D类全桥变换器ZVS低损耗模式分析

目前,D类全桥谐振变换器主要是通过在开关器件并联固定容值的缓冲电容的结构来实现零电压开关(ZVS),对于利用开关器件自身的寄生电容作为缓冲电容的变换器的分析不全面。高频工作条件下,死区时间设置的过长或者过短,都会造成变换器的高额功率损耗甚至器件的损坏。所以本文通过分析D类全桥变换器的工作过程,确定了不同死区时间下全桥变换器的损耗模式,通过对死区时间的调节来减小变换器的开关损耗。然后,设计一个频率达到兆赫兹的基于碳化硅器件的D类全桥变换器的样机,实验结果验证了通过调节死区时间使其工作在低损耗模式下可以减小开关损耗,提升工作效率。

基于双幂次趋近率在移相全桥滑模控制的应用

随着移相全桥拓扑在新能源发电、电动汽车等电源系统中的应用日益广泛,滑模控制在移相全桥中的应用也越加广泛。针对传统指数趋近律的移相全桥变换器滑模控制方法存在收敛速度慢、负载扰动下鲁棒性差等缺点,提出了一种基于双幂次趋近律的改进滑模控制方法。将该方法应用于移相全桥变换器三阶滑模控制器的设计。建立了移相全桥的数学模型,构建了滑模面,并给出滑模面参数选择方法。通过双幂次项,提高系统收敛速度;引入双曲函数,减少抖振的大小。仿真和实验表明,提出的双幂次趋近律滑模控制方法在负载扰动的调节时间为0.08 s,电压变化0.8 V,相比于PI控制,滑模控制能够提高调节时间0.1 s,在负载变化处电压跳变减少4.2 V。

基于准比例谐振和重复复合控制的LC型单相全桥逆变器研究

不同的控制策略与实现办法决定着逆变电源输出波形质量和动态性能的好坏,传统的PI控制难以实现交流系统的无静差跟踪,系统的抗干扰能力也有所不足。为提升逆变系统的输出电能质量和动态性能,提出一种基于准比例谐振(Quasi-proportional Multi-Resonance,QPR)控制与重复控制相结合的复合控制方法。分析了LC型单相全桥逆变器的数学模型,建立了QPR控制与重复复合控制的框架。两者间采用并联控制,相比于单一控制策略,该复合控制同时兼顾了QPR控制动态性能与重复控制稳态性能的优越性。对负载突变有较快的响应速度,能够有效抑制周期性谐波,改善系统动态特性。仿真验证了所提方法的有效性,结果表明复合控制下的LC型单相全桥逆变器动态性能良好,在非线性负载下谐波输出电压THD降低了69.01%,负载适应性较强。

基于新能源发电改进型移相全桥变换器研究

新能源发电中需要广泛使用移相全桥变换器,以实现软开关技术从而减小系统的开关损耗。而传统移相全桥直流变换器滞后臂在轻载时难以实现ZVS,导致系统大功率输出时效率降低以及系统换路时容易产生尖峰电压、电流等现象,针对这一问题,提出了一种改进的有源软开关移相全桥DC-DC变换器拓扑。系统首先提出了改进变换器的拓扑结构,在此基础上对其工作模态进行了研究分析,并合理优化相关器件的选型,最后通过系统仿真及试验平台进行了系统仿真和试验测试,结果表明,所设计的加入辅助电路改进型移相全桥直流变换器在轻载情况下,能够使变换器滞后臂达到软开关效果,同时,在大功率输出情况下,对器件发热、电压波形振荡均有较好的抑制作用,系统整体效率变高,同时可靠性、稳定性变强。

基于新扩展移相双有源全桥变换器降压-升压模式下电流应力优化

为降低双有源全桥变换器在降压-升压模式下的电流应力,提出一种基于新扩展移相调制的电流应力优化控制策略.首先,将变压器两端输出高电平电压之间移相量定义为外移相角,再对比分析降压-升压模式下内移相角在变压器不同侧时变换器的工作特性,根据移相角之间的关系划分为3种工作模态,得到电流应力表达式和功率模型.然后,对比分析得到优化工作模式,利用拉格朗日乘数法算法获取电流应力最优的相移组合.最后,搭建实验平台在降压-升压模式下对变换器进行验证,实验结果表明电流应力优化控制策略显著降低变换器在降压-升压模式下的电流应力.

无线电能传输系统全桥逆变器性能优化研究

针对无线电能传输系统中全桥逆变器开关管的开通和关断存在振铃,能量传输波形纹波大,导致逆变器温升大和工作不稳定的问题,进行了电路建模分析,开展了全桥逆变器性能优化研究。首先,对逆变器开关管驱动电路进行了简化,建立了RLC串联谐振电路模型,分析了驱动电路结构参数对逆变器性能的影响规律,得出了优化方法;其次,分析了逆变器纹波大的问题,给出了优化方法;最后,搭建了300 W无线电能传输系统并进行实验。实验结果验证了优化方法的正确性和有效性,逆变器性能得到了改善,温升得到了有效控制,系统传输效率提高了5.3%,整机效率达到了89.3%。

基于应变片全桥差动电路的悬臂梁杨氏模量测量实验

杨氏模量是描述材料刚度和弹性性质的重要物理量,使用静态拉伸法测量金属丝杨氏模量是经典的大学物理实验项目之一。然而静态拉伸法并不适用于薄板类型材料的杨氏模量测量。本文采用电阻式应变片组建全桥差动电路并结合悬臂梁模型,设计了一种以薄板型金属材料为研究对象的新型杨氏模量测量装置。在本研究中,首先进行了理论分析,探讨了全桥差动电路输出电压灵敏度与应变片电阻的关系,并通过实验验证了全桥差动电路能够有效规避桥路电压非线性变化带来的影响,同时具有最大的电压灵敏度,从而提高了实验测量精度。其次,我们利用应变片搭建了全桥差动电路,使用拉力计对金属薄板材料自由端施加应力并测量应力大小,并通过应变电阻传感器组建的全桥差动电路测量薄板悬臂梁产生的应变,进而计算材料的杨氏模量。实验结果表明,本实验装置能精确测量多种金属薄板材料的杨氏模量,在材料力学性能测量方面具有重要的实用价值。

基于广义状态空间平均的全桥LLC谐振变换器建模及应用

LLC谐振变换器在设计新的控制策略时,传统的设计流程需要手动拟合调试出控制参数,闭环稳定性分析涉及高阶函数计算。为了简化传统设计流程,引入广义状态空间平均(GSSA)理论对全桥LLC谐振变换器进行建模,将传统的阻抗物理模型转化为数学模型,推导出GSSA闭环大信号和小信号模型。通过GSSA模型推导系统传递函数矩阵并分析全桥LLC谐振变换器的动态特性,设计闭环PI控制参数,最后使用特征值分析法判断闭环系统稳定性。GSSA理论和模型结合MATLAB仿真,直接解决高阶函数的计算,快速推导控制参数,简化了设计新控制策略需要的调参环节和稳定性分析环节。为验证建模的正确性,依据建模推导元件参数搭建了400 W全桥LLC谐振变换器样机。在空载和满载两种工况下进行了实验,实验结果表明,系统响应速度快,与设定的输出参数相符合,输出电压纹波小于1%、最大误差0.4 V。仿真结果和样机实验结果验证了基于GSSA的LLC谐振变换器模型的有效性。

基于双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率分段优化控制

双向全桥DC-DC变换器以其重量轻、高功率密度、能量双向流动等优点成为直流微电网中不可或缺的一部分。但双向全桥DC-DC变换器在传统的单重移相控制下存在回流功率和电流应力等问题,尤其当输入电压和输出电压不匹配时,回流功率和电流应力会显著增加。针对输入电压和输出电压不匹配的情况,该文提出了一种双向全桥DC-DC变换器在双重移相下的最小回流功率控制策略。该控制策略通过对回流功率进行分段优化,得到了变换器在不同传输功率范围下的最优移相角。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制进行对比分析,发现该文所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提升了变换器的效率。最后基于所提控制策略搭建了实验样机,实验结果验证了控制策略的正确性和有效性。

全桥LLC谐振变换器的积分滑模-PI混合控制

全桥LLC谐振变换器的PI控制存在响应慢和鲁棒性差的问题,滑模控制存在高频抖振问题。针对这些问题,提出了基于模糊规则切换的积分滑模-PI混合控制方法。首先,通过扩展函数描述法建立全桥LLC谐振变换器的大信号模型,利用输入输出反馈线性化设计滑模面;然后,利用扫频法验证PI控制设计的合理性;最后,经多次实验,确定模糊控制的最佳输入和输出隶属度函数,实现在瞬态时由滑模控制起主导作用,在稳态时仅使用PI控制的混合控制方法。在MATLAB/Simulink中进行仿真分析,仿真结果表明,所提控制方法不仅具有滑模控制的瞬态响应快、鲁棒性强的优点,还消除了高频抖振,具有良好的控制效果。

全移相双有源全桥直流变换器的瞬态电流偏置抑制策略

针对双有源全桥(DAB)直流变换器在功率突变时产生的电流偏置问题,该文提出一种新的瞬态直流偏置抑制策略。首先,以基于全移相调制的双有源全桥直流变换器为研究对象,分析DAB变换器产生直流偏置的原因及危害。然后,在全局电感电流应力最优结果的基础上,对功率在四个工作区域突变时产生的瞬态直流偏置问题进行详细分析,推导各种电流突变情况下的直流偏置表达式,并据此提出一种新的过渡态引入方法,对于不同的功率突变状态可以得到统一的过渡移相角表达式,简化了控制过程。接着,根据所得过渡态结果,提出统一的载波调制方法,并对调制策略的适用性进行分析。最后,通过实验平台验证了所提方法可以有效消除功率突变时产生的电流偏置。

基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

基于改进粒子群算法的移相全桥模糊PID控制

[目的]为了得到具有良好性能指标的移相全桥(PSFB)控制方案,本文提出了基于改进粒子群算法(IPSO)寻优的模糊比例积分微分(PID)控制方法.[方法]在PSFB的小信号模型基础上,使用模糊控制器改善PID的参数,随后应用自适应惯性权重和压缩因子法优化PSO的全局特性和收敛性,进而计算模糊控制器的比例因子和量化因子,以提高系统的控制效果.在Simulink仿真环境中分别使用常规PID、模糊PID、IPSO优化模糊PID三种方式对移相全桥拓扑进行仿真,并设计了一台100 W的样机,验证所提控制策略的有效性.[结果]仿真结果中,IPSO优化的模糊PID控制相对于常规PID和模糊PID,其调节时间、超调量、稳态误差分别下降79.6%、99.4%、42.9%和40.2%、20%、87.5%;基于TMS320F28034硬件的实验结果中,IPSO优化的模糊比例积分(PI)控制相对于增量式PI和模糊PI,其调节时间、超调量、稳态误差、电压输出纹波分别下降52.4%、56.4%、46.7%、75.0%和12.1%、37.4%、20%、66.7%.[结论]将IPSO应用于PSFB的PID控制,相对于常规PID和模糊PID,具有更高的控制精度、更快的收敛速度、更强的抗干扰能力.

双有源全桥变换器无电流传感器鲁棒预测控制

该文以双有源全桥(DAB)DC-DC变换器为主要研究对象,针对传统比例积分控制动态响应慢及采用既有预测控制对量测噪声和参数敏感的缺陷,提出一种基于无电流传感器模型预测控制(CS-MPC)策略。首先构建双有源全桥DC-DC变换器的预测模型,分别针对变换器启动阶段与暂态过程提出基于模型预测控制(MPC)的动态优化策略;然后定量分析DAB变换器对模型参数和采样精度的敏感性,结合卡尔曼滤波算法构建其状态空间模型,在无电流传感器的情况下实现系统的鲁棒预测控制;最后在实验样机上通过实验验证所提方法的有效性。实验结果表明:与传统控制策略相比,所提方法能够实现低电流应力下的快速启动,且动态响应性能明显改善。此外,所提方法无需电流传感器数据,即对测量噪声脱敏;在参数变化下的鲁棒性能较传统预测控制显著提升。

分数阶移相全桥变换器的建模与优化控制

基于电路中的分抗元件具有非整数阶特性,利用分数阶微积分理论和状态空间平均法,对分数阶移相全桥变换器进行建模与优化控制分析。建立了移相全桥变换器的分数阶状态平均方程,研究电感和电容的分数阶特性对移相全桥变换器频域特性的影响。结合遗传算法的优点,得到满足误差绝对值积分的最优分数阶比例积分(PIλ)控制器参数与最优整数阶比例积分(PI)控制器参数,并搭建了分数阶移相全桥变换器的电路仿真模型与不同控制器的仿真模型,进行了不同控制器、不同工况和负载变化下电路仿真结果的比较。结果表明:相较于整数阶PI控制器,分数阶PIλ控制器能够提供更优的控制性能,使分数阶移相全桥变换器具有更快的响应速度、更好的稳态性能和更强的鲁棒性。

弱励磁电感对全桥DC-DC变换器的影响及其自主软开关

开关电源如今朝着高频软开关以及高功率密度的方向发展,磁性元件的体积大幅度减小,变压器励磁电感不再满足传统分析的大励磁电感假设。在此背景下,分析了弱励磁电感对全桥电路的影响,同时提出在弱励磁电感条件下全桥电路能够通过电容的充放电而实现自主软开关。全桥变换器的自主软开关可在占空比较大时实现,通过原理分析及计算得出了开关管体电容充放电以及电感电流与时间常数的关系,并通过仿真验证了上述原理。最后搭建了工作频率为200 kHz的实验台,对上述分析与仿真结果进行了实验验证。

移相全桥变换器的设计及先进算法的应用研究

选取移相全桥ZVZCS DC/DC变换器,分析所选拓扑的工作过程、设计关键参数,用Saber软件对软开关电路进行仿真,验证设计的正确性,并充分反映拓扑结构的高效特性,为实际电路的研究提供依据。同时,针对移相全桥DC/DC变换器这种强非线性系统,提出模糊自适应分数阶PI^(λ)D^(μ)先进控制算法,用Saber与Matlab软件协同仿真的方式进行变换器闭环仿真,结果表明:相较于传统PID,模糊自适应分数阶PI^(λ)D^(μ)先进控制算法的动态性能更佳。

移相全桥电路寄生振荡的抑制策略

移相全桥电路中,由于变压器次级整流二极管自身有寄生电容,它会与谐振电感谐振产生电压振荡与电压尖峰。此处分析了寄生振荡的产生机理,在对电路拓扑进行改进后,采用在变压器次级加有源箝位电路的方法来消除寄生振荡,利用Matlab软件进行仿真验证,然后在实际电路中进行实验验证,结果表明,在大功率场合中,此处采用的方法可以消除寄生振荡。

基于移相全桥技术的电动汽车电源加热装置的设计

本文详细阐明了移相全桥的拓扑结构和工作原理,从理论上计算了功率主回路相关电气参数,并结合PSIM仿真设计相关控制电路,对所设计的移相全桥功率部分进行了系统仿真,给出了相关仿真测试波形,从实验结果上分析该设计可以满足电动汽车电池预热系统的需求。

基于双主动全桥双向DC/DC变换器的混合单移相调制方案

对双主动全桥DAB(dual active bridge)双向DC/DC变换器的调制方案进行了研究,DAB变换器的主要优势在于具有对称结构、双向潮流能力、宽软开关区域和灵活的控制能力等特点。控制这种拓扑结构最简单的方法是通过控制变换器原副边全桥之间的移相角来控制功率传输的方向和大小。然而在轻载条件下,当变换器的输入或输出电压变化较大时,会产生大量的无功功率,同时部分开关管的零电压开关ZVS(zero voltage switching)操作会丢失而直接导致转换效率变低。因此,为了提高DAB变换器的效率,提出了一种混合单移相调制PSM(phase shift modulation)方案,在保持控制简单的基础上,通过减小电感电流有效值,扩大软开关的范围,提高了变换器的效率。首先,通过让拓展移相EPS(extended phase shift)、双移相DPS(dual phase shift)以及三移相TPS(triple phase shift)调制方案中的可控变量相等,从而形成了4种不同的PSM方案。接着,对这些调制方案进行了稳态特征的比较分析,包括传输功率容量、电感电流水平以及软开关性能等。在此基础上,提出了一种混合PSM方案。最后,通过搭建实验平台验证了所提出调制方案的有效性和正确性。