闭环控制中电流参考畸变与电压外环动态响应差的不足,提出基于生成正弦基准的Boost PFC双前馈控制策略,改善了负载和输入电压瞬变条件下输出电压的稳定性,并加快了切相速度。进而,提出一种有源储能单元的自适应控制策略,该方法在满足电压纹波要求的前提下,考虑负载、输入电压频率与PFC输出电容对有源储能单元电流参考的影响,以达到有源储能单元控制简化和效率优化的目的。最后,基于一台1.3kW原理样机的实验结果验证了所提控制策略的有效性。

基于虚拟阻抗的LLC谐振变换器并联均流控制

近年来,LLC谐振变换器因其优越的性能得到了广泛的应用。LLC谐振变换器并联结构对于低压大电流的场合十分适用。但是难点在于模块间的均流,谐振网络参数的微小差异就可能引起较大的模块电流不平衡。从阻抗的角度出发,利用虚拟阻抗来模拟谐振网络串联阻抗,通过该串联阻抗来调整等效输出阻抗,从而获得均流特性的改善。以两路并联LLC模块为例,给出基于虚拟阻抗的控制框图和实现方法。最后,利用DSP数字控制,搭建一台400V输入、12V/80A输出的两路并联LLC谐振变换器原理样机,实验结果表明,所提控制方法可在全负载范围内将输出电流不平衡度减小在5%之内,验证了该方法的有效性。

适用于高压输入低压输出的两级式变换器

超大规模集成电路的飞速发展给其供电器提出了越来越高的要求,传统的变换器不再能够满足这些要求。为此,该文提出了一种隔离式变换器和非隔离式变换器相结合两级式结构。该结构解决了传统变换器在此类模块设计中遇到的占空比失控、变压器绕组之间耦合欠佳等问题,尤其适合于高功率密度、高可靠性的低压大电流输出的小功率模块。该文在分析了这种变换器的稳定性基础上,采用该拓扑结构试制了一台33-75V输入、5V/10A输出的原理样机,给出了实验结果。

氮化镓功率晶体管三电平驱动技术

作为第三代半导体材料的典型代表,宽禁带半导体氮化镓(GaN)材料具有许多硅材料所不具备的优异性能,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,无论在民用或是军事领域都具有广阔的应用前景。随着GaN技术的进步,大直径硅(Si)基GaN外延技术逐步成熟并向商用化方向发展。2010年以来,多家国际著名半导体厂商相继推出GaN功率晶体管器件。与硅半导体功率器件一样,合理的驱动方式也是GaN功率晶体管优越性能得以体现的重要保障。本文将以GaN功率器件在同步整流Buck变换器中的应用为例,提出一种三电平的驱动方式,以充分发挥GaN功率晶体管器件的优越性。实验结果表明,本文提出的三电平驱动方式可以有效提高变换器的效率。

工科本科留学生专业基础课程教学方法

本科留学生课堂教学作为留学生教育的主体受到越来越广泛的关注。由于本科留学生复杂的教育背景,国内现有统招生的教育模式无法直接沿用。如何兼顾参差的基础、结合留学生的特点提高课堂教学效率成为一个重要课题。留学生教学水平也成为国际化教育的重要标志,成为专业认证的一个重要因素。本文主要探讨了工科本科留学生专业基础课程的教学方法。

电动汽车高效率无线充电技术的研究进展

发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求,而无线供电(WPT)是未来电动汽车(EV)供电技术的发展趋势。本文介绍了目前常用的三种WPT技术,指出电磁感应式WPT和电磁共振式WPT因为相对效率较高,更适合于EV充电。针对WPT系统,结合高效变换的目的,从拓扑、控制及变压器角度,对目前EV用WPT技术进行了分析,指出非接触变压器成为制约EV用WPT系统高效能量传递的主要瓶颈,进而对变压器高效化需要解决的主要问题和相关研究展开讨论。对于感应式WPT技术,本文就变压器低耦合系数问题和移动充电系统中的"磁通分布不均"问题,进行了相关技术介绍,并提供了解决思路;对于共振式WPT技术,介绍了其研究进展,指出该技术为中等距离的高效能量传输提供了全新的思路,但仍然存在许多技术盲点。

集肤和邻近效应对平面磁性元件绕组损耗影响的分析

提高磁性元件的工作频率,可以减少磁性元件的大小。但是随着工作频率的提高,集肤和邻近效应使绕组的损耗增加。文中基于磁性元件绕组的一维模型,对平面磁性元件绕组中的涡流效应进行分析。利用一维条件下,集肤和邻近效应的正交性,得出了集肤和邻近效应各自产生的损耗随绕组厚度和频率的变化趋势,指出简单地把厚绕组分割为薄绕组的并联不能减少绕组的损耗;同时分析利用原副边绕组交叉换位技术减少变压器绕组损耗的原理。通过有限元分析软件和实验证实分析结果的正确性和有效性。

S/SP非接触谐振变换器的时域特性分析

S/SP非接触谐振变换器因为对系统参数变化尤其是变压器的耦合系数变化不太敏感,具有良好的应用前景。但该变换器中主要波形谐波含量较大,导致基波分析方法误差较大,直接影响到变换器的参数设计以及控制的有效性。为此论文对变换器的时域特性展开研究。论文考虑谐波影响,推导谐振网络的通用等效电路,揭示谐波产生的原因,建立谐振腔各波形的定量表达式。在时域波形分析的基础上,论文进一步研究变换器的输出增益特性,推导精确的电压增益并指出基波分析方法结果偏大的原因。最后,设计一台1.5 k W的S/SP非接触谐振变换器,特征波形、电压增益的实验与分析结果吻合良好,验证了论文所采用的时域特性分析方法的正确性。

航空Vienna整流器故障诊断与容错控制

Vienna整流器因其高效率、高功率密度等优点得到广泛的关注,为满足航空应用中高可靠性的要求,研究Vienna整流器故障诊断和容错控制非常有必要。该文通过分析Vienna整流器在单个开关管开路故障情况下输入电流的特点,首先提出一种基于固定相位电流变化率的故障诊断方案;然后对等效空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式下故障情况的矢量特性进行分析,提出一种通过矢量替代与合成,实现在大部分区域维持三电平运行,小部分区域转化为不控整流运行的容错控制策略;最后通过仿真和实验验证了所提策略的可行性。

基于改进恒导通时间控制的临界连续导通模式Boost功率因数校正变换器

为改善临界连续导通模式(BCM)Boost功率因数校正(PFC)变换器输入电流总谐波畸变率(THD),该文提出一种改进恒导通时间(COT)控制,分析改进COT控制对输入电流THD和变换器效率的影响;通过改进电流过零检测(ZCD)电路实现电感电流过零信号的提前检测,补偿信号传播延时的影响,缩短甚至消除反向谐振过程,改善输入电流THD的同时不增加控制的复杂度。最后,该文搭建一台160W BCM Boost PFC变换器实验样机,验证所提改进COT控制的可行性和有效性。

改进型回转器-电容非线性磁心仿真模型

回转器-电容模型因具有建模方便、电磁信息完整、适于电-磁系统混合仿真等优点而适于仿真建模。本文提出的改进回转器-电容磁心模型,用非线性电阻来模拟磁滞特性,用非线性电容来模拟饱和特性。文中给出模型方程、模型参数计算及优化方法。仿真结果与手册中B-H曲线的一致性证明了建模方法的有效性。模型应用于400kHz Buck变换器及采用磁放大器的多路输出电源的系统仿真中,仿真结果与实验结果或者理论分析结果相一致,证明了所提模型的有效性。

两级式逆变器中前级直流变换器的控制方法

兼顾二次谐波电流抑制和动态性能改善是两级式逆变器中前级直流变换器的基本控制目标。该文从阻抗的观点出发,指出使前级直流变换器的闭环输出阻抗在二倍输出电压频率处呈现高阻抗,而在非二倍输出电压频率处呈现低阻抗是实现此控制目标的基本方法。采用与前级直流变换器的输出阻抗串联虚拟阻抗,并同时与中间母线电容并联虚拟阻抗的方法,实现了所提出的基本方法,并以Buck类的前级直流变换器为例,给出实现虚拟串联阻抗和虚拟并联阻抗的控制框图。通过对该控制框图进行等效变换,可推导得到现有文献中已提出的二次谐波电流抑制方法。最后,研制一台1 k VA原理样机,并通过理论分析和实验验证对这些不同控制方法的二次谐波电流抑制效果及对系统动态性能的改善作用进行对比。实验结果证明了理论分析的正确性。