基于变频重构S/SP拓扑的无线电能传输系统恒流恒压研究

针对电动汽车无线充电系统耦合系数和负载变化导致系统输出电流和电压剧烈波动的问题,提出一种由交错叠放式线圈结构和变频重构控制策略组成的无线电能传输系统,通过重构补偿拓扑,并切换工作频率,实现了系统的恒流恒压输出。首先,分析了拓扑重构前后系统的恒流、恒压输出特性和零相角特性,对比恒流恒压工作模式下补偿电容的大小,给出了系统参数调整方法。其次,剖析了交错叠放式线圈结构模型,提出基于耦合系数波动最小原则的线圈结构优化策略。所提出的系统补偿元件较少,两个工作频率点符合国际标准。最后,搭建一套500 W的实验样机,验证系统的可行性和有效性。实验结果表明,交错叠放式线圈在X轴方向偏移发射线圈外径的55%(187mm)或Y轴方向偏移120mm时,耦合系数波动率小于5%。系统在恒流模式下电流波动率为3.58%,在恒压模式下电压波动率为4.83%,满足无线充电系统恒流恒压需求。

一种交错控制高增益ZCT Boost变换器

在高增益场合,传统Boost变换器存在增益受限、器件应力大、效率低等问题,为此,提出一种交错控制高增益零电流转移(zero current transition,ZCT)ZCT Boost变换器,详细分析其工作原理,在此基础上对其电压增益进行推导,讨论其软开关工作条件,特别分析考虑二极管反向恢复时变换器的工作情况。最后搭建一台额定输入电压为12 V、输出电压为100 V、输出功率为35 W的实验样机,变换效率最高达到87.7%,实验结果验证了理论分析的正确性。

三相电压型ZCT PWM变换器的效率分析与实验研究

对一种应用于三相电压型脉宽调制(pulse width modulation,PWM)变流器的零电流开关(zero current transition,ZCT)软开关技术进行深入理论分析,通过数学推导和实验验证指出,由于功率器件二极管反向恢复和结电容的影响,理想的软开关过程很难实现,特别是在大功率应用场合。研究表明,虽然采用此ZCT软开关技术可减小主开关管的部分开关损耗,但却引入了多个二极管的反向恢复,总体效率能否提高与功率器件二极管反向恢复电荷和结电容大小有关。

一种感应耦合能量传输系统的软启动控制方法

为解决目前感应耦合能量传输系统启动阶段电流冲击大、启动可靠性较差等问题,提出一种新型软启动控制方法。分析了基于串-串型补偿电路的感应耦合能量传输系统的数学模型,对比分析高频逆变器不同调制占空比与启动特性之间的关系,对系统软启动调节时间长度、占空比调制载波频率等关键参数进行了选取。所提软启动控制方法可较好地抑制启动冲击电流以及软启动调节时间过后的电流振荡现象,并实现高频逆变器在全时间范围内的零电压开关,降低了高频逆变器的开关损耗,进一步提高了系统的安全性和可靠性。基于研制的感应耦合能量传输系统实验样机进行实验,实验结果证明了所提软启动控制方法的有效性。

基于拓扑重构实现恒流恒压输出的WPT系统

提出一种基于拓扑重构的具备恒流(CC)和恒压(CV)输出特性的无线电能传输(WPT)系统。该系统可从能实现CC输出的SS拓扑切换到能实现CV输出的S/LCC拓扑。相比于现存的采用拓扑重构方法实现CC和CV输出的WPT系统,所提系统仅需要一个交流开关并且无需引入多个无源元件。除此之外,该系统在整个充电过程中操作频率固定不变,这避免了频率分岔现象。同时,该系统可以实现零相位角(ZPA)运行,保证了系统的高传输效率。最后搭建一台87 W的实验样机,实验结果和理论分析保持一致,验证了所提系统的合理性。

ZCT-PWM Boost变换器的潜电路分析及其应用

在分析软开关变换器潜电路模态的过程中,首次发现这些变换器的软开关性能可以通过在原有基本工作模态的基础上,加入某些潜电路模态来实现。为了利用潜电路模态提高变换器的软开关性能,提出了应用开关布尔矩阵方法分析软开关电力电子变换器的潜电路模态,以及改进变换器性能的方法。以ZCT-PWM Boost变换器为对象,分析了ZCT-PWM Boost变换器中存在的潜电路,通过改进变换器的控制方式,在基本工作模态中加入了潜电路模态,使开关管的开通和关断都可以在零电流条件下完成,从而改善了变换器的开关条件。仿真结果验证了所提出方法的正确性和有效性。

基于拓扑切换的三线圈恒流恒压无线充电系统研究

与传统的插拔式充电系统相比,无线功率传输WPT(wireless power transfer)系统因具有更加安全、高效、稳定、便捷的特点,受到越来越多的关注。基于此,提出1种基于拓扑切换的三线圈恒流CC(constant current)恒压CV(constant voltage)无线充电系统,实现与负载无关的CC和CV充电输出功能。首先,通过设置2个交流开关实现系统CC与CV模式之间的切换,并且能保证系统在CC和CV模式下均能运行在零相位角ZPA(zero phase angle)状态。然后,将交流开关设置于系统接收侧,则该系统不需要额外的无线通信模块辅助,可在一定程度上减少系统的开发成本并避免无线通信可能受到干扰而造成系统的不稳定性。最后,搭建了1台验证性实验样机,设置其充电电流和充电电压分别为3 A和60 V,其最大系统功率传输效率可达到92.9%。实验结果与理论分析基本一致,验证了所提系统的正确性和可行性。

磁耦合无线电能传输系统宽范围零电压开关实现方法

在磁耦合无线电能传输(MC-WPT)系统中,由于磁性材料和金属材料的存在,气隙变化会导致线圈自感和互感发生变化,这在小气隙应用中尤为明显。该文提出一种考虑线圈参数和负载变化的宽耦合范围零电压软开关(ZVS)实现方法。该方法使用移相调制(PSM)实现了系统的恒流/恒压(CC/CV)输出。通过优化线圈结构和补偿参数,自感变化转变为有利的可变输入阻抗,从而显著地拓宽了ZVS运行范围。同时,系统无功电流降到最小。为了验证所提方法的有效性,搭建一套250 W的实验装置,实验结果表明,在气隙变化范围10~60 mm,最大自感变化范围32.88~23.84μH,最大互感变化范围19.13~6.05μH内,系统实现了最小无功电流下的宽耦合范围ZVS运行,且具备CC/CV输出特性,峰值效率达到92.5%。

基于Pspice的ZCT-PWM Boost变换器仿真分析

采用OrCAD/Pspice仿真软件对ZCT-PWM Boost变换器进行仿真分析。通过对电路的理论分析,使电路的开关管均工作在零电流条件下,同时对电路进行仿真分析,为确定元件参数提供了科学的理论依据。

论ZCT与CPM的质量控制和它们的匹配

以电磁式三极漏电断路器为例,从生产验证角度分析了零序电流互感器及执行脱扣环节的脱扣器的质量控制要点。并对零序电流互感嚣初级、次级匝数的最佳匹配进行了实例计算。

一种基于ZCT软开关的三相PWM逆变器技术

采用软开关技术可以有效地减小开关动作带来的损耗,但由于增加了辅助回路,又会造成额外的损耗。文章介绍了一种基于零电流转移(ZCT)软开关的三相光伏并网逆变器,分析了这种软开关技术的工作原理,并提出了一种软开关谐振参数的设计方法,从而使软开关的总损耗最小。同时对研制的100kVA软开关光伏并网逆变器样机进行了实验,并对软、硬开关的开关损耗进行了对比研究。

基于ZCT软开关三相PWM整流器的研究

为了降低开关损耗,提高变换器的效率,详细分析了一种基于ZCT软开关技术的三相PWM整流器,并研制了一台10 kVA ZCT软开关的PWM整流器工程样机,实现了电力电子开关器件在PWM整流器工作时的零电流开通与关断。

基于频率切换实现电池恒流和恒压充电的LCC-S补偿WPT系统研究

无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统具有安全、方便、美观等性能优势,已逐步渗入到人们的日常生活中。在电池充电应用中,通常期望WPT系统能够在零相角ZPA(zero phase angle)条件下实现负载无关的恒流和恒压充电功能。提出了一种基于频率切换的LCC-S补偿WPT系统及其参数设计方法,可使系统在2个不同的ZPA频率点分别实现负载无关的恒流和恒压充电输出,无需改变电路拓扑结构。设计的LCC-S补偿WPT系统接收侧仅有一个补偿电容,确保了WPT系统接收侧紧凑性。最后,搭建了一台充电电流和电压分别为3 A和50 V的实验样机,验证了本研究中WPT系统的合理性与实用性。

直流微网混合式零电压开关直流断路器

随着分布式电源技术的发展,直流微网是未来发展的新方向,应用于直流微网快速保护的直流断路器是推动微网发展的关键技术。为此根据直流微网的保护要求提出了一种快速保护的混合式零电压开关(ZVS)直流断路器总体方案,设计了混合式直流断路器的结构和控制系统,并对其关键技术:基于快速斥力机构的真空开关,IGBTs并联技术和限压技术展开了研究。最后基于Mayr电弧模型和真空开关电弧电压建立了ZVS混合式直流断路器的仿真模型,仿真得到了混合式断路器的电流转移特性和开断配合特性。最后根据研究结论,综合得到了400 V/2 500 A开断电流10 k A,闭合时间200μs,开断故障电流时间<2 ms的混合式直流断路器总体方案。

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%。

感应耦合能量传输系统中双边LCC谐振腔恒流和恒压模式的研究

感应耦合能量传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统中补偿网络能够改善系统特性,目前针对谐振补偿网络的输出电流和电压特性没有一种简单易行的分析模型。首先分析了LC电路、??型电路和T型电路实现与负载无关的恒流或恒压输出的谐振条件,并针对高阶无源谐振网络提出一种建模方法,通过将谐振网络等效成2阶LC网络和多级3阶???型电路或多级3阶T型电路的串联,研究其恒流或恒压输出的物理机理。ICPT系统中双边LCC谐振腔实质上是一个9阶谐振网络,基于所提建模方法,分析双边LCC谐振腔输出电流和电压特性。此外,提出仅切换一次系统工作频率便可以实现系统先恒流再恒压输出的方法,且恒流和恒压模式下系统工作频率均满足SAEJ2954标准要求,分别能实现谐振腔输入电压、电流之间的零相角和原边逆变器MOSFETs的零电压开通。搭建3.3kW电动汽车感应耦合能量传输系统的Matlab仿真平台和实验样机,验证理论分析的正确性和可行性。恒流和恒压模式下实验样机谐振腔的效率分别为92.1%和89.7%。

一种高压直流断路器的电路构成及其试验方法

介绍了交流断路器断口并接辅助振荡回路的方法,基于电流叠加产生过零的原理使交流断路器断口实现分断直流电流的功能,描述了高压直流断路器的结构、特点及电路关键参数的计算方法,并探讨了考核、验证高压直流断路器的直流电流开断能力的试验电路形式,提出了实现等效试验基于电容、电感储能形式的模拟直流电源的方案,分别给出了试验时序、仿真和试验结果波形,为高压直流断路器和特高压直流转换开关的研制、性能测试和考核提供了一种经济可行的技术方案。

高频链TSMC的双极型空间矢量调制

针对传统双级矩阵变换器电压传输比最大只能为0.866的问题,研究了高频链双级矩阵变换器(TSMC)的拓扑结构,它是从常规双级矩阵变换器发展而成的一种新型功率变换器,具有功率密度大,传输损耗低的特点,不仅可以实现输入输出级的电气隔离,还可以使电压传输比达到并超过1。本文提出了高频链TSMC的双极性空间矢量调制策略,即输入级双极性电流空间矢量和输出级双极性电压空间矢量相结合的协调控制策略,系统可实现输入级的零电流换流,高质量的输入电流和输出电压/电流,以及可调的输入功率因数。仿真结果验证了控制策略的正确性和有效性。

软开关技术对双边LCCL谐振结构的ICPT系统的影响

为研究软开关技术的应用对双边LCCL谐振结构的ICPT系统特性的影响,首先分析了双边LCCL谐振结构的工作原理,推导出了该结构下逆变器开关管关断电流的完整数学模型;然后,基于该模型设计了一种基于双边LCCL谐振结构的软开关实现方法,该方法通过对初级侧补偿电容的取值进行优化,可分别实现零电流关断(ZCS)或零电压开通(ZVS)两种类型的软开关;最后,仿真和实验验证了所提方法的正确性和可行性,并从功率因数、开关管通态损耗、元件应力和输出电流稳定性的角度对比了两种软开关参数下系统的特性。

用于感应式非接触励磁系统的CLC补偿拓扑研究

在感应式非接触电能传输(ICPT)系统中,为了解决负载变化影响电路输出电流以及输入阻抗角的问题,提出一种新型的T型结构的CLC补偿拓扑,并将其与串联补偿组合形成CLC-串联型补偿结构。依据基尔霍夫定律分析了CLC补偿同时实现全负载变化范围内的输出恒流特性和零输入相位角(ZPA)特性的约束条件;推导出了针对上述约束条件的谐振网络参数设计方法;分析了系统的频率稳定性,并求出了使系统频率稳定的负载边界条件;定量地讨论了使逆变桥开关管实现零电压开关(ZVS)的谐振参数调整方法。仿真和实验结果验证了CLC补偿电路具有恒流特性和ZPA特性;当负载电阻值小于使系统稳定的负载边界值时,系统可以保持频率稳定;单独调节补偿电容容值C 1可以实现逆变器开关管的ZVS。