基于能量模型的临界导通模式Boost变换器软开关方法

在变换器高频化发展的趋势中,功率器件的软开关实现对变换效率的影响更加突出。无辅助电路的临界导通工作模式下,Boost变换器主开关管在特定增益下无法实现软开关。为此,该文提出一种能量模型及相应的软开关实现方法。首先,建立死区前后储能元件能量变化的数学模型。然后,结合死区起止时刻的能量平衡方程,研究软开关无法实现的电路机理。在此基础上,考虑开关管输出电容非线性特征,提出软开关实现方法,避免了复杂谐振过程的时域精确建模,提高软开关实现的准确性。最后,搭建500W实验样机进行实验,结果表明,相较于对谐振过程建模的传统时域模型,所提方法将实际开通电压降低47%,使峰值变换效率提升0.4%,进而验证了其有效性。

基于直流母线电压信号的小型独立直流微电网自主平滑模式切换控制策略

在独立直流微电网中,储能系统(ESSs)和光伏(PV)是主要能源。在极端条件下,储能和光伏变换器需要进行工作模式切换以协调功率,为了优化切换性能,该文提出一种基于直流总线信号(DBS)的自主平滑模式切换控制策略,用于多个光伏电源和ESS的无通信协同工作,提高了系统的可靠性。针对多模式切换过程中的抖振和死锁问题,所提出的控制策略利用具有反馈抑制机制的PI控制器实现了在饱和与激活之间无缝切换。同时,为了进一步提升光伏能量的利用率,所提出的控制策略充分考虑了ESS的荷电状态(SOC),并使光伏电源能够直接参与直流母线电压的调节。此外,还对模式切换时间与控制器参数的设计进行了详细的分析建模,以优化模式切换性能。最后,建立了一个小型独立直流微电网实验系统,以验证所提出的直流微电网控制方法的可行性。

校正函数修正的风电并网自抗扰控制系统

针对风电系统运行过程中受未知扰动影响而出现的直流母线电压波动问题,提出一种校正函数修正的自抗扰控制策略(LADRC-CF)。该方法在线性扩张状态观测器(LESO)的扰动观测通道中引入串联校正的思想,通过校正函数修正LESO对总和扰动的观测偏差,以实现更好的扰动补偿,进而达成对直流母线电压的良好控制。此外,还从理论上分析LADRC-CF的稳定性和扰动跟踪能力,在证明稳定性的同时给出部分参数的整定方法。最后,在半实物仿真平台上对LADRC-CF策略的控制性能进行测试,验证所提策略的有效性和优越性。

非典数学模型的建立与分析

本文以2003年6月以前的有关数据为资料,在传统的SEIR传染病模型的基础上,对人群作了合理的分类,建立了控制前传播模型和控制后传播模型,通过合理估计、曲线拟合和概率平均的方法得到了各个参数。重点分析了控后模型,用龙格一库塔法求解了方程,并对北京、内蒙古、广东、香港四个SARS重点疫区的疫情作了具体的分析,最后评价了模型的合理性、实用性,提出了模型的改进方向和思路。

图腾柱式无桥零纹波交错并联Boost功率因数校正器

提出一种图腾柱式无桥零纹波交错并联Boost功率因数校正器(Power Factor Correction,PFC),解决了低压大电流输入场合下的Boost PFC效率和功率密度偏低的问题。此拓扑结合了无桥和交错并联技术,降低了输入整流桥、功率开关器件及Boost电感的损耗,消除了传统Boost PFC所存在的局部过热点,提高了变换器效率,适用于低压、大电流应用场合;结合了交错并联和零纹波技术,改善了变换器电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)特性,减小了输入、输出滤波电感和电容体积,提高了变换器效率和功率密度。本文详细阐述了此变换器的工作原理及其参数设计过程,并通过一台基于DSP控制的1kW样机进行了实验验证。

一种双变压器结构的多谐振型软开关直流变换器

提出一种双变压器结构的多谐振型软开关直流变换器。通过在谐振腔内引入辅助高频变压器,变换器获得了包含谐振零点在内的多个谐振频率点。通过合理配置谐振点位置,变换器可在较宽频率范围内保证基波和3次谐波有功功率的同时传递,提高谐振电流利用率并起到抑制无功环流的作用。同时,谐振零点的引入使得变换器具备固有的限流保护能力。此外,变换器能够在全负载范围内实现开关管的零电压开通、二极管的零电流开通和准零电流关断,减小了开关损耗。最后,为了验证所提拓扑的有效性和参数设计方法的合理性,搭建一台额定功率330W的样机进行实验验证,最高效率可达到94.7%。

LLC谐振变换器的变压器绕组优化设计

针对LLC谐振变换器工作在高频条件下对平面变压器寄生电容较为敏感的问题,采用磁集成技术对变压器的二次绕组进行优化设计,使得变压器寄生电容和绕组涡流损耗的综合效果最优。该文对平面变压器层间寄生电容的影响因素进行了具体分析,在极坐标系下建立变压器寄生电容的数学模型,并归纳出各影响因素在不同电流情况下的作用效果。该文提出了两种绕组形状的优化设计方案,从减小绕组正对面积的角度改善变压器的寄生电容。利用有限元仿真软件Maxwell,搭建变压器的3D仿真模型,根据仿真结果对比了采用不同优化方案时寄生电容的改善效果,验证了理论分析的可靠性。为了兼顾变换器的寄生电容和涡流损耗,给出了绕组面积设计的优化范围,并确定了最终的优化方案。最后,采用改良后的磁集成平面变压器,搭建了一台500W的样机,效率最高可达97.53%。

拓扑变换型LLC-C谐振软开关直流变换器

提出一种拓扑变换型LLC-C谐振软开关直流变换器。它是将两种简单谐振结构相结合,利用辅助开关管控制变换器的等效电路结构。在额定工作条件下,变换器工作在LLC模式,实现高效率运行;在输入电压偏高时,自动切换至LCCL模式,以在获得较宽电压增益范围的同时仍维持较高效率。进一步地,对电路的损耗分布情况进行了分析计算,选取两种模式效率曲线相交处为模式切换最佳点,为变换器工作模式设计提供了理论依据。最后,为了验证所述变换器原理的可行性,给出了相应的实验结果:输入电压从110V变化至400V的过程中,输出电压始终维持在200V,对应的电压增益从1.8至0.5;变换器效率始终维持在高于90%的较高值,最高可达97.5%。变换器这种在宽增益范围维持高效率的特点使其非常适用于新能源发电等对电压范围和效率有较高要求的应用场合。

大功率HID灯数字式电子镇流器研究

针对1kW农用高压钠灯、高强度气体放电(HID)金卤灯,开发出了适合220V交流输入的1kW数字式电子镇流器;设计了基于临界模式Boost型有源功率因数校正(PFC)控制器MC33262的PFC环节,效率达到97%,功率因数近似为1。全桥逆变器工作在LC谐振网络的感性区,降低了开关管的开通损耗,整机效率达到96.5%。利用单片机实现了负载开路、短路的保护,以及精确的输出功率闭环控制。

基于开关电容的三相单开关反激式高增益AC-DC整流变换器

提出一种适用于小型分布式风力发电系统的基于开关电容的三相反激式高增益整流变换器。在传统三相单开关电路交流输入侧引入带开关电容的倍压单元,本文所提出的变换器可以实现高电压增益,且该增益随输入电压的升高而降低,使得电路不仅具有较好的低输入电压工作特性,且有效拓宽了变换器的输入电压工作范围。电路工作在电感电流断续(DCM)模式下,从而可实现稳态时的输入电流功率因数校正(PFC)功能。此外,电路未采用电解电容,可实现极低输入电压下微弱能量的收集,有效提高小风机系统的风能利用率。为了验证该拓扑及理论分析的正确性,设计了一台额定功率300W的样机,额定条件下变换效率可以达到85%,输入电流的总谐波失真(THD)小于10%。

CLCL谐振软开关DC-AC变换器

针对大功率高压钠灯(HPS)电子镇流器的低电压大电流输出需求,本文提出一种CLCL谐振变换器,通过谐振实现零电压零电流开关(ZVZCS)及正弦波输出。根据变换器开关管实现软开关的条件,阐述了新电路的工作原理。提出了一种新的电路参数优化设计方法,使得ZVZCS条件下谐振器件上的电压应力最低。对新电路进行了理论和仿真分析。理论和仿真结果表明,新电路的开关管工作在零电压零电流或者准零电流开关状态。同时,输出端的电压、电流波形为正弦波,有效降低负载电流的波峰系数,延长负载使用寿命。研制了一台400V输入,100V/10A输出,开关频率为260kHz的DC-AC变换器样机。用来表明上述软开关实现策略的正确性,其最高满载效率可达99.1%。

基于耦合电感的交错Boost变换器性能优化

该文围绕交错Boost变换器稳态和动态性能综合优化这一问题展开研究。通过采用反向耦合电感代替传统分立电感,利用其在一个开关周期的不同时间段内具有不同的等效电感这一优势,可以同时实现对变换器稳态和动态性能的优化。在高频工作条件下,采用反向耦合电感可以进一步减小功率电感损耗,提升变换器效率。该文以两路交错Boost变换器为例,首先对耦合电感的等效电感进行理论推导;然后对变换器的稳态和动态性能进行理论分析,指出反向耦合电感在改善变换器稳态和动态性能方面的优势;最后结合GaN功率开关器件,搭建一台开关频率为500kHz,额定功率为500W的实验样机,并与采用分立电感的交错Boost变换器进行实验对比。结果证明,采用耦合电感可以提升变换器稳态和动态性能,验证了该文理论分析的正确性。

一种基于串联输入并联输出型LLC的噪声抑制磁集成方法

提高工作频率有助于提高变换器的功率密度,促进变换器的小型化和轻量化发展,但是随之而来的电磁干扰(EMI)问题,影响了变换器的工作性能。为了在缓解噪声现象的前提下尽可能地实现变换器的高频化、小型化,该文基于串联输入并联输出(ISOP)型LLC拓扑,深入探究了共模噪声的来源和噪声的传导过程,进行了共模噪声的预测,解释了该拓扑抑制噪声的工作原理。在此基础上,详细分析了拓扑的磁集成特性,对变压器进行了磁集成设计,降低了磁心损耗。此外,对变压器的二次绕组进行了优化设计,充分利用了现有的绕组面积,进一步改善了高频效应带来的不良影响,有助于提高变换器的工作效率。采用电磁仿真软件搭建变压器的3D仿真模型,进行仿真对比分析。最后,搭建了一台样机,实验验证了所提磁集成设计方案和绕组优化设计方法的正确性和有效性。

一种拓扑变换型多谐振软开关直流变换器

提出一种拓扑变换型多谐振软开关直流变换器,其谐振腔单元中采用了双变压器结构,利用两个辅助开关管控制辅助变压器的接入与断开,谐振腔的等效电路结构因此可以在两种不同的多谐振拓扑之间灵活转换,同时,变换器的逆变单元也包含全桥和半桥两种工作模式,使得所述变换器共有四种工作模式。多模式特征能够满足不同的工作要求,因此,通过合理的参数设计,拓扑变换型多谐振变换器(MRC)能够在狭窄的工作频率范围内实现直流电压增益的宽范围调节并保证高效率。为了验证该变换器的有效性和理论分析的可靠性,给出相应的实验结果:当直流输入电压在25～300V范围内变化时,变换器可以提供从0至最高8倍可调的电压增益,控制输出电压稳定在200V,变压器在宽增益范围内能够维持较高的变换效率,最高效率可达98.1%。

高频Boost ZVS建模分析及其轻载效率优化

为提升同步整流型Boost拓扑在轻载条件下的效率,采用变频准方波模式(QSW-ZVS)代替恒频三角波模式(TCM)。借助氮化镓(GaN)器件,可进一步提高变换器的工作频率,提升功率密度。为确保高频工况下的软开关实现,对QSW-ZVS模式下的软开关过程进行精确数学建模。在此基础上,指出延长同步整流的时间可扩大软开关的实现范围,这有助于提高变换器在高频QSW-ZVS模式下的效率。最后,搭建一台额定功率为500 W的实验样机,通过实现其QSW-ZVS模式下的软开关,峰值效率达到98.2%,实现了高频高效的设计目标,验证了理论分析的准确性和正确性。

一种三相高功率ZCS-Buck型电动汽车车载充电器研究

提出了一种基于交错并联技术和Buck型三相单开关整流电路的零电流软开关ZCS(zero-currentswitching)电动汽车车载充电电路。采用多谐振结构保证Buck电路中的IGBT实现ZCS,续流二极管实现零电压软开关ZVS(zero-voltage-switching),满足车载充电器OBC(onboard charger)大功率、高效率、高功率密度的需求。首先分析了电路的工作原理,重点研究了电池负载情况下的ZCS实现条件;然后根据理论分析进行了硬件参数设计;最后,设计试制了一台8.5 k W样机进行了实验研究。利用电阻负载模拟电池特性,通过切换负载阻值模拟了三段式充电过程,结果表明所设计的OBC系统在整个三段式充电过程均能实现ZCS,且能够实现3个充电阶段的自动切换,满足蓄电池充电需求。

CLTLC多谐振变换器的磁集成方法

基于印制电路板(PCB)绕组及平面变压器技术,提出一种仅包含单一磁件的磁集成设计方案,可有效解决多谐振变换器中磁性元件数量过多的问题,并将其成功应用到CLTLC多谐振变换器中。该变换器的所有磁性元件,包括两个谐振电感和两个高频变压器,都可集成到EIE型磁心结构中。为实现变压器励磁电感和漏感的解耦控制,利用矩阵变压器思想和绕组不均匀分布设计,在磁心的中柱引入一定气隙,可得到一种新型E型磁心结构。另外,基于该结构,建立变压器的磁阻模型,从数学角度对所提磁集成方案进行论证。同时,给出最终的磁集成设计方案。最后,建立一台额定功率为1kW的CLTLC多谐振变换器样机,并进行了相关实验。实验结果验证了所提磁集成设计方案的可行性和有效性,变换器的最大效率可达96.45%。

“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GaN的准方波Boost变换器拓扑分析

基于实际太阳能无人机的应用背景,对其核心功率变换部分展开深入研究。通过在传统同步整流型Boost变换器基础上增加少量无源元件,利用电感电流的连续性,构造功率开关输出电容放电环节,在保证主功率电感电流纹波较小的情况下实现功率开关的零电压开通,克服传统同步整流型Boost变换器为实现软开关而工作于准方波模式下,电感电流纹波较大的问题,从而有助于延长无人机蓄电池组的使用寿命。从该拓扑的模态分析出发,对功率开关的零电压开通实现过程进行详细分析。此外,对变换器进行参数设计,总结整个变换器的主要损耗计算方法。最后,利用GaN功率开关器件,搭建一台额定功率为500 W的实验样机,并与相同工况下的同步整流型Boost变换器进行对比。实验结果与理论分析基本一致,峰值效率达到96%。验证了理论分析的准确性以及该拓扑的实际可行性。

直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述

维持直流母线电压稳定是保证直流微电网稳定运行的核心,亟待展开深入研究。该文首先将直流微电网内母线电压波动(DC bus voltage fluctuations,DC BVF)按时间尺度、频率特性和产生机理分为扰动型波动和振荡型波动两种;然后,对扰动型DC BVF和振荡型DC BVF现有的抑制方法以及基于分层控制体系的能量管理系统进行了综述研究,重点就双向AC/DC变换器负载电流和功率前馈控制方法的DC BVF抑制方法、电网不平衡及谐波情况下的AC/DC变换器直流侧功率谐波抑制方法、基于母线电压调节器(voltage bus conditioner,VBC)的DC BVF抑制方法以及直流微电网多源协调和能量管理控制方法及其存在的问题进行了评述;最后,结合文中的DC BVF分类方法,分别对扰动型波动和振荡型波动抑制方法的前景进行了展望。