三有源桥DC-DC变换器广义状态空间平均模型及控制策略研究

基于移相加占空比控制策略的三有源桥TAB(triple active bridge)DC-DC变换器具有效率高和软开关范围可扩展等优点,但其小信号建模过程复杂、闭环控制环路参数整定困难。针对该问题,提出1种TAB工作在移相加占空比控制下的全阶连续广义状态平均建模和PI控制器设计方法。首先,分析TAB的运行原理和Y型等效结构;然后,结合移相加占空比控制的特点和交流方波源等效方法,推导出TAB的广义状态空间平均模型;接着,在推得模型的基础上求得输入到输出的传递函数,设计出PI控制器参数。最后,结合数字仿真及样机实验验证了所提方法的正确性及有效性。

三电平混合全桥DC-DC变换器回流功率优化控制

针对三电平混合全桥双向DC-DC变换器存在的回流功率较大的问题,本文以回流功率最小化为目标,提出了一种基于双重移相控制的回流功率优化控制策略。首先,建立了三电平混合全桥DC-DC变换器的数学模型,分析了变换器回流功率和传输功率的特性关系;然后,以回流功率作为目标函数,通过KKT条件法将不同模式的等式和不等式约束条件转换为约束函数,并构建拉格朗日多项式函数求最佳移相比组合;最后,为提高系统动态响应的快速性,采用了环内直接功率控制方法,实现了变换器在面对突发情况时系统能迅速实现动态响应。仿真结果表明,在输入电压和负载突变时,本文提出的改进优化控制策略可以有效减小回流功率,提高系统的动态响应性能。

高频链AC-DC矩阵变换器的变控制频率软开关调制策略

针对高频链AC-DC矩阵变换器的高效率要求,提出了一种变控制频率软开关调制策略。该调制策略在基于零矢量嵌入的分段同步控制策略基础上,以单控制周期平均功率不变为原则,通过改变控制周期长度,并调整一个控制周期内的电压矢量排布,优化脉冲宽度,使变换器在换流时全部开关器件的零电压开通成为可能。通过仿真分析和实验证明,采用本文提出的变控制频率调制策略,变换器在整流和逆变模式下,均可实现网侧电流三相平衡正弦,功率因数达到0.981,输出电压纹波小,最高效率达到96.9%,实现了高性能、高效率运行。

基于电流应力优化和6脉波调制的双有源桥AC/DC变换器控制策略

针对双有源桥(dual active bridges,简称DAB)AC/DC变换器,该文提出基于电流应力优化和6脉波调制的双有源桥AC/DC变换器控制策略.DAB和三相逆变器(three phase inverter,简称TPI)是双有源桥AC/DC变换器的两个关键单元.对DAB采用电流应力优化,对TPI采用6脉波调制.仿真实验结果表明:相对于单移相(single phase shift,简称SPS)调制策略,该文策略的电感电流的峰值更小,即能更有效地降低电流应力.因此,该文所提策略具有优越性.

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。

固态变压器中隔离双向DC/DC变换器扩展移相下虚拟电流控制策略

该文以固态变压器后级隔离双向DC/DC变换器为重点研究对象,提出一种扩展移相下虚拟电流控制策略。通过分析后级变换器在扩展移相传输功率下相移量关系以获得最小电流应力最优解来提高变换器的传输效率,减少器件损耗。同时通过虚拟电流控制思想在线估算传输功率来提高系统动态响应性能,减少电流传感器使用。最后,对该文所提出的扩展移相下虚拟电流控制与扩展移相控制进行实验对比分析,验证了扩展移相下虚拟电流控制策略具有降低电流应力,显著提高变换器的动态响应的优点。

基于QFSK调制的DC-DC变换器功率/数据复合传输方法

传统电力线通信方案的硬件设计较为复杂。DC-DC变换器具有发送数据的潜能,可进行功率/数据复合传输。文中提出一种基于四进制频移键控(QFSK)调制的电力电子开关调制方案,通过调制开关频率将数据信息嵌入原始脉宽调制(PWM)信号中,使得电压纹波携带数据的频率特征;再通过基于滑动离散傅里叶变换的解调方案实现数据接收,最终实现功率/数据的同步传输。首先,证明了PWM信号与电压纹波频率一致的关系;然后,给出数据调制与解调的方案;以负载突变工况为例,通过对Buck变换器建模,分析功率变换暂态过程对通信的干扰影响;最后,搭建由两个Buck变换器组成的实验平台,验证了所提方案可实现20 kbit/s的通信速率;并以光伏优化器为应用背景,验证了所提方案的有效性。

三电平电流型推挽双向DC/DC变换器及工作特性分析

储能DC/DC变换器需要解决电池侧电流纹波和宽电压范围问题。本文研究了一种可用于电能路由器储能环节的三电平电流型推挽式双向DC/DC变换器,具有高增益、电流纹波小和宽输入电压范围的特征。以传输电感两端电压匹配为原则研究了采用脉冲宽度调制(PWM)加移相控制下的工作机理,深入分析了正向和反向工作模式。研究了占空比、桥间移相比和桥内移相比对功率传输的影响以及不同模式下的系统性能,以实现变换器的高效率功率传输。通过建立各功率管开通时刻的瞬态等效电路深入研究了功率管寄生电容、变压器励磁电感对实现软开关的影响。推导出开通时刻的准谐振方程,从而得到功率管实现软开关的条件,为参数优化设计奠定了基础。在3 kW实验平台上进行了实验研究,实验结果验证了理论分析的正确性。

一种面向储能系统的双向隔离型AC-DC矩阵变换器控制策略

为了满足网侧高电能质量以及储能元件安全可靠和长使用寿命的需求,本文针对双向隔离型AC-DC矩阵变换器提出了一套系统的控制策略,包括对系统的双闭环控制和变换器的后级单重移相调制方法。其中双闭环控制包含网侧电流内环控制和直流侧电流外环控制,调制方法中保持前后级电路间协调同步,前级电路采用双线电压调制方式,后级电路采用等比例移相调制方式。仿真和实验结果显示,变换器的网侧功率因数可达0.99,直流侧电压纹波在0.15%以内。直流侧电流指令突变时,电流跟踪速度快且无超调。因此,采用所提出的控制策略可以保证网侧电能质量高、直流侧具有良好的动静态特性。

三电平双有源混合全桥DC-DC变换器最小回流功率控制

三电平双有源混合全桥(H-TLFB)DC-DC变换器通过引入三电平桥臂提高输入电压范围.针对该变换器在传统双重移相控制下具有较大的功率回流、较高的电流应力等问题,提出一种最小回流功率控制策略.首先分析H-TLFB DC-DC变换器功率传输特性,比较变换器在两种不同工作模式下回流功率值的大小,并根据回流功率与电压比、移相比、传输功率的数学关系,计算出回流功率达到最小时对应的最优移相比,并设计相应优化控制策略.与传统双重移相控制策略相比,最小回流功率控制策略下的回流功率可以在全功率传输范围内达到最小值,并且在一定的电压比范围内,回流功率、电流应力可以同时得到优化.最后,通过实验验证设计控制策略的正确性和可行性.

基于最小峰值电流算法的DC/DC变换器控制系统设计

针对传统DC/DC变换器控制系统稳定性差,控制效率低等缺点,设计了一种基于最小峰值电流算法的控制系统。控制系统的硬件部分主要包括整流开关器件,辅助电路,辅助电源,稳压电容,高频变压器等,整流开关管选用了高性能6N137型光耦隔离;给出了变换器控制系统的主控程序,利用PWM调制模块负责持续地更新内移相比值,当变换器电压稳定时计算最小峰值电流,并构建小信号模型进行环路补偿以提高系统的电流转换效率。实验数据表明,提出的控制系统电流控制效率更高且在相同输入功率下的电流应力值更小。

隔离型AC-DC矩阵变换器最小电流应力控制方法

针对隔离型AC-DC矩阵变换器降低功率器件成本、提高效率和抑制电磁干扰等需求,提出了一种基于零矢量嵌入的移相策略的最小电流应力控制方法。基于移相策略深入研究了影响变换器电流应力的关键因素。建立了三维(3D)功率模型,从中求取等功率分布线,通过引入功率约束条件以及移相角范围,对电流应力在限定条件下采用序列二次寻优方法进行最小化寻优,得到使电流应力最小的最优移相比。仿真和实验结果表明,基于零矢量调制的移相调制策略可以实现前后级电路的协调控制,功率因数在0.96左右,直流侧输出电压和电流稳定且纹波小。因此,采用所提控制方法,在保证网侧和直流侧的基本性能的同时,实现了对变换器电流应力的最小化。

基于扩展移相的隔离型AC-DC变换器零矢量PWM调制策略

传统隔离型双向AC-DC变换器多为两级式结构,变换器效率低、控制系统复杂,现有的单级式解决方案通常依赖大量实时计算,难以兼具低电流应力、宽软开关范围和高功率传输能力特性。为此,该文设计基于双有源全桥的新型单级隔离型双向AC-DC谐振变换器,提出一种含有零矢量的复合频率调制策略。从高频开关周期入手,利用数学推导,证明所提方案在实现自动功率因数校正功能的同时,可降低开关器件的开关频率,免除附加吸收电路,实现交直流全桥的软开关,且几乎无功率回流,从而有效提升变换器的功率传输能力,所提单变量调节方法简化控制系统设计。最后,搭建额定功率为450W的仿真和实验平台,证明理论分析的正确性和调制策略的可行性。

一种大功率厚膜混合集成DC/DC变换器设计

现有厚膜混合集成DC/DC变换器的最大输出功率仅为150 W,针对输出功率无法满足工程使用需求的问题,开展大功率厚膜混合集成DC/DC变换器技术研究。采用带次级同步整流的移相全桥拓扑结构,详细阐述了反馈控制电路、磁隔离驱动电路、同步整流控制电路等设计关键点的实现方式。研制了一款500 W厚膜混合集成DC/DC变换器试验样机,将厚膜混合集成DC/DC变换器的最大输出功率由150 W提升至500 W,最高功率密度由100 W/in^(3)提升至167 W/in^(3),试验结果验证了整体方案的可行性。

一种新型单级隔离型AC-DC变换器研究

文中提出一种新型单级式隔离AC-DC变换器及控制方案。所提结构在不改变图腾柱无桥功率因数校正(totem pole bridge-free power factor correction,TP-PFC)和双向全桥(dual active bridge,DAB)两级式AC-DC变换器特性的前提下,将TP-PFC高频桥臂和DAB原边侧第一个桥臂进行开关复用,减小了开关器件数目。同时,相较于TP-PFC和DAB两级式AC-DC变换器,取消了直流母线电解电容并且抑制了交流电感电流尖峰。利用其拓扑特点及所提出的控制方案,实现了拓扑开关器件的全范围软开关。首先详细分析所提拓扑结构的工作特性,包括工作模态、拓扑优点、功率特性及软开关特性;其次基于对拓扑的分析,提出控制简单的控制策略;最后,对所提拓扑结构及控制方案进行实验验证。

双重移相控制下的双向全桥DC-DC变换器最小电流应力分段优化控制

为了减小双向全桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器的电流应力,提升变换器的效率,提出了一种DAB变换器在双重移相控制下的电流应力分段优化控制策略。该策略首先分析了DAB变换器的结构及其功率特性,推导得到了电流应力与传输功率、移相角之间的关系。然后针对输入输出电压不匹配的情况,对DAB变换器的电流应力进行了分段优化,通过将传输功率分段得到了DAB变换器在不同传输功率范围下的最优移相角。将所提控制策略与传统双重移相控制策略对比分析,发现所提控制策略具有更小的电流应力和回流功率,减少了变换器的导通损耗,提升了变换器的效率。当负载发生突变时,DAB变换器的动态性能得到了大幅提升。最后基于所提控制策略搭建了实验样机,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

基于ZVS的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率双重移相分段控制

双向全桥DC-DC(DAB)变换器在直流微电网作为可再生能源与储能设备的能量传输环节,通过实现零电压开关(ZVS)和最小回流功率,可显著地提升DAB变换器的性能,从而提高直流微电网的稳定性。但同时实现ZVS和最小回流功率控制在理论上是相互制约的。针对这一问题,该文提出一种基于ZVS的最小回流功率双重移相分段控制策略。通过对双重移相下的传输功率进行分段,前段将ZVS作为约束条件,得到基于ZVS条件下的最小回流功率控制策略,后段通过KKT条件法实现在给定传输功率下的最小回流功率控制策略。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制对比分析,发现所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提高了变换器的性能。最后,基于所提控制策略搭建实验样机,验证了控制策略的正确性和有效性。

双向全桥串联谐振DC/DC变换器扩展相移控制的全局优化方法

基于传统基波等效法建立的双向全桥串联谐振(dual bridge series resonant,DBSR)DC/DC变换器模型准确度不高,导致控制存在误差,变换器的工作效率降低。文中采用分段分析法建立DBSR变换器在扩展相移(extended phase shift,EPS)控制下的模型,能够准确描述变换器的特性。传统单相移控制下变换器的回流功率和开关损耗较大,导致变换器工作效率降低,而文中提出一种基于EPS控制的全局优化控制方法,能有效降低回流功率和开关损耗。首先分析双向全桥串联谐振DC/DC变换器的回流功率原理,建立回流功率的优化控制模型;然后结合软开关条件及考虑死区时间下的完全软开关特性,建立双向全桥串联谐振DC/DC变换器的全局优化控制算法;最后,在基于TMS320F28335控制器的实物实验平台上,对所提方法与传统方法在宽电压增益下以及全功率范围内进行实验对比。实验结果表明:与传统基波分析法相比,所提建模方法具有更高的准确度,且所提的优化控制方法可以有效降低回流功率,显著降低变换器的开关损耗,能够大幅提升变换器的传输效率。

基于移相和调频的单级双向AC-DC变换器临界电流调制策略

传统双有源桥单级AC-DC变换器的移相调制难以实现全范围软开关,开关管损耗大,效率难以进一步提高。针对此问题,该文提出一种基于临界电流模式(BCM)的调制策略,将移相和调频相结合,实现所有开关管的零电压开通,从而有效地降低了开通损耗。该文分析单级式双向AC-DC变换器的临界电流调制基本原理和软开关实现条件,并推导出软开关条件下的移相和频率数学表达式。搭建DC 48 V、AC 220 V、500 W实验样机,最高效率达到94%,通过实验验证该调制策略的有效性和正确性。

双有源桥DC-DC变换器线性自抗扰控制

针对双有源桥DC-DC变换器单重移相控制电流应力大,采用传统PI控制动态特性差等问题,为同时优化变换器电流应力和动态特性,在扩展移相控制下,提出一种线性自抗扰控制结合直接功率控制的电流应力优化方案。通过建立扩展移相各个状态下的数学模型,推导出电流应力的全局最优解,将线性自抗扰控制器引入电压环,与直接功率控制相结合,输出传输功率标幺值至电流应力优化算法中,计算对应移相角。仿真和实验结果表明:新优化控制策略能在减小电流应力的同时提高变换器的动态响应能力。