采用谐振电感复用的LCL-T/LLC谐振变换器

LLC谐振变换器有着转换效率高、软开关特性好等显著优点。但在储能系统充电的应用场合中,宽电压增益输出要求LLC谐振变换器工作频率在较大范围内变化,从而引起转换效率明显降低、磁性元件设计困难、轻载调节有限等问题。研究了一种采用谐振电感复用的LCL-T/LLC谐振变换器,可用于电动汽车的车载充电。将谐振电感置于变压器副边,构建LCL-T谐振腔使得变换器工作在恒流充电阶段,LCL-T谐振变换器的恒流特性可以显著减小变换器的工作频率范围;通过辅助开关改变谐振支路,该谐振电感也可参与LLC谐振,使变换器工作在恒压充电阶段,提供稳定的充电电压。由于谐振电感位于变压器副边,减少了死区时间内的磁芯损耗,提高了转换效率。详细分析了该变换器的工作模式和直流增益特性,给出了关键参数设计原则。最后,搭建了一台3.3 kW、400 V/330 V的实验样机,验证了变换器拓扑和控制方案的有效性。

计及限流切换的构网型变换器并联系统暂态同步稳定分析

电网短路故障下,并联运行的新能源构网型变换器暂态交互作用显著增强,增加了系统暂态同步失稳风险。文中首先建立了构网型变换器并联系统暂态交互模型。其次,借助传统同步发电机稳定理论,分析了暂态交互能量影响变换器稳定性的作用机理,进一步揭示了交互能量作用下的功角牵引机制将促使多变换器稳定性趋近一致或致使稳定性较差的变换器加速失稳。由此,提出了计及限流切换的构网型变换器并联系统稳定域构建方法,并通过稳定域分析了变换器运行状态及控制参数对系统暂态稳定性的影响规律。最后,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

基于DQN算法的直流微电网负载接口变换器自抗扰控制策略

在直流微电网中,为了保证直流母线与负载之间能量流动的稳定性,解决在能量流动中不确定因素产生的扰动问题。在建立DC-DC变换器数学模型的基础上,设计了一种基于深度强化学习的DC-DC变换器自抗扰控制策略。利用线性扩张观测器对总扰动的估计补偿和线性误差反馈控制特性对自抗扰控制器结构进行简化设计,并结合深度强化学习对其控制器参数进行在线优化。根据不同工况下的负载侧电压波形,分析了DC-DC变换器在该控制策略、线性自抗扰控制与比例积分控制下的稳定性、抗扰性和鲁棒性,验证了该控制策略的正确性和有效性。最后,在参数摄动下进行了蒙特卡洛实验,仿真结果表明该控制策略具有较好的鲁棒性。

基于半桥三电平LLC谐振变换器的混合控制策略研究

半桥三电平LLC谐振变换器具有体积小、开关器件少、开关器件耐压高等优势,已逐渐应用于直流充电模块后级为动力电池充电。针对传统变频调制(PFM)策略与移相调制(PSM)策略无法实现宽输出电压范围的问题进行分析,提出一种宽增益范围的移相-变频(PSM-PFM)混合控制策略。通过搭建一台功率为600 W、输出电压为20~60 V的实验样机进行验证。实验结果表明,所提控制策略相比单一调制策略具有更宽的增益,进而可实现宽输出电压范围,能够为动力电池提供稳定、宽范围且可调的充电电压,并实现开关管零电压开通。

四开关升降压变换器高效控制策略研究与设计

四开关升降压(four-switch Buck-Boost,FSBB)变换器凭借其出色的软开关特性、宽范围调压能力、输入输出电压极性相同等优势被应用在数据中心供电架构中。然而,FSBB变换器软开关控制方式的多控制自由度特性,使得其控制策略复杂多变、增加了效率优化的难度。针对以上问题,研究并设计一种多模式高效控制策略,以提高FSBB变换器在全负载范围内的转换效率。首先,在FSBB变换器零电压开通(zero voltage switch,ZVS)的基础上得到控制量的约束条件,并确定电感电流有效值最低时控制量的取值规则;然后,构建FSBB变换器完整的损耗模型,以总损耗最低为目标,提出一种多模式的高效控制策略,并通过数据拟合的方式进行控制量的设计;最后,在Simplis中仿真验证并制作一个300 W的实验样机。测试结果表明:所设计的实验样机能在全输入、输出电压范围和全负载范围内实现较高的转换效率。其中最高峰值效率达到98.5%、最高平均效率达到97.93%,开关频率范围为500 kHz~1 MHz。

基于状态轨迹模型的CLLC谐振变换器控制策略研究

为提升CLLC谐振变换器的动态性能,该文提出一种基于状态轨迹模型的CLLC谐振变换器控制方法。该方法以CLLC谐振变换器的时域模型为基础,通过消除谐振腔能量的高频分量,建立CLLC谐振变换器各工作模式的状态轨迹模型。在此基础上,通过合理化简时域方程,利用状态轨迹中的几何关系,详细推导谐振腔能量之间的关系,提出CLLC谐振变换器轨迹控制策略。该策略通过暂态过程负载电流变化量控制开关管栅极驱动信号的脉冲宽度,使变换器中各状态变量能够快速跟踪理论轨迹,保证CLLC谐振变换器负载切换后在最短时间内重新到达稳态。最后,搭建1台300 W的实验样机对所提控制策略进行验证。实验结果证明,与传统线性控制相比,所提控制策略明显改善CLLC谐振变换器的动态性能。

一种适应于直流微电网的全桥LLC变换器

针对传统的光伏并网隔离型变换器的变压器体积大、损耗高和半导体器件电压应力高等问题,提出一种基于LLC谐振变换器的高增益DC-DC变换器。该变换器满足了输入输出之间电气隔离的要求,将全桥LLC谐振变换器与开关电容相结合,有效地提高了变换器的增益,减少了变压器的体积和损耗,降低了半导体器件的电压应力,实现了开关管的零电压开通和二极管的零电流关断,有效地降低了开关损耗。首先对所提变换器的工作原理进行详细分析;其次用基波分析法分析其基本特性,并进行半导体器件电压、电流应力计算及电路的参数设计;最后搭建一台了800 W的实验样机,经过实验验证,该变换器实现了开关管的ZVS开通,二极管的ZCS关断;减小了变压器的体积和铜耗;转换效率最高可达94.9%。二次侧二极管的电压应力为输出电压的12,是全桥整流的0.5倍、半桥整流的0.25倍,且平均电流相同,有利于器件的选型,更适用于直流微电网的应用,证明了理论分析的准确性。

一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器

该文提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益,升压比不仅取决于占空比,还取决于耦合电感的变比,具有高增益的优点。此外,由于采用了有源钳位技术,漏感中的能量可以被回收利用,用来对开关管的结电容充放电提供能量,从而实现软开关。由于采用了耦合电感,所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压,因此可以使用低导通电阻的低压器件,从而提升系统的效率。该文分析了该谐振变换器的工作原理,并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。在此基础上,从理论上分析了该变换器取得软开关的条件,并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析,为器件选型提供了理论依据。最后,搭建1kW实验样机,针对该文提出的基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行了实验验证。通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率,表明所提拓扑的优越性。

宽范围输入三电平半桥LLC变换器混合控制

针对传统变频(PFM)控制的LLC谐振变换器在宽电压输入条件下效率低的问题,提出一种三电平半桥LLC谐振变换器的变频-移相(PFM-PS)混合控制策略。首先,分析三电平半桥LLC谐振变换器的工作模态,建立其等效模型,获得了移相控制和变频控制下的电压增益曲线。其次,分析了变频控制的工作区间与软开关特性,推导得到了移相控制下实现软开关的最小占空比。通过混合控制策略,在升压时采用变频控制和在降压时采用移相控制,相较于全变频控制和全移相控制,混合控制可在较小频率变化范围内对电压进行升降压,在全增益范围内实现软开关,获得较宽的电压增益范围,提升了变换器的效率。最后,通过仿真和输入500~800 V/4.5 kW实验样机验证了所提出混合控制策略的有效性。

跟网型变换器的小扰动同步稳定机理分析与致稳控制

弱电网下,跟网型变换器易出现因阻尼不足导致的小扰动同步失稳问题。为此,该文借鉴复转矩分析理论,计及复杂控制耦合,建立跟网型变换器的复转矩模型。量化多环控制耦合、线路阻抗、控制参数等因素对系统阻尼转矩的影响,从阻尼的角度揭示跟网型变换器的小扰动同步失稳机理。根据理论分析,提出一种基于相位补偿的锁相环阻尼重塑控制策略,通过补偿多环控制耦合引入的负阻尼,增强变换器的小扰动同步稳定性。最后,开展相应的仿真与实验,验证理论分析的正确性与改进控制策略的有效性。

三相CLLC谐振变换器磁集成平面变压器设计与优化

三相CLLC谐振变换器凭借其高效率、大容量、低器件应力等优势而受到广泛关注。然而,多相结构的磁性元件数量多、体积大,是制约功率变换器尺寸的主要因素。随着宽禁带(WBG)半导体器件的出现,功率变换器的开关频率显著提高,这也为印制电路板(PCB)绕组的使用提供了有利条件。与传统绕线式绕组相比,PCB绕组的扁平特性更适用于平面磁性元件。此外,由于高频带来的低电感需求也使得基于PCB绕组的平面磁性元件更有利于实现集成。该文提出一种新型的基于PCB绕组的电感和变压器的集成结构,详细分析磁心结构的磁路模型,并给出集成磁件的优化设计方法,最后通过搭建一台基于SiC器件的800 V/10 kW的实验样机进行验证。实验结果表明,该集成方案可有效减小变换器的体积和损耗,具有高功率密度和高效率。

双频DC-DC变换器的磁集成技术

双频Buck变换器由两个降压单元级联构成,具有动态响应快,开关损耗小等优势。然而不足的是磁件占据了整个系统的大部分体积与重量,降低了系统的功率密度。针对这一问题,提出一种三段式绕制磁集成技术,将磁件以解耦的方式集成在一副磁心中。该文首先建立集成磁件的磁路等效模型,通过抵消各绕组之间的耦合作用推导出解耦条件,并详细阐述了磁心的选取、匝数以及气隙的设计原则。其次,利用有限元仿真平台对所提集成磁件进行建模分析,与现有的集成方法相比,磁通密度分布更为均匀,磁心的利用率得到了有效提升。最后,搭建一台48 V/12 V、108 W的实验样机,体积和重量同分离磁件相比降低了31.2%和25.3%,提高了系统的功率密度,验证了该集成方法理论分析的正确性和可行性。

基于SEPIC的新型高增益DC-DC变换器及衍生拓扑分析

针对光伏并网系统中单开关升压变换器(如SEPIC、Boost、准Z源、二次型)电压增益低和半导体器件电压应力大的问题,提出1种基于SEPIC的外部升压型高增益DC-DC变换器。首先对所提变换器在电感电流连续导通模式和断续导通模式下的工作原理和稳态特性进行详细分析,并与其他新型拓扑进行性能对比。在此基础上,给出了基于外部升压网络的衍生拓扑。最后,通过搭建1台400 V/200 W的实验样机证明了理论分析的准确性。所提变换器利用阻抗网络和开关电容单元构成的外部升压网络提升了SEPIC变换器的电压增益,并改善了半导体器件电压应力大的缺点。

基于开关电感的宽电压增益双向DC/DC变换器

此处提出了一种用于储能系统的基于开关电感的宽电压增益双向DC/DC变换器。该变换器在实现双向升降压的同时进一步扩大了双向变换器的电压增益,可以适应不同电压等级的储能电池;相同电压增益下功率器件占空比有效降低,进一步减小了输入电流纹波,有助于提高电池充电性能。分析了放电和充电两种工作模式的工作原理,并搭建实验样机进行验证。实验结果表明在输出电压稳定的工况下,该变换器放电模式可以实现0.5~5倍的电压增益,充电模式可以实现0.2~2倍的电压增益,证明了所提变换器的双向升降压能力和宽电压增益能力。

应用于储能系统的CLLLC谐振变换器控制策略研究

动态性能和运行效率是CLLLC谐振变换器的重要性能指标。针对传统电压闭环控制加入电流驱动同步整流后系统动态性能进一步变差的问题,提出一种谐振电流内环的电压电流双闭环变频控制策略,并给出双环控制和同步整流的综合控制方法。首先根据变换器的增益特性,分析电感比和品质因数对增益曲线和效率的影响,并据此进行谐振参数设计;其次根据不同谐振状态下的谐振电流特性实现同步整流;最后引入谐振电流内环控制,实现双环控制和同步整流的综合控制。仿真结果表明,所提综合控制策略能够产生精确的同步整流驱动信号,相比于传统电压闭环控制,能够显著改善变换器对负载扰动和电压扰动的动态性能。

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。

一类三电平伪图腾柱无桥PFC变换器

针对传统二极管钳位型三电平整流器在单相电源前级功率校正(power factor correction,PFC)电路应用场景下全控开关器件数量多的问题,该文基于3种传统无桥PFC电路进行三电平电路拓扑设计,提出一类三电平伪图腾柱PFC电路(single-phase three-level pseudo totem-pole PFC circuit,STPT-PFC),该类三电平PFC具有双电感支路桥臂,两者相互配合工作为输入电流提供路径,在正负半周两电感支路桥臂工作于不同模态可有效降低分别流过两电感的电流;基于该类PFC的一个代表性电路,从工作电流路径过程、关键波形和调制脉冲分配等方面对其进行工作原理分析,并对其它电路进行电路特性总结,推导桥臂对地电压电平特性与开关脉冲分配的数学关系式。另外,该类STPT-PFC共有5种结构,结合该类STPT-PFC结构特点,提出统一区间判断条件的双层载波调制技术,该类STPT-PFC具有相同开关器件不同拓扑结构可采用同一调制方案的特点,便于该类调制技术移植。最后,基于STPT-PFC-I电路设计1台额定功率1 kW、直流输出电压400 V的实验样机,从稳态及动态两方面进行实验分析,实验结果验证所提出一类三电平伪图腾柱PFC电路的可行性和三电平统一双层调制方法的有效性。

基于双模式变频移相调制的单级式双有源桥型DC-AC变换器

针对单级式双有源桥(DAB)型DC-AC变换器关断电流较大和软开关范围有限的问题,该文提出一种双模式变频移相调制策略。首先,对DAB变换器的单移相(SPS)调制和扩展移相(EPS)调制进行时域分析,得到其功率传输特性;然后,分析变换器的关断电流与软开关条件,得到移相比和开关频率约束方程;在此基础上,分析双模式间的移相比边界条件,提出变换器运行模式的切换机制,从而在实现变换器单级功率变换的同时,保证全范围软开关并降低低压侧的关断电流;最后,通过仿真和实验验证了所提调制策略的有效性与可行性。

面向数据中心48 V供电系统的混合型母线变换器及其高密度集成

该文提出适用于数据中心48 V供电系统的混合型母线变换器电路拓扑及其高密度集成方法,通过在开关电容变换器中嵌入自耦变压器和LLC谐振变换器,大幅增加开关电容变换器的降压比,且利用矩阵式变压器结构实现变换器输出电流能力的大幅提升。基于所提出的混合型母线变换器,进一步提出其高密度集成方法,综合采用磁集成、绕组集成等方式,实现变换器功率密度和效率的提升。研制40~60 V输入、变比8:1、输出电流100 A、开关频率1 MHz的八分之一砖模块,功率密度达到1.704 kW/in3,最高效率达到97.9%。

宽增益高效率CLLLC变换器的变频双移相调制策略

在输入电压宽范围变化时,变频调制CLLLC变换器存在开关频率变化范围宽的问题,而移相调制CLLLC变换器难以实现宽范围零电压导通(ZVS)。为了实现宽输入电压CLLLC变换器的高效率,该文提出一种变频双移相调制方法。通过同时调节开关频率、一次侧全桥和二次侧全桥之间的移相角,拓宽CLLLC变换器的增益并提高其效率。采用时域分析法求解变频双移相调制CLLLC变换器的电压增益与谐振电感电流有效值,并分析频率以及移相角对电压增益和谐振电感电流有效值的影响。最后,通过搭建一台100~300 V输入、48 V/400 W输出的实验样机,验证了理论分析的正确性。