高增益耦合电感组合Boost-Cuk变换器

为了解决传统变换器电压增益低的问题,将Boost变换器与Cuk变换器进行并联集成,并利用耦合电感倍压技术提高变换器的电压增益。设计而成的高增益耦合电感组合Boost-Cuk变换器保留了Cuk变换器输出电流的连续性,新型结构中使用无源钳位来吸收漏感能量,对寄生电容与漏感谐振引起的电压尖峰起到约束作用,降低了开关管的电压应力。描述了变换器电感电流连续模式(Continuous current mode,CCM)下的运行特点,并进行了该变换器的参数设计。最后,通过搭建一台100 W的试验样机来求证理论的正确性。

新型高增益耦合电感二次型变换器

将开关-耦合电感单元引入二次型变换器,采用一个耦合电感和两个独立电感,在开关管关断时,电感为电容充电;导通时,利用电容为负载供电。与传统变换器相比,所提出的变换器采用更少的器件,能得到高电压增益效果与低占空比。采用了降低电压应力的电容,二极管和半导体开关,开关管应力更低。提出了稳态和比较性能分析,制作了一台140W实验平台,给出实验数据与结论,验证了理论分析的正确性。

耦合电感倍压解耦磁集成高电压增益变换器

为实现更高的电压增益,提出一种耦合电感倍压解耦磁集成高电压增益变换器。该变换器通过设计耦合电感匝数比和调节占空比来实现高电压增益,采用磁集成磁件设计方案,减少了变换器磁件的体积和数量。该文首先分析变换器器件的应力,给出变换器电压增益与占空比之间的变化关系;然后,利用磁路-电路对偶分析法推导得到耦合电感与输入电感解耦集成磁件的磁路模型,获得了输入电感与耦合电感之间的解耦磁集成设计准则;最后,搭建一台额定功率为300W的实验样机,对所提出的变换器和解耦集成磁件设计理论进行实验验证,验证了理论的正确性。变换器的效率达到93%以上,在光伏发电系统中具有一定的实用性。

磁集成变换器耦合电感电流纹波研究

为了减小变换器中电感电流纹波,研究耦合磁集成对电流纹波大小的影响,从耦合电感数学模型角度出发,建立两相耦合电感的通用集成模型。根据数学模型分析了影响电流纹波的各个影响因素以及各个参数的限制条件,系统分析了两电感电压比为常数和电感电压比为时间数两种情况下,不同的占空比、相位角以及耦合系数对电感电流纹波的变化规律,给出了不同情况下的电感电流纹波的计算方法以及设计准则。对上述两种情况进行了仿真验证,通过设置特定的仿真参数,对比理论分析结果验证了原理分析的正确性。最后,以两种不同变换器为例,验证了磁集成纹波分析的正确性。

磁集成高增益耦合电感组合Sepic变换器

为使直流变换器获得更高的电压增益,采用电路分析方法,将耦合电感倍压单元引入到组合式Sepic变换器,同时将两个储能电感与耦合电感进行磁集成,提出一种带有耦合电感的磁集成高增益组合Sepic拓扑直流变换器。分析了变换器的工作原理,给出了变换器各个工作模态,推导并求解得到变换器的电压增益表达式,同时获得了开关管的电压应力。研究结果表明:变换器耦合电感电流纹波与电感量比、电感耦合度有关,在耦合电感的电感量比为1及全耦合的情况下,变换器的电压增益是传统Sepic变换器的1+(1+n)/D倍。变换器的2个储能电感与耦合电感通过解耦集成的方式进行磁集成,有效地利用磁芯结构,减少了磁芯数量,集成磁件的体积比独立磁件减小了近30%;变换器实验样机效率达到了92.8%,测试的实验波形结果验证了理论分析的正确性。研究结论可为磁集成高增益耦合电感组合变换器的设计提供了理论依据。

自主研发助力新工科应用型创新人才培养探索

在新工科背景下,秉承德育首位,坚持以生为本、以产出为导向的育人理念,以立德树人为引领,改革优化电网专业本科培养体系,探索以学生自主研发实验装置为驱动,培养学生自主探究学习能力的新工科人才培养模式。文章以课程综合训练项目——“基于红外传感器的教室灯光控制器”为题,采用“选题-设计-实施-调试-交流”模式,让学生自主研发、大胆创新,培养学生的节约意识和家国情怀,形成科技报国的远大理想。

应用于四相电压调整模块的阵列式集成磁件

为了提高电压调整模块(VRM)的输出动态响应速度并降低其稳态电流纹波,利用多副磁心组合的方法,提出了一种应用于四相VRM的阵列式集成磁件。在不考虑漏磁通影响的情况下,分析了阵列式集成磁件参数对VRM性能的影响,建立了阵列式集成磁件的等效电路模型,并对磁件的平面化结构进行了电磁场有限元分析;在考虑漏磁通影响的情况下,对等效电路进行了修正;在稳态等效电感和动态等效电感相同的条件下,对阵列式集成磁件和分立磁件的等效电路进行了比较,并进行了电路仿真、实验。仿真结果验证了理论分析的正确性,实验结果表明使用阵列式集成磁件的四相VRM动态效果较好。

交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器

提出一种具有开关电感的交错并联磁集成双向DC/DC变换器,利用开关电感替代传统双向DC/DC变换器中的储能电感,并将所有电感集成为一个耦合电感,充分减小了磁性器件的体积,优化了变换器暂稳态性能。分析了变换器的工作模态,推导得到了变换器电压增益表达式,通过对变换器暂稳态电感的研究对其暂稳态性能进行了深入探讨,并通过推导得出该类变换器耦合电感耦合度的设计准则,同时提出了一种该变换器耦合电感的设计方法。交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器Boost模式的电压增益是传统变换器的(1+D)倍,使输入输出电流纹波得到减少,同时提高了变换器的动态响应速度。

无气隙可改变耦合度阵列式集成磁件在交错并联变换器中的应用

交错并联变换器动态和稳态特性与集成磁件的耦合系数大小有关。本文提出一种耦合度可改变的阵列式集成磁件,分析了在消除气隙的情况下可改变耦合电感耦合度的原理,给出了耦合度计算公式及集成磁件设计公式。利用有限元分析软件分析比较了阵列式集成磁件与传统磁心开气隙集成磁件的电感量、绕组损耗和磁心热损耗,结果表明阵列式集成磁件与传统磁心开气隙集成磁件相比具有诸多优点。样机实验表明,交错并联变换器动静态响应较好。

一种双磁芯差共模电感集成EMI滤波器

滤波电感集成是减小EMI滤波器体积的重要方法之一。在此提出了一种双磁芯差共模电感集成的EMI滤波器结构,分析了共模与差模电感的集成原理,利用磁路分析推导了集成共模与差模电感计算公式,给出了差共模集成电感的设计方法,并分析了磁芯磁阻不平衡对差共模电感的影响,给出了磁阻不平衡应满足的范围。利用二端口模型建立了差共模电感二端口等效电路,并利用A参数矩阵推导了集成EMI滤波器插入损耗。利用有限元分析提取了差共模电感的高频参数,并与实验样机测试结果进行了对比,结果表明有限元分析法获取的参数可以用于理论分析。利用频谱分析仪测试了集成EMI滤波器样机插入损耗测试曲线,测试曲线与计算和仿真曲线对比结果表明,二端口建模理论分析的正确性与二端口等效电路的准确性。

磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器

为了提高传统Buck/Boost变换器的电压增益、暂态响应速度同时减小电感支路的电流纹波和变换器的体积重量。将磁集成开关电感技术和交错并联技术应用到传统的Buck/Boost变换中,提出了磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器。通过采用开关电感结构替换传统变换器中的电感的方式,使变换器正向功率变换的电压增益提高为原来的2倍。采用磁集成技术并合理设计耦合电感间的耦合系数能够减小该变换器电感支路的电流纹波、提高系统暂态响应速度、减小变换器的体积重量,进而提高变换器的电气性能。最后通过实验样机的结果验证了理论分析的正确性。

具有开关电容单元的电感集成Boost变换器

为提高传统Boost变换器的电压增益,降低开关管电压应力,减小变换器损耗,将开关电容和开关电感应用在传统Boost变换器中,提出一种具有开关电容单元的电感集成Boost变换器。利用开关电感与开关电容替代传统Boost变换器中的储能电感与滤波电容,并对开关电感进行了耦合集成。分析了变换器的工作模态,推导得到了变换器电压增益表达式,并研究了电感串联等效电阻对变换器电压增益的影响;分析了开关管电压应力与电感电流纹波的大小。与传统Boost变换器相比,具有开关电容单元的电感集成Boost变换器的电压增益增加一倍,开关管电压应力减小了一半,电流纹波减小接近1/2。样机实验结果验证了理论分析的正确性,表明具有开关电容单元的电感集成Boost变换器具有优良的综合性能。

一种新型磁集成高增益耦合电感倍压Boost变换器

提出一种新型磁集成高增益耦合电感倍压Boost变换器,该变换器由两个带耦合电感单元的Boost拓扑电路组合而成,两个开关管工作方式相同,通过改变两个耦合电感的匝数比提升变换器电压增益。分析耦合电感在不同模态下的等效电感和其对变换器工作状态的影响;给出变换器主要工作波形和各模态等效电路;推导变换器电压增益的表达式;分析开关管和二极管电压与电流应力;为减小电感电流纹波对两个耦合电感单元进行磁集成,并给出磁集成后电感电流纹波表达式。建立耦合电感漏感模型并推导漏感对变换器电压增益影响的表达式。分析结果表明,变换器具有电压增益较高、开关管电压应力较低、电感电流纹波较小等优点。通过实验验证了理论分析的正确性。

应用于分布式单相光伏并网发电系统的组合双极性直流变换器

为了解决单相光伏并网发电系统中性点偏移和半桥逆变器并网损耗较大的问题,从Cuk、Zeta、Sepic中提取出了电感电容二极管(inductor capacitor diode,LCD)单元,并将其应用于传统变换器以提高变换器的电压增益。根据Cuk和Buck/Boost变换器输入电压与输出电压极性相反,Sepic和Zeta变换器输出电压与输入电压极性相同的特点,提出4种具有双极性输出的直流变换器。选择其中的Cuk-Zeta组合变换器进行了工作原理分析,并对组合变换器中的电感进行磁集成,给出了变换器主要工作波形和各模态等效电路图,推导得到了变换器电压增益和开关管、二极管的电压应力。研究结果表明,组合变换器的电压增益与LCD单元的个数有关,为Cuk或Zeta变换器电压增益的2N倍;在输入与输出电感比值λ>1,且耦合系数k趋近于1/√λ时,变换器输出电感电流接近零纹波。实验验证了理论分析的正确性,新型组合变换器有效解决了中性点偏移问题,通过磁集成实现了零纹波输出,降低了变换器损耗。

基于鲁棒LS-SVM在光伏发电预测中的应用

随着对光伏发电系统不断的应用研究,光伏发电预测技术成为又一重要的课题;光伏发电系统对于国家电网来说是一个不可控的能源,其具有的随机性会对大电网的稳定性造成一定的影响;因此,准确的光伏发电预测对电力系统的运行调度具有深远的意义;文章通过光伏发电历史发电量、太阳能辐射量和温度序列按照时间序列建模方案建立了基于鲁棒学习的最小二乘支持向量机模型;同时,验证了该模型的可行性以及有效性;预测结果表明,该模型具有较高的精度,能够解决光伏发电随机化问题。

超级电容器组电压均衡研究

针对超级电容器组的单体电压不均衡会造成单体使用寿命缩短、储能密度降低以及系统可靠性下降的问题,介绍了反激变换器次序耦合控制的超级电容均压电路,该电路采用基本的反激变换器,利用多个反激变压单元实现多路输出次序耦合达到超级电容单体电压均衡的目的,同时均衡电路不需要检测电路和电压比较电路,降低了电路结构的复杂性。分析了均衡电路的工作原理,推导了电压均衡方程,确定了变压器的变比,最后对四个超级电容组成的串联系统进行了实验验证,结果验证了该系统具有良好的均压效果。

一种结构简单的超级电容电压均衡方法

超级电容串联储能系统的单体电压不均衡会影响超级电容的使用寿命和能量利用率。现有DC-DC电压均衡方法中所采用的传统变换器电路中开关管、电感、变压器等元器件的数量较多,拓扑结构复杂。介绍了一种基于谐振变换器的电压均衡系统,其双开关、单电感的电路结构降低了电压均衡电路拓扑结构的复杂性,提高系统可靠性并通过固定频率和占空比消除了系统的控制部分。分析了电路的均衡过程,利用推导的等效电路得出电压均衡原理。通过对3个超级电容组成的串联系统进行实验测试和仿真,结果验证了均压系统具有较高的效率。

应用于多相电压调节器的单元耦合与矩阵组合的阵列式集成电感

集成电感对多相电压调节模块(VRM)稳态和动态特性有重要影响,合理的耦合度可以提高VRM的输出动态响应,并能够降低每一通道的稳态纹波。提出一种利用小电感单元进行矩阵组合的阵列式集成电感,分析电感集成原理,给出阵列式集成电感的单元位置拓扑和单元组合结构拓扑,并分析自感互感单元匝比和磁阻比与电感耦合度的关系。通过电路方程推导了多相VRM耦合电感的等效稳态与暂态电感,获得多相VRM集成电感耦合度的设计准则。耦合度范围对比表明,所提出的阵列式集成电感的集成耦合度与设计准则完全一致。利用设计准则设计四相阵列式集成电感,实验样机测试结果验证了设计准则的正确性。将实验样机应用于四相VRM,实验结果表明应用阵列式集成电感的VRM具有良好的稳态和动态特性,证明了所提出的阵列式集成电感具有实用性。

基于新型耦合电感倍压单元的高增益变换器

提高直流变换器的电压增益可以增加变换器的输入和输出电压范围,使其应用场合更加广泛。本文提出两种具有高增益的耦合电感倍压单元,通过改变耦合电感的匝比N可以大幅提高变换器的电压增益。分析了CLC和LCL耦合电感倍压单元的工作原理,给出了耦合电感倍压单元拓扑及其组合拓展结构。并将CLC耦合电感倍压单元拓扑结构应用于传统Boost电路中,分析了基于CLC耦合电感倍压单元Boost变换器工作模态,给出了变换器主要工作波形,推导了变换器的电压增益、开关管和二极管电压应力表达式。理论分析表明,CLC耦合电感倍压单元的Boost变换器具有较高的电压增益,并且开关管的电压应力并没有因为电压增益的提高而增加。实验样机采用接近全耦合的罐型磁心和漏感较大的环形磁心进行对比测试,实验结果与理论分析一致,在全耦合情况下变换器的电压增益提升最大。

正激变换器磁集成分析与设计准则

磁集成技术能有效地减小磁件体积,降低磁件损耗,减小电流纹波,提高变换器的动态响应。该文将正激变换器的滤波电感与变压器进行磁集成,利用数学方程分析耦合电感实现电流纹波减小的条件,并将其应用于正激变换器,根据变换器的工作模态给出占空比的取值,利用磁路分析给出减小电流纹波的集成磁件耦合度设计区域与正激变压器次级绕组及输出电感匝数关系,并分析磁集成后开关管的电压与电流应力。利用磁路电路等效变换方法建立集成磁件等效电路,给出集成磁件的设计准则,对设计实例进行仿真及实验验证,结果验证了理论分析的正确性与设计准则的有效性。