“宽禁带半导体变流技术及其应用”专题特约主编寄语

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料由于其宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点,成为制作大功率、高频、高温及抗辐照电子器件的理想替代材料。随着SiC单晶生长技术、外延材料工艺和GaN异质结外延技术的不断成熟,宽禁带半导体功率器件的研制和应用在近年来得到迅速发展,人们对SiC在新能源汽车、电力能源等大功率、高温、高压场合,以及GaN在快充和信息电子领域的应用前景寄予厚望。深入探索宽禁带器件的材料及应用特性,最大限度发挥宽禁带器件的性能,成为宽禁带半导体变流技术及其应用的重要研究方向。

基于S/SP补偿拓扑的强抗偏移感应式无线电能传输系统

针对感应式电能传输(inductive power transfer,IPT)系统偏移造成输出电压不稳定和效率低下的问题,提出一种强抗偏移的S/SP补偿IPT系统,该系统在变耦合变自感和变耦合不变自感两种情况下均能保证较小的输出电压波动和较高的传输效率。首先,基于Maxwell有限元仿真,分析罐型磁心松耦合变压器的磁通分布和磁场分布特性,总结不同方向偏移的参数变化规律。然后,提出一种提高系统抗偏移能力的S/SP补偿参数设计方法,得到相应的磁耦合机构设计准则,并结合磁仿真数据,通过数值计算方式求得系统输出波动和输入阻抗角的变化规律。最后,通过实验验证文中采用罐型磁心和新型S/SP补偿拓扑实现多方向偏移下高效率、低波动无线电能传输的可行性。在额定负载下,系统沿纵向和水平方向偏移的输出电压波动分别为2.7%和3.1%,传输效率维持在90.8%~94.3%。

适用于宽增益范围的可重构单级DC-DC变换器及其磁元件设计

该文基于开关电容结构与谐振网络单元的优势,提出适用于宽增益范围的模块化可重构单级DC-DC变换器,可根据输入电压范围来选择串入模块的数量,从而达到等效压缩谐振单元输入电压范围的目的,实现了变换器在宽增益范围内的高效率。同时,为了减小器件并联带来的不均流和局部过热等问题,该文设计了一种磁集成结构以代替传统采用分立磁心实现的平面矩阵变压器,并对比展示了所提出磁集成结构在变压器总损耗与功率密度上的优势,同时还给出了所提出磁集成结构变压器的损耗计算模型及其优化设计的方法。最后针对宽增益场景设计了输入电压为200~400V,额定功率500W的样机,验证了拓扑以及磁结构的有效性和正确性。

无线电能传输系统恒流/恒压输出切换方法

无线电能传输系统常用来为电池进行无线充电。为满足电池充电需求,提出一个能够实现恒流/恒压输出切换的无线电能传输系统,采用优化的LCC/S拓扑结构,仅需一个切换开关即可实现恒流/恒压输出切换,所提切换方法具有切换过程连续、切换开关电压应力小、全负载范围零电压开通等优点。分析了恒流、恒压补偿拓扑的输出特性,提出了综合考虑元件电压应力和系统损耗的松耦合变压器电气参数设计方法。为验证理论分析,搭建了输出功率范围为18~180 W的实验平台,所用松耦合变压器的外尺寸为200×200×10 mm ^(3),恒定输出电压为60 V,恒定输出电流为3 A,工作频率为85 kHz,传输距离为70 mm,恒压和恒流模式下系统最高效率分别为93.4%和90.5%。

基于输入并联输出串联的高效高升压比DC-DC变换器

随着新型可再生能源的快速发展,对高效、高升压比DC-DC变换器的需求日益增加。传统两级级联式结构中,前后两级均需传递全部功率,不利于系统效率的提升。为此,该文提出一种基于输入并联输出串联(IPOS)连接的上下堆叠式高升压比直流变换器,系统的上部分变换器工作在直流变压器(DCX)状态,实现恒电压比传输,处理大部分功率,通过对谐振点处的参数优化实现效率提升;下部分变换器则起到系统闭环动态调压的作用,传输小部分功率。该文详细介绍所提出结构的工作原理、参数设计以及平面变压器的优化设计,并搭建24~32 V/400 V、额定功率200 W、开关频率1 MHz的实验样机验证了理论分析的正确性,所搭建样机峰值测试效率高达96.3%。

基于三重移相控制的双有源桥变换器研究

为了加快“碳中和”及“碳达峰”的进程,可再生能源逐渐取代了化石能源,成为了未来主要的发电方式。储能系统与双向变换器的组合成为了维持微网电压稳定、削峰填谷的核心组件。针对这一背景,对具有较强双向调节能力的双有源桥变换器展开研究。采用三重移相控制,详细分析了变换器在特定工作模式下的工作过程。此工作模式适用于轻载条件,具有双向能量传输的能力。建立了相应的电流应力、传输功率和软开关特性的数学模型。基于电流应力的变化情况,提出了一种基于三重移相控制的电流应力优化策略。以电流应力为目标函数,以软开关范围和模式边界为限制条件,求解得到了最优移相比组合。该优化控制策略可以在保证软开关运行条件下减小变换器的电流应力,提高变换器的性能。最后通过实验测试验证了理论分析的正确性。

一种10 MHz高频DC-DC功率变换器及其同步整流技术

该文设计一种具有准零相位差同步驱动信号的10 MHz DC-DC功率变换器,通过设计逆变器输出电压与整流器输入电压近似同相位,整流器和逆变器可以采用同一驱动信号,简化了同步整流开关管的控制难度,实现了10 MHz下可靠、简洁的同步整流控制。同时,为满足主拓扑要求,构建具有二次侧准无漏感特性的嵌套环形3D变压器,大大减少了传统变压器二次侧漏感对于同步整流控制的影响,并提出由多个印制电路板(PCB)结合来制作嵌套环形3D变压器的方法。最终,设计了一台48 V输入、12 V/28 W输出的实验样机,实验结果验证了所提出的控制方法和数值设计方法的可行性。

基于氮化镓的高频LLC变换器研究

5G时代的到来对电源系统提出了更高的要求,即要求变换器具有高效率、高功率密度以及快速动态响应。针对该问题,使用第三代宽禁带半导体器件氮化镓(GaN)晶体管,优化变压器结构,采用新型分数匝结构,通过DSP数字控制方法设计一款400 V转12 V、输出功率为500 W的高效率、高功率密度LLC谐振变换器。通过理论分析高频状态下实际LLC电路参数影响,确定系统优化方向,并结合有限元仿真软件改进分数匝变压器结构,最后搭建实物平台验证理论的可行性。

具有强抗偏移性能的电动汽车用无线电能传输系统

针对电动汽车无线充电时线圈偏移会造成输出电压不稳定和效率迅速降低的问题,设计一个抗偏移性能优异的电动汽车用无线电能传输(wireless power transfer, WPT)系统,该系统采用LCC/S补偿拓扑以及扁平螺线管磁耦合结构,并在后级加入数字闭环Buck变换器,以实现精确的恒压输出。分析LCC/S补偿拓扑的输出特性,说明扁平螺线管磁耦合结构抗偏移性能优异的原因,借助有限元仿真软件优化线圈和磁芯的尺寸。为验证理论分析,搭建输出功率恒定为500W的系统样机,样机使用的磁耦合结构的外尺寸为306mm×300mm×16mm。结果表明,当传输距离176mm时,能量传输效率高达88%,即使横向偏移达到230mm,系统仍能输出恒定电压。

准谐振改进型SEPIC变换器建模与分析

凭借高电压增益及低电压应力的特点,改进型SEPIC变换器广泛地应用于光伏、不间断电源等领域。同时由于其具有良好的软开关特性,可应用于高频场合,以提升功率密度。为了拓宽负载变化范围,改善动态响应,其数学模型的建立至关重要。采用广义状态空间平均法,对基于开关电感的准谐振改进型SEPIC变换器进行建模,建立其对应的小信号模型,并得到系统输出的传递函数。使用K-factor的方法设计补偿器,优化系统的动态性能,设计恒流输出的数字控制实现方法,并通过实验进行了验证。

功率二极管的启发式教学方法研究

近年来“电力电子技术”在电气工程教学体系的系列课程中所起到的作用越来越凸显。如何在现有的教学体系条件下,尽可能发掘学生的主观能动性,不断激发学生思考问题的能力成为教师所面临的难题。以功率二极管器件部分的教学内容为例,阐述了如何将启发式教学应用于相关授课内容,并说明了具体实施方式,希望能够借助该教学案例为该课程其他教学内容采用启发式教学提供借鉴和参考。

一种用于LED路灯照明的单级交直流变换器

提出一种单级用于高亮发光二极管路灯照明系统的交直流变换器。通过共用半桥的上下桥臂,形成两路工作于断续模式的boost电路,由于两路boost电路工作在交错并联模式下,其母线电压只略高于输入,所以即使在高输入电压情况下,系统仍然具有较低电压以及电流应力。半桥负载采用LLC谐振负载,其原边开关管工作在零电压开通状态,副边整流二极管工作在零电流关断状态,减小了系统开关损耗,提高了系统效率。经仿真分析,所提交直流变换器能够实现功率因数校正的作用,并且其可工作在软开关状态下。实验中制作了一个100 W样机,经测试,在40%～100%负载范围内,其功率因数大于0.96,总谐波含量小于10%,在满载时效率高达91.1%。

基于D.D.D.型松耦合变压器的无线电能传输系统研究

无线电能传输(WPT)技术克服了传统有线输电过程对输电场地条件、维护便利性以及安全性的严苛要求,具有广泛的应用场景。在WPT技术中,原副边线圈间的抗偏移特性直接影响着系统电能传输的质量、效率及可靠性。通过对松耦合变压器进行优化,设计相对应的补偿网络以增强系统的抗偏移特性及输出稳定性。所设计的D.D.D.型松耦合变压器具有较强的抗偏移能力,并且具有良好的磁屏蔽特性。在传统变压器等效模型基础上,考虑漏磁通的影响,提出了对称型并串联/串并联补偿拓扑结构。通过调频控制,维持系统输入阻抗角为零,实现系统高效稳定的输出。最后,为了验证理论分析,搭建了基于D.D.D.型松耦合变压器的250 W实验平台,系统效率达到了88%。

无线电能传输用S/CLC补偿拓扑分析

提出一种用于无线电能传输系统的S/CLC补偿拓扑。该补偿拓扑能够实现恒压输出、零输入相角以及零电压开关,最大输出功率也不受松耦合变压器参数的限制。从理论上分析S/CLC补偿拓扑的优点,并通过实验进行验证。考虑到松耦合变压器参数对无线电能传输系统的性能有很大影响,还仿真研究了圆形松耦合变压器的优化设计,根据优化结果制作了一个圆形松耦合变压器。该变压器的耦合系数和优化结果一致,证明了所提圆形松耦合变压器优化设计方法的正确性。

一种新型单级LED路灯照明驱动器

基于单级LED路灯照明驱动器的系统分为恒压和恒流电路两部分,恒压部分由Buck-Boost与Flyback电路通过共用开关管的形式得到,由于其将两级集成为一级,降低了系统的成本,提高了可靠性以及效率;恒流部分采用基于峰值电流控制模式的PWM控制方式,此处采用Boost升压结构,减少了LED列数,提高了系统效率。本文详细分析了系统的工作状态,给出所提系统的理论分析以及设计过程,同时进行相应的仿真分析。所制作的100W实验样机表明,所提恒压电路可实现功率因数校正作用且其功率因数高达0.99,效率在满载时大于80%。

电磁感应式无线电能传输系统变参数条件下补偿网络研究综述

电磁感应式无线电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)技术是无线电能传输技术中研究起步最早、实用化与商业化进展最快、目前应用范围最广泛的技术路线。然而影响其实用性的一个重要问题是负载及耦合敏感问题,如何提升变耦合或负载条件下ICPT系统的输出稳定性一直是研究的焦点问题。而补偿网络能够降低系统的无功功率,提高系统的能量传输效率与带负载能力,且对补偿网络进行合理的拓扑设计与参数优化设计能够使得系统具备耦合、负载无关等特性,因而对变参数条件下ICPT系统补偿网络的研究能够增强ICPT技术的实用性。文中总结变参数条件下ICPT系统补偿网络相关研究,按照负载无关型、耦合无关型、耦合负载均无关型的分类对其拓扑设计方法与参数优化方法进行归纳与整理总结,并探讨其未来的发展方向。

应用于投影仪的高频数字化金卤灯电子镇流器

提出一种全新的应用于投影仪用金卤灯电子镇流器的数字化控制方案。采用了LCC的谐振启动方式,在控制时考虑了系统无源元件的偏差问题,提出了一种自适应的启动方式,提高了启动的可靠性并降低了系统的成本。在过渡阶段使用了开环控制方案,使过渡更加平稳,不会产生过大的电流和电压冲击。提出一种简单的闭环控制方案,使灯功率能够可靠闭环,不会出现功率过冲。对于金卤灯中常见的声谐振问题,此处采用高频调制的驱动方式。实验中,制作了一个150W的样机,经测试系统能够可靠启动、过渡平稳,稳态时功率恒定,系统效率高达93%且无声谐振现象发生。

特约主编寄语

无线能量传输技术具有灵活方便、电气隔离、环境适应性强、易维护等优点,有效解决了用电设备供电接口不统一、防尘防水能力差、带电插拔易打火等问题。此技术在交通运输、消费电子、植入式医疗、航空航天、强电场供电、机器人探测等诸多领域中都有独特的优势.

软开关双向DC-DC变换器控制模型

针对在大功率能量存储场合适用的非隔离双向DC-DC变换器一般存在着开关损耗大、断续工作时寄生振荡等问题,研究了非隔离双向DC-DC变换器的基本原理,为了提高系统的功率密度减少系统损耗,半桥变换器的开关管互补导通,并工作在电感电流断续过零状态以实现软开关。对采用超级电容的双向变换器进行了定量分析,分析并计算了主电路电感与电容参数。同时,通过对双向变换器的控制模型的分析,对超级电容采用恒流充电、恒流恒压放电的策略,实现了双向DC-DC变换器双向工作的稳定。在以上理论分析的基础上,搭建了实验样机进行实验验证,仿真和实验结果验证了本文控制模型分析的正确性。

超高频功率变换器研究综述

随着电力电子技术的不断发展，超高频（30～300MHz）功率变换器逐渐成为研究热点。超高频功率变换器能有效减小系统无源元件的数值与体积，极大地提高系统的功率密度。但是极高的开关频率对系统的开关特性、拓扑特性以及控制特性均提出了更高的要求。该文从超高频功率变换器的发展背景入手，概述了超高频功率变换器的发展现状。介绍并比较了目前超高频功率变换器的主要拓扑，同时讨论分析了适用于超高频功率变换器的谐振驱动方式以及控制方法。为超高频功率变换器的后续研究提供了参考。