一种改进型ZVT-PWMBuck变换器的设计

软开关技术是近年来电力电子学领域中的一个研究热点。采用软开关技术可以降低开关损耗,抑制开关产生的电磁干扰,因而有助于进一步提高开关频率。该文在分析典型Buck变换器的基础上,提出了一种改进型的ZVT-PWMBuck电路,对其拓扑结构、工作原理和电路特性等作了较深入的阐述。仿真结果证实改进型电路是可行和有效的,并提高了电路的性能。

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。

基于新型CD单元的两相交错并联高增益Boost变换器

为减少基于电容-二极管(CD)升压单元的两相交错并联高增益Boost变换器的CD单元数量,提升变换器电压增益,提出一种最后两级CD单元电容并联充电、串联供电的新型两相交错Boost变换器拓扑结构,进一步发挥CD单元的升压能力。分析新型3CD、4CD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化过程,提出新型NCD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化规律。以新型4CD两相交错并联Boost变换器为例,分析变换器工作原理,以及电感、电容寄生电阻对变换器电压增益的影响。最后在StarSim硬件在环实验平台搭建1 kW的新型4CD单元交错并联Boost变换器,验证该文所提拓扑的正确性。

基于无差拍预测算法的双向隔离型AC-DC矩阵变换器高动态电流控制策略

针对双向隔离型AC-DC矩阵变换器采用传统双闭环控制策略存在的控制参数多、整定困难等问题,提出了一种基于无差拍预测算法的高动态电流控制策略,通过引入无差拍预测算法对网侧电流进行控制,以减少控制器参数,消除数字控制时延。考虑到算法中电压电流检测量众多,故采用输入电压观测器以降低检测成本,减小采样误差的影响。变换器采用后级单重移相的调制方法来协调配合无差拍预测算法,其中参考输入电流指令与移相角为双射函数关系,简单易实现。仿真和实验结果表明:采用所提控制策略可以实现网侧电流正弦,功率因数接近于1;直流侧电压稳定,电流纹波率小于1%;直流电流在参考值突变时,跟踪快速且无超调、无振荡;同时,在变换器功率正向传输、反向传输以及正反向切换过程中,采用所提控制策略相比于传统的双闭环控制策略,电流动态调节时间分别缩短了69%、85%、67%。由此证明所提控制策略可以保证变换器良好的输入输出性能,并且相比于传统的双闭环控制策略在切换过程中动态性能得到显著提升。

一种基于分数阶微积分的CCM Boost变换器准在线无源参数的数字孪生辨识方法

由于具有高性价比、准确性和数字化等优点,数字孪生已成为电力电子变换器故障趋势判断和预知维护的先进技术。针对当前电力电子变换器所建立的数字孪生模型尚未考虑实际电感、电容的分数阶特性的问题,基于分数阶微积分构建电力电子电路的预估-校正数字孪生模型,应用基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的孪生参数辨识方法对不同分数阶阶次下的电感值(L)和电容值(C)进行辨识,并计算出等效串联电阻。通过与现有方法对比,该方法不仅提高了实际电感和实际电容的辨识精度,还能辨识出不同阶次下与不同C下的分数阶参数。最后,搭建不同L和C及分数阶阶次的连续导通模式Boost变换器物理样机,并考虑不同工况条件与不同辨识次数等因素来进行实验验证。实验结果验证了所提模型与方法的有效性。

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。

基于移相控制统一模型的双有源桥DC-DC变换器基波环流优化控制策略

为充分利用双有源桥DC-DC变换器的容量,减小无功功率,提升工作效率,提出一种基于变换器移相控制统一模型的基波环流优化控制策略。通过引入基波移相比对变换器的所有移相控制方式进行统一描述,并采用傅里叶分解法建立全桥交流电压及电感电流的统一模型。该统一模型降低了多控制变量下变换器多模态分析的复杂性,适用于不同移相控制的所有工作模式,具有普适性。基于频域分析法和功率因数角,构建变换器传输功率及无功功率的统一数学模型。在此基础上,提出考虑无功基波分量的环流优化控制策略,并对传导损耗进行建模与分析。该策略简单有效,能够很好地减小变换器无功功率和改善系统效率,更有利于工程实际的应用。搭建了实验平台,对比了所提基波环流优化控制策略与传统移相控制方式下变换器的功率因数及变换效率,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。

基于二次型升压变换器和开关电容的混合式升压方案研究

提出一种混合式高升压比DC-DC变换器。该变换器由二次型升压变换器、开关电容和耦合电感单元集成。为了减少元件的数量,耦合电感一次侧与二次型升压变换器共用;二次型升压变换器的输出电容一分为二,并与开关电容共用。由于电源和负载之间的共地特性,则输入电流连续。对所提变换器的电压增益进行了推导,并分析其电压应力。结果表明所提逆变器具备高电压增益、低电压应力的特性。最后,搭建了80 W的实验样机,实验结果验证了所提变换器的正确性和有效性。

基于双向交错并联变换器的电池模拟器研究

动力锂离子电池测试既要考虑安全性、便捷性,也要考虑测试时间和硬件成本等因素。在保证测试精度前提下,将非线性电池模型与电力电子开关器件相结合,基于三阶RC等效电路模型,采用交错并联Buck-boost变换器作为电池模拟器的主电路拓扑,实现对真实动力电池的替代测试。首先分析了电池等效电路模型及其参数辨识原理。其次研究了电池模拟器工作原理和双向交错并联Buck-boost变换器控制策略,并设计了控制器参数。最后搭建了电池模拟器试验平台,试验结果表明该电池模拟器可以较高精度地实现对电池伏安外特性的模拟,可以满足对动力锂离子电池的测试需求。

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。

含模型协同补偿的微电网变换器自抗扰稳压控制

针对直流微电网中双向DC-DC变换器输出端口电压受扰不稳定的问题,提出一种含已知扰动模型描述和未知扰动二阶描述协同补偿的线性自抗扰控制策略,以减小线性扩张状态观测的观测负担、提高其观测精度,并进一步改善自抗扰控制系统的抗扰性能。通过对系统性能的理论分析,说明了该控制策略能改善电压受扰波动的原因。最后,通过仿真和实验对比说明改进型自抗扰控制系统在抗扰性、鲁棒性上均优于电压外环电流内环的PI控制以及传统自抗扰控制。

基于R-L分数阶定义的CCM Flyback变换器建模与分析

针对电容电感都为分数阶这一事实,利用分数阶微积分R-L定义和状态空间平均法,对工作在电感电流连续模式(CCM)下的分数阶Flyback变换器进行建模与分析。推导CCM分数阶Flyback变换器的静态工作点和小信号传递函数以及变换器工作在CCM模式下的条件。其次,讨论Caputo模型与R-L导数模型的区别,得出在R-L分数阶定义下直流静态工作点不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数以及负载有关。最后,在PSIM中搭建R-L分数阶CCM Flyback变换器电路模型,得到不同分数阶电感电容阶数下分数阶Flyback变换器输出电压和电感电流的仿真波形,通过仿真结果与理论计算结果对比,验证所建模型的正确性,得出分数阶电感电容的阶数会影响闭环控制器的设计和分数阶模型能更加精确地描述Flyback变换器的工作特性。

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。

一种软开关推挽变换器最优谐振电感设计方法

针对储能系统应用,基于推挽DC/DC谐振变换器,提出了一种新型谐振电感设计方法,解决了采用低压电池供电的推挽升压变换器存在输入输出增益比和效率不能兼顾的问题,提高了推挽变换器的整机效率。介绍了软开关推挽变换器基本原理,分析了变换器的正反向增益特性,计算了变换器的各部分损耗,给出了损耗与死区时间的约束曲线,寻找到了最优电感量设计值,并通过仿真数据得到了验证。最后搭建了600W软开关推挽变换器实验样机,验证了该设计方法的有效性和实用性。

基于“仿真—半实物仿真—实物”三阶段开发流程的DAB变换器实验探索与研究

该文以双有源桥DC-DC变换器为对象,详细分析了变换器在三重移相调制下的两种数学模型,又基于这两种数学模型提出了对应的电感电流优化控制策略,搭建了包含MATLAB/Simulink仿真平台、StarSim半实物仿真平台和实物平台的三阶段实验平台,在平台中通过实验验证了优化控制策略的可行性和有效性。所设计的三阶段开发流程能够加深学生对电力电子领域相关知识的理解,逐步提升学生的理论分析能力、仿真验证能力和实践操作能力。

一种混合耦合电感和开关电容的高增益变换器

为实现用于可再生能源系统的更高电压增益,传统的升压式结构常与相同模块级联以产生高的升压系数。针对此方案效率低和成本高的问题,提出了一种混合耦合电感和开关电容的高增益DC/DC变换器,可在较低的占空比下具有高电压增益;同时具有连续的输入电流、高效率以及输入和输出之间的共地特征。详细分析了新拓扑结构的性能,并与其他高增益升压变换器进行了比较分析。最后,实验结果证明了所提变换器的正确性和可行性。

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。

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。

基于级联型扩张状态观测器的直流微电网低压负载接口变换器自抗扰稳压研究

直流微电网负载侧供压稳定是实现新能源电力高水平消纳的重要前提。为维持低压负载侧电压稳定,利用级联型扩张状态观测器提高扰动的估计重构精度与速度,将二阶自抗扰控制技术引入低压侧稳压控制。首先,在考虑扰动存在的低压接口变换器动态模型基础上实现对于稳压控制策略的系统设计。之后,在时域上分析级联型扩张状态观测器对于扰动重估精度的提升效果,利用线性等效框架在复频域上分析系统对于总扰动的抑制性能,以及系统模型不确定下对于动态性能的影响。此外,将Lyapunov理论运用于分析所提稳压控制策略的稳定性,表明该系统在工程上稳定。最后仿真实验验证了所提出稳压策略的正确性与有效性,且对于扰动具有较好的抑制性。