低冗余高可靠模块化输入并联输出串联电源系统及其控制方法

为了使输入并联输出串联电源系统同时具备模块级和系统级冗余能力,提出低冗余高可靠超宽电压范围电路结构及其控制方法。基于两级式电路和多模块串并联实现电源系统超宽电压输出,通过模块级部分子电路冗余设计,实现模块级和系统级N+X双重冗余,使得功率模块部分失效或多个模块全部失效时系统仍具有全电压、全功率输出能力。进一步提出模块化电源系统的分布-集中混合式控制策略,分布式自主控制保证了模块间应力均衡、并使得输出电压在目标值范围内,集中控制确保总输出电压精度。该文详细分析所提电路结构及其控制策略的原理、特性和实现方案,并通过0~1000 V/50 kW输出电源系统实验,验证了所提方案的有效性。

输入串联输出并联型三电平双有源桥变换器功率与电压平衡控制策略

针对三电平半桥型输入串联输出并联(ISOP)型双有源桥(DAB)变换器的各模块参数差异而导致的模块功率不均衡传输问题,该文首先分析多模块功率不平衡原因,然后提出基于三重移相(TPS)调制的串联侧功率平衡策略。针对ISOP系统多模块间参数差异问题,提出多模块参数差异估计方法,该方法无需增加额外的电流或电压传感器,通过注入强制分量作为扰动而采集反映模块差异的特征量变化,对控制量进行补偿实现多模块功率平衡。仿真和实验结果表明,在多种扰动条件下,所提功率平衡方法可实现样机串联侧均压,在输出电压24V工况和10~435W功率范围下,系统在所提控制策略下能明显提高串联侧的电压平衡,工作效率达到90%以上。

基于输入并联输出串联的高效高升压比DC-DC变换器

随着新型可再生能源的快速发展,对高效、高升压比DC-DC变换器的需求日益增加。传统两级级联式结构中,前后两级均需传递全部功率,不利于系统效率的提升。为此,该文提出一种基于输入并联输出串联(IPOS)连接的上下堆叠式高升压比直流变换器,系统的上部分变换器工作在直流变压器(DCX)状态,实现恒电压比传输,处理大部分功率,通过对谐振点处的参数优化实现效率提升;下部分变换器则起到系统闭环动态调压的作用,传输小部分功率。该文详细介绍所提出结构的工作原理、参数设计以及平面变压器的优化设计,并搭建24~32 V/400 V、额定功率200 W、开关频率1 MHz的实验样机验证了理论分析的正确性,所搭建样机峰值测试效率高达96.3%。

一种输入串联输出并联双有源桥变换器输入电压自平衡结构

输入串联输出并联(inputseriesoutputparallel,ISOP)双有源桥(dualactivebridge,DAB)变换器的输入均压(input voltage sharing,IVS)主动控制策略存在控制系统复杂和传感器数量较多的问题。相反地,无源调控方法的控制系统简单,因而具有明显的优势。基于无源均压思想,提出一种适用于共占空比控制的基于耦合电容的ISOP-DAB变换器的输入电压自平衡拓扑结构,通过耦合电容使得子模块的高频链环节产生电气耦合,从而实现子模块输入电压的均衡。进一步,给出含有耦合电容的ISOP-DAB变换器的简化等效电路,并进行理论分析与推导,得到子模块输入母线电压偏差及耦合电容电流与变换器硬件参数的关系。理论计算表明该拓扑在子模块参数存在较大的偏差时仍然具有较好的IVS能力。最后,仿真和实验结果验证该拓扑的可行性和有效性。

基于输入串联输出并联的双向全桥串联谐振DC-DC变换器系统控制策略研究

对基于输入串联输出并联(ISOP)的双向全桥串联谐振DC-DC变换器(DBSRC)系统的控制策略进行研究。采用周期平均法构建DBSRC及其ISOP级联系统的小信号模型及对应传递函数,其中各DBSRC子模块输入电压均受其他模块移相角影响。为了实现子模块输入电压的均衡,提出一种差分输入电压均压(DIVS)控制策略,该策略实现了系统控制框图中输出电压环和输入均压环的解耦控制。相比传统输入均压控制策略,该策略所需的通信数据量较少,具有较高的动态响应性能。最后,通过仿真和12kW样机的实验结果验证了DBSRC小信号模型的准确性及DIVS控制策略的有效性和优越性。

输入串联输出并联的双全桥变换器输入电容均压问题的研究

高输入电压的变换器可以采用一种输入串联输出并联的拓扑。ISOP拓扑的关键问题是输入电容的动态均压。该文提出对两个输入电容的压差进行检测,通过输出电压反馈和压差前馈方式实现均压的新控制方式。为提高动态响应特性,高频变压器采用了两原边两副边四绕组共铁芯的磁集成结构,分析了这种结构的工作原理。同步信号保证双全桥中的开关器件能够实现ZVS。控制策略上采用了电压环、压差环和限流环的三环控制方式。这种结构与控制方式可以保证将低压IGBT安全可靠地用于高输入电压的工况下,而且保证有良好的动态均压效果。给出了小信号模型和PID控制的仿真结果。制作了一台样机以验证理论分析。实验结果表明所采用的方法使变换器具有良好的动态均压与负载均分特性。

基于负载自适应的辅助LC网络宽范围零电压开通的输入串联输出并联移相全桥DC-DC变换器

提出一种由2个移相全桥(phase-shifting full-bridge,PSFB)变换器模块和2个辅助LC网络组成的输入串联输出并联的DC-DC变换器。每一个LC网络连接在一个模块超前桥臂的中点和另一个模块滞后桥臂的中点之间。利用辅助LC网络,滞后桥臂开关管可以实现轻载下的零电压开通(zero voltage switching,ZVS),辅助LC网络的电流幅值可以自适应负载变化,即轻载时电流幅值大,用于实现滞后桥臂软开关管能量多,重载时,LC网络电流幅值小,环流损失小。因此,所提变换器适用于宽范围负载。对变换器的特点进行分析,并通过一个功率900W的原理样机验证了所提变换器的性能。

输入串联输出准并联的多路输出变换器

采用多路输出直流变换器的服务器电源架构具有较好的效率优势。提出一种应用于该电源架构中的输入串联输出准并联的多路输出变换器。该多路输出变换器由一个DCX和一个辅助变换器组成,其中DCX处理大部分输出功率,辅助变换器仅处理小部分功率,并用来稳定DCX的其中一路输出电压。给出DCX和辅助变换器的电路拓扑选取依据,并提出变换器的软启动控制策略。最后,以输入串联输出准并联的双路输出LLC变换器和双管正激变换器为例,设计一台500W原理样机,进行实验验证。实验结果表明,所提出ISOq P多路输出变换器及其控制策略具有可行性,变换器具有较高的效率,有利于提高服务器电源的整体变换效率。

CLLC型模块化输入串联输出并联直流变压器

提出了一种CLLC型模块化输入串联输出并联的直流变压器技术方案,实现了高压直流电网和低压直流电网之间的电压变换和功率的双向传输。直流变压器的子模块采用CLLC串联谐振变压器,通过开环定频控制模式和完全谐振工作模式,效率高、电压增益恒定,同时具有输入自然均压和输出自然均流的特点。为了抑制较大的启动冲击电流,提出了一种软启动控制策略:通过脉冲调制的方式控制输入端全桥电路的输出电压占空比D从Dmin缓慢增加到0.5。搭建了一台500 kW±7.5 k V/800 V直流变压器实验样机,实验结果验证了所提方案的正确性和可行性。

输入串联输出并联变换器的控制器设计及稳定性分析方法

输入串联输出并联(ISOP)变换器具有低电压、电流应力、模块化等优点,在高压至低压的功率变换领域得到广泛的应用。以输入电压平衡作为基本控制思想,结合ISOP变换器的等效双闭环控制框图,提出了相应的控制器设计方法及稳定性分析方法,在简化了控制器设计流程的同时提高了稳定性分析的可靠性。为了验证该方法的有效性,选取了双向高效能软开关DC-DC变换器——全桥LLC谐振变换器作为研究对象,对其小信号控制模型进行了进一步的推导和完善,并结合实例,完成了控制器的设计和稳定性的分析。最后,搭建了基于全桥LLC谐振变换器的2单元ISOP变换器实验平台,从起机过程、负载切换过程和功率平衡效果3个方面对上述结论进行了实验验证。

分布式输入串联输出并联逆变器系统的复合式控制策略

输入串联输出并联逆变器系统适于高压直流输入、大电流交流输出的应用场合。为实现该系统的控制目标——输入均压和输出均流,提出了复合式控制的两种具体实现方案——输入均压/输出电感电流同相位控制和输入均压/输出电感电流同幅值控制。为实现系统的完全模块化,提出了一种新的分布式架构,各模块间仅通过输出电压基准同步母线、输入均压母线和平均电流母线进行相互通信。研制了样机,仿真和实验结果验证了所提方案的正确性与有效性。

多逆变器模块输入串联输出并联组合系统的分布式控制及其冗余技术研究

输入串联输出并联逆变器组合系统适用于高压直流输入、大电流交流输出的应用场合,其多模块串并联组合的特点令其可有效提高系统工作的可靠性。为了切实体现这一优点,需实现该系统的冗余运行,这实际上包含2个步骤:实现系统的分布式控制;实现其冗余功能。首先给出一种新的分布式架构及控制策略实现模块间功率均衡,讨论控制环路间的关系并进行设计;在实现分布式控制的基础上提出一种可保证系统冗余运行的控制方案,并给出热插拔时序;最后研制3模块的原理样机,实验结果验证了所提方案的正确性和有效性。

输入串联输出并联LCL型并网逆变器系统的目标多重化控制策略

输入串联输出并联(ISOP)逆变器组合系统适用于高直流电压输入、大功率交流输出的应用场合。如果将ISOP逆变器的拓扑应用在并网场合,那么一个大容量的并网逆变器就可以由多个小容量的标准化逆变器模块组成,这将有效提高系统的可靠性并且有利于系统的设计。本文基于ISOPLCL型并网逆变器组合系统,给出其优化拓扑以降低系统的体积和质量,并据此筛选控制变量,进而提出一种分布式控制策略以实现并网系统的多重控制目标,其包含模块间的功率均衡、谐振尖峰的抑制和进网电流的高功率因数。然后,论文在所提分布式控制的基础上给出一种冗余运行方案,保证ISOP逆变器并网系统中故障模块的平滑退出和备份模块的顺利投入。最后通过实验,验证了所提方案的有效性。

输入串联输出并联直流变压器

随着电力电子技术的发展,直流变压器得到了越来越多的关注。为了实现低压功率器件在高压电能变换中应用,人们采取了多电平拓扑结构、功率管串联技术和功率模块的串联技术等。本文以全桥直流变压器功率模块组成输入串联输出并联(Input series and output parallel,ISOP)结构直流变压器为研究对象,并详细地分析了其基本原理和影响均压的因素。仿真和实验结果验证了理论分析正确性,并表明在模块参数基本一致时,ISOP结构直流变压器能够获得较好的均压效果。

输入串联输出并联变换器的输入均压稳定性分析

输入均压是输入串联输出并联(input-series output-parallel,ISOP)变换器稳定工作的保障。通过分析ISOP系统的输入电压与等效电阻及输入电压与输入功率的关系,提出实现输入均压稳定的必要条件,并给出两个输入均压稳定判据,判断ISOP系统的输入均压稳定性。分析ISOP逆变器输出有功功率和无功功率的传输过程以及对输入均压稳定性的影响,并用所提出的稳定判据证明ISOP逆变器的输出均流控制策略不能实现输入均压稳定,而输入均压控制策略可以实现输入均压稳定。通过实验验证了稳定判据及分析的正确性。

输入串联输出并联DC/AC逆变器系统的控制策略

输入串联输出并联逆变器系统适用于输入电压高、输出电流大的直流/交流变换场合,要保证该逆变器系统正常工作,就必须保证输入电压均压与输出电流均流。提出一种采用负载电流反馈的输入均压输出均流控制策略,该控制策略根据各模块间的输入电压偏差直接调节各模块的输出电流幅值,使输入电压高的模块输出电流增大,输入电压低的模块输出电流减小,从而实现输入均压。与采用输出滤波电感电流反馈的方法相比,采用负载电流反馈时,即使输出滤波电容不匹配,也不影响输出均流效果。同时,还分析输入均压环与系统输出电压环的关系,给出输入均压环和系统输出电压环的设计准则。最后以一台由2个模块组成的输入串联输出并联逆变器原理样机验证该控制策略的有效性以及环路设计的正确性。

输入串联输出并联逆变器的集中式均压控制策略

输入串联输出并联逆变器可将小功率模块组合后,用于高电压输入、大电流输出的交流供电场合。本文提出了一种集中式均压控制策略,解决系统的输入均压和输出均流问题。其中输出电压环和输入均压环集中设计在一起,共同给系统中各模块提供控制信号。各模块具有独立的电流环和主电路。输入均压环通过调整各模块的电流环给定信号,使输入电压高的模块输出电流增加,输入电压低的模块输出电流减少,从而实现了两模块的输入均压。在输入均压时各模块电流环的给定信号相同,同时实现了输出的均流。文中对所提控制策略进行了分析,并根据解耦的思想,给出了控制系统设计的方法。最后进行实验验证,并给出实验结果。

一种基于输入串联输出并联移相全桥变换器的改进交错控制方法

地铁辅助供电系统中的DC-DC变换器输入电压和系统额定功率较高,因此不容易匹配合适的开关器件。为了减小开关器件的电压和电流应力,采用模块化的输入串联输出并联(ISOP)结构。该文对ISOP变换器的均压均流原理进行分析,推导出该变换器的数学模型并设计相应的控制器。随后对该变换器共用占空比控制模式进行分析和研究,验证了控制器设计的合理性。在PSIM仿真中,验证了电流交错控制方法具有减小输出电流纹波和在一定程度上减小滤波电容的作用。为了对系统的性能和寿命进行可靠的评估,该文提出一种改进型交错控制方法,将输出电流纹波控制在5%以内,通过Matlab进行仿真验证以确立这种方式的有效性。最后增加ISOP系统的单模块DC-DC变换器满功率40kW工况实验,验证了单个模块系统的输出稳定性和动静态性能。在此基础上搭建了ISOP系统的硬件实验平台,并进行小功率实验的调试,验证了均压均流控制方法的正确性。

输入串联输出并联逆变器的分布式均压控制策略

分析了输入串联输出并联(Input-Series Output-Parallel,ISOP)逆变器的输入均压原理,在此基础上提出一种新颖的分布式均压控制策略,解决了输入均压问题。与集中式均压控制策略不同,该控制策略将输入均压控制电路分散到各模块中,使其成为可独立工作的标准模块。各标准模块的控制电路通过互连线连接,组成ISOP逆变器。分布式均压控制策略促进了系统的模块化,提高了可靠性。对分布式均压控制策略的工作原理进行了分析,并设计原理样机进行实验验证。

输入并联输出串联的半桥变换器研究

在高输出电压、大功率的应用场合,单个变换器模块很难满足高输出电压、大功率设备的要求,存在变换器输入端功率器件电流应力过大,变换器次级电压偏高、整流二极管电压应力大和反向恢复时间长等问题。为此,以半桥变换器为基本单元,提出了一种适合于高输出电压、大功率应用场合的输入并联输出的串联半桥组合式变换器。该拓扑结构中各模块共用一对电容桥臂,这样大大减少了主电路中电容的数量,结构简单。分析了该组合式变换器的特点和规律,对其产生不均压不均流的因素进行了探讨并提出了相应的均压均流控制方案;进行了控制回路的设计,同时引进交错控制技术。仿真结果表明,它具有很好的均压均流效果及良好的输出特性,证明了该半桥组合式拓扑结构及其相应控制方法的正确性。