基于LCL谐振型双有源桥的三端口DC-DC变换器及其解耦控制

为了降低集成式三端口DC-DC变换器多功率路径的控制环路间的耦合程度、优化动态性能,将双Buck/Boost与LCL谐振型双有源桥通过共用原边全桥开关单元集成到一起,提出新型三端口DC-DC变换器及其解耦控制方法.该变换器实现了开关器件的复用,提高了功率密度;采用PWM+双移相控制,可以实现3个端口间传输功率的灵活控制;利用LCL谐振特性实现基波功率因数为1的功率传递.本研究分析该变换器的工作原理、控制方式与谐波特性,并且根据基波分析法提出简单、有效的解耦控制方法,可以有效降低多功率路径间的耦合程度,提高系统动态响应能力;搭建400 W的实验样机,进行控制方式对比试验、典型工作模式切换试验、解耦控制对比试验,验证该变换器的可行性及所提解耦控制策略的解耦效果.

双有源桥串联谐振变换器的暂态过程与控制

基于移相控制的双有源桥串联谐振变换器(dual-bridge series resonant converter,DBSRC)在传输功率的快速调控过程中,移相角将发生较大的阶跃变化,导致谐振腔出现大幅度长时间的振荡过程,不仅严重恶化了变换器的动态性能,电路元件也会面临严重的过电压和过电流风险。该文首先基于基波分析法推导DBSRC暂态过程的通用计算模型,分析暂态过程中的振荡特性,精确估算暂态过程中的谐振电压峰值、谐振电流峰值以及暂态过渡时间,评估暂态过程中的过电压与过电流程度。基于暂态过程计算模型,提出一种振荡的抑制方法,使变换器在一个开关周期后能够到达新的稳定状态,有效地避免了过电压与过电流的风险,并且大幅改善了闭环控制的动态特性。最后,通过仿真与实验结果验证理论分析和所提出的控制方法。

双有源桥串联欠谐振变换器的最小回流电流控制

该文采用时域分析法对双有源桥串联欠谐振电路进行了分析,得到电感电流在稳态时的表达式并推导所有开关管实现软开关的条件。由于电压增益偏离1时仅采用移相控制难以实现所有开关管的软开关,因此,该文在传统移相控制的基础上,引入额外的变频控制策略,使得电路在不同的电压增益和负载条件下都能有较好的软开关性能。然而,软开关的实现会增加电路的回流电流,影响电路的传输效率。该文对所提出的变频移相控制进行了进一步的优化,使其可以在确保电路实现软开关的同时产生最小的回流电流和电感电流有效值。所提出的控制策略在一台2 kW的样机中进行了验证。

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。

适用于柔性互联的电流源型双有源桥高频环节频域建模及设计

中低压柔性直流互联可提升配电网的灵活性和可靠性,双有源桥变换器是柔性互联装备中实现电压变换和电气隔离的关键环节。电流源谐振型双有源桥利用直流电容参与谐振和软开关设计,可大幅提高双有源桥功率密度和效率。然而,电流源谐振型双有源桥和传统电压源谐振型双有源桥特性存在较大差异,谐振腔由直流谐振电容和交流侧谐振电感组成,导致高频电流时域建模复杂,影响零电流软开关(ZCS)频率设计,难以得出ZCS开关频率与谐振频率的解析表达式。从频域角度,提出了基于基波分量的高频隔离环节等效电路建模方法,建立了ZCS开关频率与谐振频率的解析关系,仿真结果验证了所提方法的有效性和准确性。

LCL谐振型双有源全桥双向DC-DC变换器分析与控制

研究了一种新型LCL谐振型双有源全桥双向DC-DC变换器。根据LCL谐振网络的基本特性,在双移相控制方式下,使得初、次级全桥的交流侧电压与电流同相位,实现了单位功率因数,基本可以消除双有源全桥变换器中普遍存在的回流功率。在时域波形分析的基础上,建立了各次谐波的交流等效模型,计算了各次谐波传输功率相对于基波传输有功功率的比值,并通过基波近似法进一步研究了变换器的功率传输特性。最后,设计了一台额定功率为3.6kW的实验样机,特征波形、回流功率的实验与分析结果吻合,并验证了其运行在宽负载电压和功率范围内的良好特性。

基于状态重构准谐振扩张状态观测器的LCL型并网逆变器电流控制策略研究

LCL型并网逆变器是分布式发电与电网实现能量双向流动的重要装置,其电流控制方法通常需要多个电压电流传感器实现有源阻尼及并网电流控制,而这会增加系统成本。提出一种基于状态重构准谐振扩张状态观测器的全状态观测系统,只需一个逆变器侧电感电流传感器即可实现对所需状态变量的实时观测。通过在扩张状态观测器中每个状态变量的观测通道添加准谐振环节,解决传统扩张状态观测器跟踪正弦信号需要高观测器增益问题。同时,针对在dq轴坐标系下的并网电流控制存在强耦合问题,设计了将耦合项作为总扰动当中一部分的自抗扰电流控制器,简化了传统电流控制当中复杂的解耦过程。软件数值仿真结果表明,该控制策略表现出良好的观测效果及电流跟踪效果。

串联谐振型双有源桥变换器的软开关特性研究

基于传统单移相控制的串联谐振型双有源桥变换器在宽电压增益下的零电压开关(ZVS)工作范围较窄,为了扩展软开关范围,该文采用双重移相控制。分析双重移相控制下的串联谐振型双有源桥变换器的工作原理和稳态特性;详细分析移相角区域选择对软开关条件难易程度的影响;并对ZVS特性进行深入分析,得出由输出功率标幺值与电压增益决定的ZVS软开关范围。研究表明当电压增益和负载宽范围变化时,双重移相控制可明显扩大软开关工作范围。实验验证双重移相控制在宽电压增益时的软开关优越性。

串联谐振型三相双有源桥变换器损耗分析

以基于变压器星-角连接的串联谐振型三相双有源桥DC-DC变换器为研究对象。首先,对其工作原理进行详细分析,并推导电感电流、功率表达式,以及软开关条件;其次,将变压器副边电路折算至原边,使谐振变换器的电路模型得到大大简化,并以此为基础进行电路参数选择和硬件设计;然后,通过对变压器、电感、开关管的功率损耗进行分析,建立串联谐振型三相DAB变换器的总功率损耗模型;最后,设计500 W的实验样机对理论分析和损耗模型的准确性进行了验证。

基于冗余矢量的中点箝位型三电平双有源桥变换器的电容电压平衡策略

中点箝位型(NPC)三电平双有源桥(DAB)变换器相对传统DAB变换器可以实现更高的电压等级和更宽的运行范围,具有广阔应用前景;但NPC型DAB变换器存在电容器电压不平衡的问题,影响变换器的运行性能。文章针对NPC型DAB变换器进行了三自由度控制策略的功率传输特性分析,并根据功率传输特性实现了对其功率传输的有效控制。对于其电容电压不平衡问题,文章提出了一种基于冗余矢量的电容电压平衡策略,相对于传统的电容电压平衡策略,该平衡策略可以在不影响传输功率的基础上实现更快的电容电压平衡。仿真结果表明,文章所提控制策略可使变换器在输出电压参考值改变时,电容器电压仍能很好地维持平衡状态,实现在仅有1%波动量的暂态情况下,在0.000 4 s内趋于稳定。

单相电力电子变压器中串联谐振型双有源桥电流特性分析

三级式电力电子变压器(PET)因其良好的控制特性,受到了广泛关注和应用。三级式PET由输入级、隔离级和输出级构成,各级之间通过储能电容相连。由于功率半导体器件的耐压水平有限,一般此类PET由多个功率模块级联构成。各功率模块的中间环节通常采用串联谐振型双有源桥(DAB)变换器来实现不同直流电压等级之间的电能变换与电气隔离。本文在考虑PET交流输入侧、直流输出侧瞬时功率分布规律的基础上,建立了单相PET功率模块的动态等效电路模型,推导了其中串联谐振型DAB的电流时域解析表达式及其简化模型。通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型和电力电子变压器功率模块测试平台验证了该模型的正确性。

T型三电平双有源桥变换器ZVS优化策略

当输入输出电压不匹配时,为了使双有源桥变换器(dual-active-bridge,DAB)在全功率范围内运行都能实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS),以T型三电平双有源桥(T-type three-level DAB,T3L-DAB)变换器为研究对象,与传统两电平DAB相比,该变换器引入了中间电平,增加了控制自由度。结合移相控制,提出了功率分段式ZVS(power segmented ZVS,PSZVS)优化方法,能够灵活控制电感电流的方向,实现了开关管在全功率范围内的ZVS。最后,在StarSim硬件在环实验平台和实物实验平台上进行了验证,实验结果表明,PSZVS优化方法在实现全功率范围内开关管ZVS的同时,兼顾了对电流应力和回流功率的优化。在低功率运行时,PSZVS优化下系统效率可达94.1%,而传统移相控制系统效率仅为82.5%。因此,所提PSZVS优化方法在提升系统效率方面是有效可行的。

一种双有源桥谐振变换器的研究与设计

以能量双向流动双有源桥(DAB)串联谐振变换器为研究对象,在考虑隔离变压器激磁电感和泄漏电感影响的基础上,建立双有源桥串联谐振变换器的准确等效模型,推导出其稳态工作特性。分析了DAB串联谐振变换器软开关条件和激磁电感最优值选择方法。设计了一种工作在谐振频率处的DAB串联谐振DC/DC变换器,当电压增益M=1时,所有开关在全负载范围内都工作,均能实现ZVS。还分析了负载变化时谐振电压和电流的变化规律。最后给出设计实例,并用SABER仿真软件搭建了实验电路,仿真结果验证了理论分析的有效性。

基于有源中点钳位五电平电路的双有源桥DC/DC变换器

采用多电平电路构建的双有源桥(dual active bridge,DAB)DC/DC变换器可适用于更高的电压等级并能显著地提高功率密度及性能。基于九开关管五电平有源中点钳位(five-level active neutral point clamed,5L ANPC)电路构建DAB变换器,消除传统的八开关管5L ANPC电路所存在的电平跳变问题。通过分析开关状态之间的切换过程,选取的零开关状态实现所有高压开关管的软开关运行;通过分析不同开关序列对飞跨电容电压和直流侧中点电压的影响,提出一种飞跨电容电压的平衡控制方法。基于1kW样机的实验结果表明,该文构建的5L ANPC DAB变换器获得了优良的性能。

一种并-串型双有源桥变换电路的分析

研究了一种原边并联、副边串联的双有源桥变换器,分析了双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)电路的工作原理,推导出开关管软开关实现的条件,给出了谐振电感等关键参数的设计方法,对并-串型与非并-串型双有源桥变换器的损耗进行了比较分析,表明并-串型在效率上的优越性。最后,仿真和实验的结果验证了理论分析的正确性,该变换电路能实现高效率、高功率密度。

基于双变压器LLC谐振变换器的开关电源设计

设计了一款开关电源,其硬件电路采用无桥有源PFC与双变压器LLC谐振变换器拓扑的结合,使用AUIR24427S和单片机对可控元器件进行控制。确定了双变压器LLC谐振变换器的基本参数,并使用仿真软件MATLAB/Simulink建立了变换器的仿真模型,验证了该设计的可行性。

基于MOSFET的串联谐振双有源桥死区振荡机理分析及抑制

基于MOSFET的串联谐振双有源桥(DAB)变换器可同时实现所有功率器件的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS),具有效率高的优点,被广泛应用于电力电子变压器(PET)隔离DC-DC环节。然而,在采用隔离变压器的DAB中,由于MOSFET寄生电容的存在,在死区时间内器件寄生电容与隔离变压器漏感会产生高频振荡,增加了通态损耗。该文建立死区时间内串联谐振DAB的等效电路,分析死区时间内高频振荡电流幅值与关断时刻电流的数学关系。为抑制高频振荡,提出基于开关频率微调的振荡抑制方法。实验结果表明了理论分析的正确性和高频振荡抑制方法的有效性。

基于隔离型双有源桥DC-DC变换器的三变量快速暂态电流控制

基于双有源桥式DAB(dual active bridge)DC-DC变换器提出了一种快速暂态电流控制策略,该控制策略具有3个控制变量。当负载或传输功率指令发生突变时,暂态快速电流控制策略能改善变换器的动态特性,在一个开关周期内使电感电流快速达到新的稳态,并能有效减小暂态过程中电感电流的直流偏置,防止变压器磁饱和。另外,使用叠加定理分析了DAB的稳态和暂态特性,根据分析结果,所提快速暂态电流快速控制策略能在1个开关周期内让变换器从一个稳态到另一稳态。最后,搭建功率等级为300 W的实验平台,通过实验验证了理论分析的正确性。

基于谐波分析的LCL双有源桥软开关控制方法

在此分析了LCL谐振式双有源桥中的电流谐波,并据此提出了新的控制方法,提高了能量传递效率。首先介绍了传统LCL谐振式双有源桥的控制原理,然后在频域内分析了电流谐波产生的原因和各次电流谐波的幅值,并将其转化为时域表示。基于以上对电流谐波的分析,提出新的软开关控制方法。此方法可以实现全负载域的软开关,并且不会引入回流功率。最后通过实验证明了新控制方法的正确性和有效性。

输入串联输出并联型双有源桥变换器等效建模方法

该文提出一种适用于双有源桥结构(dual active bridge,DAB)构成的输入串联输出并联(input series output parallel,ISOP)DC-DC变换器的电磁暂态等效建模方法。现有电力电子变换器常将ISOP型DAB变换器作为中间环节,但由于DAB单元和ISOP结构的复杂性,导致电磁暂态精确仿真的仿真效率极低。为此,文中提出一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法。具体而言,采用梯形积分法将各DAB单元组成元件离散化,并通过对变压器的分析,将变压器解耦,再利用嵌套快速求解法消去DAB单元内部节点和串并联节点,使得整个DAB变换器等效为仅包含4个外部节点的戴维南(诺顿)等效电路。在完成一个步长的电磁暂态求解后,可随后进行内部节点信息如各DAB单元输出电流的更新。在PSCAD/EMTDC环境中验证所提出模型的精度和加速比,结果表明,提出的等效建模方法可以精确仿真系统稳态与暂态过程,且可以很大程度提高电磁暂态仿真效率。