三电平双桥谐振变换器全局优化策略及分析

此处提出了一种三电平双桥谐振变换器(3L-DBRC)拓扑结构,与非谐振中性点箝位型(NPC)变换器相比更容易实现零电压开关(ZVS),电流应力更低。此处全面分析了3L-DBRC的工作原理、软开关条件和导通损耗。利用全局最优条件(GOC)对谐振电流有效值(RMS)进行优化,推导出了最优控制策略,进一步拓宽了变压器电压增益范围,使所有开关管能够在全功率范围下实现ZVS,消除了变换器次级的回流功率,提高了系统效率。最后,通过实验验证了所提谐振变换器拓扑结构的可行性。

三电平CLLLC谐振变换器的变频移相混合控制策略

三电平CLLLC谐振变换器因功率开关管承受电压应力低、功率密度大、软开关范围广的特点而闻名,但同时也存在启动电流过大、可调输出电压范围窄等问题。本文以正反向结构完全对称的三电平CLLLC谐振变换器为研究对象,详细分析了该拓扑结构的工作原理及其增益特性;在此基础上研究三电平CLLLC谐振变换器的软启动控制策略和变频控制(pulse-frequency modulation,PFM)升压、变频移相混合控制(pulse-frequency modulation+phase-shift modulation,PFM+PSM)降压的混合控制策略;最后通过Matlab/Simulink仿真验证本文所研究控制策略的有效性。仿真结果表明:本文研究的软启动控制能有效抑制启动阶段的电流过冲,变频加移相的混合控制策略能保证在宽输出电压范围的条件下满足开关管软开关特性,并且在模式切换和负载切换下都拥有较好的动态性能。

三电平串联谐振变换器内外管均压方法

三电平串联谐振变换器凭借其三电平半桥结构,具有显著减少功率模块数目进而降低成本的优势,被广泛应用于直流变压器。然而,当三电平串联谐振变换器工作在功率反向传输模式时,换流过程中内外管结电容充电电流不一致会导致开关器件不均压,器件存在过压损坏风险。针对该问题,文中分析了功率反向传输模式下三电平内外管不均压的产生机理,据此提出了在内管两端并联辅助电容的无源均压方法,给出了辅助电容的参数设计方法。进一步,提出了控制内外管时序的有源均压方法,推导得出了内外管时序设计依据。最后,通过75 kW实验平台验证了理论分析的正确性及所提方法的可行性。

一种新颖的三电平软开关谐振型DC/DC变换器

该文提出一种新颖的三电平LLC串联电流谐振型DC/DC变换器。每个主开关电压应力是输入电压的一半,并且全范围实现ZVS而不用附加任何电路。整流二极管工作在ZCS状态。该变换器通过二次谐振的手段使得以较小的频率变化范围就可以实现较大的输入输出调节范围。整个变换器只需一颗磁元件。该变换器在高压端输入时效率较高,应用在要求有保持时间的电源产品上特别有利。文中通过一个500V-700V输入,54V/10A输出的样机验证了它的工作原理和特点。该样机在额定条件下效率达到94.7％。

三电平LLC谐振型DC/DC变换器的分析和设计

将三电平技术和LLC谐振变换器结合起来,提出三电平LLC谐振变换器。根据等效电路模型推导出该变换器输入输出电压的增益与开关频率、负载之间的关系,揭示其开路和短路特性.为该变换器的空载工作和短路保护的设计提供了理论基础。提供了该变换器两个死区时间的设计方法,从而保证了开关电压应力限制在输入电压的一半,同时满足每个开关零电压关断的实现条件。谐振参数可用推荐的方法依照变比n、谐振电容Cs、谐振电感Ls、谐振电感Lm的次序来设计。最后根据所提供的设计方法设计了一个540 W样机,性能和结果满足要求,效率达94.7％。

复合式全桥三电平LLC谐振变换器

该文提出了一种适合于燃料电池供电系统新颖的复合式全桥三电平LLC谐振变换器。它是在复合式全桥三电平变换器的基础上加入了LLC谐振网路以实现开关管ZVS和整流二极管ZCS。该变换器集合了复合式全桥三电平变换器和LLC谐振变换器的优点:适合于在宽输入电压范围的应用场合;三点平桥臂的开关管电压应力只有输入电压的一半;整流二极管实现ZCS,其电压应力仅为输出电压;可以在全负载范围内实现ZVS。该文通过一个200-400V输入,360V/4A输出的原理样机验证了它的工作原理,并给出实验结果。

零电压开关多谐振三电平直流变换器

该文提出一族零电压开关多谐振三电平直流变换器(Zero-voltage-switching multi-resonant three-level converters,ZVS-MR-TLCs),它是在三电平变换器的基础上加入LCC谐振网络实现ZVS,开关管和二极管的结电容以及变压器的漏感被利用。该文以Buck ZVS-MR-TLC为例分析它的工作原理和特性,并与传统的两电平零电压开关多谐振变换器(ZVS-MRC)进行比较。与两电平ZVS-MRC相比,ZVS-MR-TLC功率器件的电压应力降低,实现ZVS的负载范围变宽,滤波电感和滤波电容大大减小。最后给出了实验结果。

具有宽范围输出电压的三电平半桥LLC谐振变换器控制策略

由于三电平变换器的开关管电压应力仅为输入电压的一半,在大功率DC-DC电源、电动汽车充电等应用领域得到广泛的关注和研究。为了实现宽范围输出电压调节控制,克服三电平半桥LLC谐振变换器采用变频调制时电压调节范围小的缺点,将移相调制策略引入三电平半桥LLC谐振变换器控制,分析了其工作过程、电压调节范围及软开关条件,导出了实现软开关的工作状态分界点,由此提出一种三电平半桥LLC谐振变换器移相和变频相结合的混合式调制策略。该策略根据软开关工作状态,切换移相调制和变频调制,以实现全程软开关和宽范围输出电压控制。实验验证了理论分析结果的正确性以及所提调制策略的可行性和有效性。

零电压开关多谐振三电平直流变换器的控制策略

零电压开关多谐振三电平直流变换器具有功率器件电压应力低、实现软开关范围宽、输出滤波器小的优点。该变换器的两只开关管采用相位差π脉冲频率调制的控制方式。该文将介绍交错控制方案的实现。在实际应用中由于控制电路和／或驱动电路有差异,使得两只分压电容不均压,该文提出一种均压方法,细微地调节开关管的关断时间,确保分压电容均压。论文最后给出实验结果,以验证上述方法的有效性。

双向半桥三电平LLC谐振变换器

在此提出一种双向半桥三电平LLC谐振变换器,其结构完全对称。半桥三电平结构的电压应力小,仅为输入电压的一半。采用改进的同步控制策略,变换器在不同增益下,只需要通过控制开关频率,就可以实现正向工作和反向工作的自由切换。在增益等于1时,可以在任何工况下实现所有开关管的零电压开关(ZVS)开通;在增益不等于1时,低压侧开关管可始终实现ZVS开通,高压侧可实现ZVS开通或零电流开关(ZCS)开通。在此提出一种空载启动方案,可解决变换器在空载启动时,产生冲击电流的问题。最后,设计了一台4.8 kW样机进行实验,实验结果验证了空载启动方案以及双向控制策略的有效性。

半桥三电平LLC谐振变换器的轻载控制策略

半桥三电平LLC谐振变换器(HBTL-LLC)具有开关管电压应力小、效率高等优点,通常将移相控制策略引入LLC控制以提高输出电压的调节范围,但随着负载变轻,该控制策略下的变换器输出电压增益曲线发生偏移。针对这个问题,在考虑变换器整流二极管寄生电容的情况下,详细分析了轻载增益不能有效调节的原因,并提出了半桥三电平LLC谐振变换器的一种轻载控制策略,能够在轻载工况下实现软开关以及输出电压低纹波。设计了一台7.5kW的样机,验证提出的轻载控制策略的可行性。

一种适用于新能源中压直流汇集的无环流零电流软开关三电平谐振式复合全桥变换器

直流变换器是中压直流(MVDC)汇集系统中的关键部分,起着升压、隔离、电能传输等功能。相比传统的中压交流汇集方案中体积巨大的变压器,中压直流方案中的变换器由于采用中高频控制可大幅减少装置体积。为适应新能源发电端口电压越来越高的发展趋势,该文提出一种无环流零电流软开关(ZCS)三电平复合全桥变换器,其由一个半桥三电平电路和全桥电路共同复用2个开关管而构成,从而所有开关管的电压应力只有输入电压一半,不仅有利于该变换器应用于高输入电压场合,同时还保留所有开关管的软开关特性且消除一次侧环流。为进一步降低所有开关管的峰值电流和辅助开关管的关断电流,又引入了LC串联谐振技术,可大幅降低辅助开关管的关断电流,从而使其开关损耗得到进一步降低。该文对变换器中关键参数进行分析设计,通过PLECS进行仿真,并制作了一台150 V/750 V/1 kW的样机进行了实验验证。

一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器

随着蓄能锂电池恒流充电方式的普及,针对双向车载充电机中传统电压源直流变换器不具备自然恒流输出问题,提出一种新型双向三电平倍流LCL-T谐振直流变换器,其由LCL-T谐振结合三电平级联中性点箝位有源桥构成。由于耦合变压器级联的特殊方式,有源桥各子桥臂可独立或并行工作,据此可设计不同的调制方式控制谐振腔输入电压,建立变换器一倍、二倍准恒流模式。为实现双向功率传输特性一致,谐振腔器件参数采用对称设计,进而研究了一种受归一化频率fn、品质因数Q控制的LCL-T谐振准恒流输出,并考虑无功功率控制和实现开关管零电压开通,设计满足给定准恒流输出精度的输出工况筛选算法。最后通过所搭建的仿真平台和实验样机证明所提变换器在各模式下均能实现给定精度内的准恒流输出。

三电平LLC谐振变换器关断损耗的优化设计

开关管关断损耗是三电平LLC谐振变换器高频工况下的主要损耗,是一个与谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm以及电压增益Gv密切关联的变量。首先用时域分析法,建立了开关管关断电流Ioff与电感比k、归一化频率fn和品质因数Q之间的解析函数;并结合开关管关断过程特点,建立了关断损耗Psw-off与[k,fn,Q]之间的解析函数。然后构建出[Ioff,k,fn,Q]和[Psw-off,k,fn,Q]2个四维图形,分析参数之间的规律。在此基础上,推导了在电压增益的需求和开关管零电压导通的实现2个约束条件下来优化Psw-off的[k,fn,Q]参数取值空间,进而采用粒子群优化算法求解关断损耗优化下的[k,fn,Q]值。最后设计了一个200 V输入、130 V输出、负载电阻48.4Ω、额定功率350 W的实验样机,并对比分析了所提方法与降低谐振电流有效值来减少导通损耗的传统优化方法分别在满载与半载条件下的关断损耗,证明了所提优化方法在降低开关管关断损耗、提高变换器效率方面效果明显。

具有高增益模块的三电平LCC谐振DC-DC变换器

首先介绍了串联谐振变换器、并联谐振变换器、串并联谐振变换器和多器件谐振变换器4种谐振变换器,并简要分析了各自的优缺点,同时通过大量的文献概述了当前该领域的研究现状。在此基础上,针对高增益模块的中压应用,提出了一种结构可重构控制的三电平串并联谐振变换器。与传统谐振变换器相比,该变换器具有2种工作配置,既能满足较宽的输出范围,又能将开关频率范围缩小到接近谐振频率的范围。由于TL结构使一次侧关的电压应力降低了一半,从而有利于降低变换器的成本,在较宽的输出范围内,可以提高其效率。分析了该变换器的工作原理、特点和性能,通过仿真结果验证了该变换器的有效性。

基于三电平LLC谐振型变换器在新能源汽车充电机的设计研究

车载充电机是新能源汽车动力单元的核心部位,又是与电网电压相接的设备,高效、高功率因数、小体积是其必须具备的功能,为了实现高效率和宽输出电压范围调节,DC/DC变换采用半桥三电平LLC谐振双向直流变换器拓扑电路,以提高充电机的效率和功率因数,通过描述其工作原理与特性设计元件参数与选型,并通过仿真验证高功率、宽电压范围输出的可行性。

三电平LLC谐振变换器中点电压平衡控制方法

针对全桥二极管中性点箝位(NPC)三电平LLC谐振变换器的中点电压偏移问题,此处提出了一种基于五电平脉宽调制(5L-PWM)的中点电压平衡控制方法。首先介绍了5L-PWM策略下变换器工作原理,并分析了不同工作模式下对中点电压的影响;之后提出了根据中点电压偏移情况选择合适工作模式的中点电压平衡控制方法,该方法无需比例积分(PI)控制器,同时在中点电压调节过程中不会造成功率传输波动。最后通过仿真和实验验证了所提控制方法可以有效解决中点电压的偏移问题。

适用于高压宽输入新型三电平LLC谐振变换器

在高压大功率轨道交通电源应用中,常使用三电平变换器,因其主开关管承受的电压应力仅有输出电压的一半。但是三电平输入电压高,伴随高开关损耗,导致效率低下,因此在使用三电平拓扑时需应用软开关技术以降低损耗。提出了一种适用于高压宽输入新型三电平LLC串联谐振变换器,该拓扑不仅能实现良好的软开关性能,而且能实现电流均衡。分析了该变换器的工作原理,通过仿真和实验对该拓扑的有效性进行了验证。

超宽输入范围的三电平LLC变换器及控制策略

为解决传统LLC谐振变换器输入电压范围较窄的问题,在此提出了一种具有超宽输入电压范围的T型三电平LLC谐振变换器,详细分析了其工作原理及增益特性,并给出了一种融合调频控制、移相控制以及变模态控制等多种控制模式的混合控制策略。与传统的LLC谐振变换器相比,在此提出混合控制策略使LLC谐振变换器的增益比达到8倍以上。最后通过原理样机实验验证了所提电路拓扑及混合控制策略的正确性。

采用ZVS-PWM三电平直流变换器的电力整流模块

介绍了一种采用移相控制零电压开关PWM三电平变换器的电力整流模块,讨论了主电路和控制与驱动电路的设计,并给出谐振电感的参数设计,和实验波形。