高轻载效率少功率器件的可模块化扩展ZVS高增益变换器

提出一种高轻载效率且少功率器件的可模块化扩展零电压开关高增益Boost变换器。该变换器可以通过增加升压模块数量n,极大地提高变换器的升压能力;具有2个开关管和n+1个二极管,且各功率管承受相同的电压应力,均为[(n+1)U_(in)+U_(o)]/(n+2);输入电感工作在连续导通模式,其余电感工作在双向导通模式,且反向峰值电流之和大于输入电感电流的谷值,从而实现所有功率管的软开关。所提变换器采用柔性开关频率控制策略,即根据输入电压和负载大小适当地调整开关频率,使电感电流脉动量维持在合适的范围内,既确保实现功率管的软开关,又具有较小的通态损耗,因此在整个负载范围内均具有较高的运行效率。以一个扩展模块为例,对所提变换器的工作原理、稳态特性、软开关条件、控制方法进行深入分析,并通过一台250 W的样机实验验证了理论分析的正确性。

基于励磁电流补偿与混合移相调制的高频DAB变换器全范围ZVS运行策略

随着宽禁带功率半导体器件的广泛使用,更高开关频率的双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器带来了更大的开关损耗,对于软开关技术提出更高要求。为了进一步拓展零电压开通(zero-voltage switching,ZVS)范围,文中对ZVS精确模型和传统电感电流全局最优条件方法进行分析,提出一种结合励磁电流运行的移相调制策略,该策略可实现DAB变换器全功率范围内所有开关管的ZVS运行(8-ZVS运行)。在考虑开关管非线性特性和死区时间限制基础上得到更精确的ZVS模型,并推导引入励磁电流的ZVS模型。此外,所提出的控制方案具有无缝模式转换的特点,电感电流的有效值也可以达到准最佳状态。最后,搭建6kW/150kHz的高频DAB变换器样机以验证模型有效性。实验结果表明,该控制算法可以在任意模式和工况下实现8-ZVS运行,从而提升系统在轻载和中载工况下运行效率。

A New Zero-Voltage-Switching Push-Pull Converter

A soft switching three-transistor push-pull(TTPP)converter is proposed in this paper. The 3rd transistor is inserted in the primary side of a traditional push-pull converter. Two primitive transistors can achieve zero-voltage-switching (ZVS) easily under a wide load range, the 3rd transistor can also realize zero-voltage-switching assisted by leakage inductance. The rated voltage of the 3rd transistor is half of that of the main transistors. The operation theory is explained in detail. The soft-switching realization conditions are derived. An 800 W with 83.3 kHz switching frequency prototype has been built. The experimental result is provided to verify the analysis.

一种应用于航天器分布式供电系统的ZVS三端口DC-DC变换器

提出一种应用于航天器分布式供电系统的零电压开关(ZVS)三端口DC-DC变换器(TPC)。对于集成双Buck/Boost双有源桥DC-DC变换器型TPC,一次侧开关管的ZVS范围与3个端口的电压及3个端口之间的传输功率有关。为了实现一次侧开关管ZVS范围的扩展,提出在电路拓扑结构中引入基于耦合电感的辅助电路,相较于传统ZVS实现方法,该拓扑可防止蓄电池端口电流波形上的陷波,进而有利于航天器分布式供电系统中蓄电池寿命的延长。此外,磁耦合电感可减少电感数量,不仅起到滤波作用,还为主开关管提供ZVS实现条件。最后,搭建TPC样机进行实验验证,结果验证该拓扑与控制方法的可行性。

基于ZVS变频控制的Si/SiC混合ANPC逆变器损耗评估

零电压开通变频控制(variable frequency controlled zero-voltage-switching,VF-ZVS)可在无辅助电路条件下实现零电压开通(zero-voltage-switching,ZVS),进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度。但在三相有源中点钳位逆变器(active-neural-point-converter,ANPC)中,全功率器件ZVS会大幅增加输出电感电流纹波,改变ANPC逆变器的电流续流路径,影响SiC器件损耗分布特征。论文建立电流纹波关于矢量作用时间的分段数学表达式,提出计及电流纹波的SiC器件损耗建模方法,表征VF-ZVS控制下电流纹波对开关管损耗特性的影响规律。进一步,分析VF-ZVS控制下2SiC、4SiC I和4SiC II 3种典型混合ANPC拓扑的新增工作模态特性;利用所提出的损耗模型,评估在不同调制度、全功率等级下上述3种混合拓扑的开关损耗、通态损耗和损耗分布均衡度,并通过6kW SiC实验平台,在不同功率等级下实验验证了SiC器件损耗模型和3种混合拓扑损耗评估结果的正确性。

基于ZVS的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率双重移相分段控制

双向全桥DC-DC(DAB)变换器在直流微电网作为可再生能源与储能设备的能量传输环节,通过实现零电压开关(ZVS)和最小回流功率,可显著地提升DAB变换器的性能,从而提高直流微电网的稳定性。但同时实现ZVS和最小回流功率控制在理论上是相互制约的。针对这一问题,该文提出一种基于ZVS的最小回流功率双重移相分段控制策略。通过对双重移相下的传输功率进行分段,前段将ZVS作为约束条件,得到基于ZVS条件下的最小回流功率控制策略,后段通过KKT条件法实现在给定传输功率下的最小回流功率控制策略。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制对比分析,发现所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提高了变换器的性能。最后,基于所提控制策略搭建实验样机,验证了控制策略的正确性和有效性。

基于扩展移相控制的高频DAB变换器ZVS控制方法

双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)在需要高效能量双向流动的工作场景有广泛的应用。在高开关频率工作时,变换器开关器件结电容充放电时间无法忽略,导致扩展移相控制下DAB零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)范围断续。通过分析扩展移相控制下双有源桥DC-DC变换器工作模态,建立高开关频率工况下DAB变换器数学模型,提出一种利用磁化电流扩宽ZVS范围的方法。在此基础上,结合电感电流应力优化算法,提出一种适用于高频工况应用的电流应力优化下的软开关控制策略。采用该控制策略,可以有效减小导通损耗,消除开关损耗,显著提升高开关频率下的变换器效率。搭建400 kHz实验样机,验证控制策略有效性。

ANALYSIS OF ZERO-VOLTAGE QUASI-RESONANT BOOST DC-DC CONVERTER

The zero-voltage quasi-resonant boost switching DC-DC converter has been inves-tigated by using the time averaging equivalent circuit approach of periodically switching linearnetworks.The DC steady state and AC small signal characteristics of the converter are also given.

带谐振负载的ZVS全桥变换器的死区时间优化

目前,对带谐振负载的零电压开关(ZVS)全桥变换器的研究仅限于ZVS支路电感和死区时间的组合,并没有系统的方法来设计死区时间的有效范围。过小或过大的死区时间都会使得ZVS全桥变换器的功率损耗过大,失去ZVS意义。因此,通过分析ZVS全桥变换器的开关过程和功率损耗,合理地设置死区时间有效范围的上限和下限值。同时,依据开关频率和器件特性的工作条件判断死区时间有效范围的存在性。然后,设计一个基于氮化镓器件的ZVS全桥变换器样机,实验结果验证了有效范围内的最佳死区时间可以保证ZVS工作并最大限度地降低功率损耗。

一种低电流纹波高增益软开关直流变换器

提出了一种应用于新能源发电系统的低电流纹波高增益软开关直流变换器。在传统交错Boost变换器基础上,该变换器通过引入耦合电感和二极管、电容升压单元提高电压增益,耦合电感在整个开关周期过程中都传递能量,提高了磁芯利用率。输入侧工作在交错模式,两相电感电流纹波可以相互抵消,从而获得较低的输入电流纹波。由于耦合电感自身漏感的存在,减轻了整流二极管反向恢复问题,同时采用有源钳位电路回收利用漏感能量,实现了所有开关管零电压软开关,抑制了开关管关断电压尖峰,提高了变换器转换效率。详细分析了变换器的工作原理、电路特性以及软开关实现方法。最后,搭建了一台200 W的试验样机验证了理论分析的正确性。

限制调频范围的不对称多模式宽输出LLC变换器

频率控制的传统LLC谐振变换器往往受限于开关频率的有效调节范围,难以实现宽输出电压范围,为此,研究了一种限制调频范围的不对称多模式宽输出LLC谐振变换器。采用双谐振腔且对应两变压器变比不同的不对称结构,能够根据原边开关组合的不同,使得双谐振腔分别工作在单半桥、双半桥和半桥+全桥3种不同的模式,从而获得3种不同的电压增益,并且保证每种模式之间归一化增益调节范围不超过1.5,可以在窄开关频率范围内实现宽输出电压范围。建立300 W的实验样机,验证了所提变换器可实现1~3倍的宽输出电压范围,并且实现了原边开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断,具有良好的软开关性能,验证了变换器的可行性。

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。

基于DAB的蓄电池最小电流应力控制策略研究

双有源桥(DAB)变换器是一种适用于蓄电池充电的双向DC/DC变换器。为减小蓄电池充电过程中的功率损耗并提高传输效率,提出了双重移相(DPS)最小电流应力控制策略,分析DAB变换器全部开关管的零电压开通(ZVS)的电感电流约束条件,求解得到ZVS区域内电流应力最小时的移相比组合,能够减小蓄电池的充电损耗,提高充电效率,并通过理论对比验证了优化效果。仿真与实验结果均表明,所提优化策略可以实现开关管ZVS以及最小电流应力,从而减小损耗,提高变换器的性能。

一种基于变压器串联和新型辅助网络的ZVS移相全桥变换器

为了适合高压输入、低压大电流输出场合的直-直变换,提出了一种基于变压器串联的移相全桥变换器,且在该拓扑上加入电压互补性辅助网络,利用该辅助网络对输入电压和负载电流的自适应能力实现开关管全负载范围的零电压开关。详细分析了该变换器的工作原理及特性,并对电路关键参数进行了设计。在此基础上,设计完成了一台1.4kW(28V/50A)、开关频率为100kHz的原理样机,实验结果验证了该种拓扑的优点。

一种新颖的ZVS全桥变换器寄生振荡抑制方法

在对整流二极管寄生振荡产生机理深入解析的基础上,提出基于超前换流的电压振荡抑制新对策,进而推出一种原边加换流电容和LC辅助电路的新型零电压开关(zerovoltage switching,ZVS)脉宽调制(pulse width modulation,PWM)移相全桥变换器,很好地抑制了副边整流二极管的寄生振荡,没有占空比的丢失,实现宽负载范围开关管的零电压开关。阐述该变换器的工作原理,给出关键参数的设计原则,并通过一台650W/28V、开关频率为100kHz的原理样机验证该变换器的优点。

基于π型无源辅助网络的新型ZVS全桥变换器

提出一种新颖的采用π型无源辅助网络的零电压开关(zero voltage switching,ZVS)全桥变换器,它是在传统全桥拓扑上加入由电感和电容组成的无源辅助网络,从而可在宽电压输入和全负载范围内实现原边开关管的ZVS。详细分析该变换器的工作原理及特性,并对电路关键参数进行设计。在此基础上,设计完成一台1kW(54V/20A),开关频率为100kHz的原理样机,实验结果验证了该拓扑的优点。

带辅助网络的倍流整流方式全桥ZVS变换器

提出一种新型的倍流整流(current double rectifier,CDR)方式全桥零电压开关(full bridge zero-voltage-switching,FBZVS)变换器,其在传统的CDR FBZVS变换器的原边加入了以耦合电感和电容组成的辅助网络。保留了传统CDR变换器无占空比丢失、输出整流二极管不存在电压尖峰的优点,可实现全负载范围下所有开关管的软开关,同时降低了对输出滤波电感的脉动电流要求,提高了变换器的综合性能。深入分析该变换器在连续电流模式(continuous current mode,CCM)和断续电流模式(discontinuous current mode,DCM)两种模式下的工作原理,讨论其参数设计原则,并完成了一台1.4kW(28V/50A)、开关频率为100kHz的原理样机,实验结果验证了该变换器的优点。

一种采用辅助变压器的ZVS三电平DC-DC变换器

针对三电平变换器通常在轻载工作状态下滞后桥臂开关管实现零电压开关(zero voltage switching,ZVS)较为困难,整流二极管两端也存在电压尖峰和振荡的问题,在常规的三电平变换器主电路拓扑中加入辅助变压器,使其在宽负载范围内实现软开关。对三电平变换器的工作原理及宽负载范围内实现ZVS的可行性进行详细分析。该新型拓扑是通过一台24V/10A,80kHz的实验样机进行了验证,实验结果表明变换器能够在宽负载范围内实现ZVS,并具有良好的性能。

辅助电流有源调整的新型ZVS全桥变换器

基于一种辅助电流自调整的新型零电压开关(ZVS)移相全桥变换器。通过引入与滞后臂并联的有源辅助网络,该变换器可在全负载范围实现滞后臂的ZVS。辅助网络既不影响主功率的传输,同时辅助能量可随负载的变化进行自动调整,减小了辅助电路导通损耗,且辅助开关管控制简单。本文详细分析了该变换器的工作原理,给出了该变换器的拓扑简化方案和关键参数设计原则。在此基础上,设计完成了一台1kW/54V,开关频率为100kHz的原理样机,实验结果表明了该变换器的优点。

一种采用新型无源辅助网络的ZVS全桥变换器

提出了一种新颖的采用辅助网络的零电压开关(ZVS)全桥变换器,它是在传统全桥拓扑上加入了由感性元件和电容组成的无源辅助网络,从而可以在宽输入电压和整个负载范围内实现原边开关管的ZVS。与传统ZVS技术相比,存储在辅助网络中的能量在满载时达到最小,并随着负载电流的减小而自适应的增加,从而减小了重载时的导通损耗。本文详细分析了该变换器的工作原理及其特性,并对电路关键参数进行了设计。在此基础上,设计完成了一台1kW(54V、20A),开关频率为100kHz的原理样机,实验结果验证了该种拓扑的优点。