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。

Review of Three-phase Soft Switching Inverters and Challenges for Motor Drives

For electric vehicles (EVs),it is necessary to improve endurance mileage by improving the efficiency.There exists a trend towards increasing the system voltage and switching frequency,contributing to improve charging speed and power density.However,this trend poses significant challenges for high-voltage and high-frequency motor controllers,which are plagued by increased switching losses and pronounced switching oscillations as consequences of hard switching.The deployment of soft switching technology presents a viable solution to mitigate these issues.This paper reviews the applications of soft switching technologies for three-phase inverters and classifies them based on distinct characteristics.For each type of inverter,the advantages and disadvantages are evaluated.Then,the paper introduces the research progress and control methods of soft switching inverters (SSIs).Moreover,it presents a comparative analysis among the conventional hard switching inverters (HSIs),an active clamping resonant DC link inverter (ACRDCLI) and an auxiliary resonant commuted pole inverter (ARCPI).Finally,the problems and prospects of soft switching technology applied to motor controllers for EVs are put forward.

基于同步整流控制器的ZVS反激开关电源技术分析

与准谐振电源相比,传统的零电压开关(ZVS)反激电源可进一步降低开关损耗,但其不利之处是线路复杂,成本上升。本次提出的基于同步整流控制器的ZVS控制策略可实现零电压导通,无需额外附加辅助开关和辅助绕组,具有很好的应用前景。在介绍其工作原理的基础上,给出了仿真结果,并分析了其各时间阶段的工作过程。最后,通过实际系统电路的测试验证了该方法可显著降低开关管的损耗,实现较高的工作效率,并具备成本优势。

Improvement on Switching Characteristics and Switching Losses of IGBT by ZVS-PWM

Absrtact: The principle of ZVS - PWM inverting circuit is first described by means of inverting welder supply. The contrastive study is made on switching characte -ristics and switching losses of IGBT between ZVS - PWM and hard - switching.

非反向Buck-Boost变换器的三段式ZVS控制策略

目前文献中的四边形控制方法及其改进方案,能实现非反向Buck-Boost变换器各开关管的ZVS,但存在如下问题:需使用多维查找表或外部存储设备而无在线检测实时计算的闭环、较大的通态损耗和多模式切换引起的输出电压波动等。该文针对上述3个问题提出一种三段式变频ZVS控制策略。首先,去除四边形控制中电感电流的环流续流环节,以减小电感电流有效值并提高效率。其次,在不添加任何额外有源或无源器件的条件眄,将整个宽输入电压范围分成3个模式,分析每个模式的特点,以增加控制条件和简化计算过程,同时实现各模式的在线实时恒压闭环和通态损耗最小ZVS而无需使用多维查找表和线性插值,整体控制简单易实现。然后,提出基于三段式ZVS控制的多模式平滑切换控制策略,可保证在模式切换时各开关管占空比跳变前后,闭环输出始终保持稳定。最后,本文给出了各模式区间划分的理论依据,并搭建500 W实验样机验证了所提方案的有效性。

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。

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。

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。

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。

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。

单-双环控制ZVS电动汽车充电电源研究

随着电动汽车的快速发展和大力推广,对大功率动力电池充电系统和充电算法的研究有着十分重要的意义。结合经典的Thevenin等效电路,引入RC支路,建立了改进的蓄电池等效模型。基于零电压功率变换器的拓扑结构,分析了充电电源系统小信号模型。通过构建单-双环闭环控制系统,改进了蓄电池的阶段充电策略,实现了大功率蓄电池的充电在线调整,避免了阶段充电切换过程中的电流断续问题,一定程度上降低了充电过程中的开关损耗。最后通过仿真验证了所提充电系统和控制方案的正确性和有效性。

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。

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。

2种ZVS方式AHB直流变换器比较

不对称半桥(AHB)直流变换器原边开关管实现零电压开关(ZVS)的方式有2种:负载电流ZVS方式和激磁电流ZVS方式。对2种不同ZVS方式AHB变换器的电路工作原理、控制策略、关键参数设计依据进行了深入的比较研究,并研制了2台原理样机,给出了实验波形及测试结果。研究及实验结果表明:负载电流ZVS方式AHB变换器利用负载折射电流实现开关管的ZVS,负载较小时,开关管ZVS难以实现,其采用增大变压器漏感或外串电感的方法来扩大ZVS负载范围,适用于较大功率应用场合;而激磁电流ZVS方式AHB变换器利用变压器激磁电流,可在空载至满载范围内实现开关管ZVS。相对于负载电流ZVS方式,其效率略低,适用于小功率应用场合。

对称PWM控制ZVS半桥变换器研究

与传统半桥电路相比,采用对称PWM控制方法的半桥软开关直流变换器电路增加了一个由辅助开关管和一个二极管组成的支路。其主开关管不仅工作在对称状态,而且能很好实现软开关,辅助开关管在主开关管关闭期间实现ZVS和ZCS导通。在分析该变换器的工作原理基础之上,研究了其工作特性,重点分析了谐振电感在实现ZVS和引起占空比丢失方面的影响,仿真和实验研究表明该变换器具有优良的性能。

ZVS双向DC-DC变换器在超级电容能量回收中的研究

针对超级电容器能量回收系统采用硬开关电路存在损耗大的问题,研究了一种基于谐振的双向DC-DC软开关拓扑结构,该拓扑使用四个功率开关管实现功率双向流动,通过开关管的零电压(ZVS)导通,减小了开关损耗。分析了变换器在Buck和Boost模式下的工作模态,并推导了稳态工作时的基本方程。建立了20V/100V、240W双向DC-DC变换器的仿真模型,研制了实验样机,对变换器的工作模式进行了仿真和实验,仿真和实验结果表明变换器的效率可达到95%以上。

光伏逆变系统中的ZVS升压变换器

针对两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的前级电路,研究了一种新型的ZVS(zero voltage switch)Boost升压变换器电路拓扑。通过增加一个开关管、谐振电感、吸收电容及两个二极管组成辅助电路,实现了Boost升压变换器电路中主开关管及所增加的辅助开关管的零电压导通与关断,从而减小了系统的开关损耗。分析了ZVS Boost升压变换器电路拓扑的工作原理,探讨了谐振电感与谐振电容、吸收电容的定量关系及选择条件,对所研究的ZVS Boost电路拓扑进行了软件仿真与实验验证,结果表明该拓扑工作在开关频率为20 kHz、功率为2.5 kW时,所提出的两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的整机效率可以达到97.16%。

ZVS高效率AHB直流变换器的研究

分析研究了一种不对称半桥(AHB)直流变换器的电路工作原理。利用负载折射电流实现开关管零电压开关(ZVS),同时采用同步整流控制技术,可以有效提高变换器的效率;研制了200W原理样机,试验结果表明:该变换器具有体积小、高效率、高功率密度等优点。

ZVS三管推挽直流变换器

提出一种采用3个开关管的推挽式(three-transistorsPush-Pull,TTPP)变换器,仅需要在传统推挽变换器的输入电源和变压器两个原边绕组中点间插入一个辅助开关管Q3。两个主管驱动信号ugs1和ugs2与传统推挽变换器中开关管的驱动信号相反;除去死区时间,辅管驱动信号ugs3是两个主管驱动信号ugs1和ugs2的与非关系。用等效电路的方法结合解析方程,分析电路各个工作模态的工作原理和主要开关波形。指出主管可在宽负载范围下实现零电压开通(zerovoltage switching,ZVS),且主管关断电流是传统推挽电路中的一半值。辅管在大负载或加大漏感情况下可以实现ZVS开通,辅管的额定电压是主管的一半,等于输入电压。讨论软开关的实现问题。提出控制芯片及其驱动电路的设计方法,完成一台800W、开关频率为83.3kHz的原理样机,实验结果验证了该变换器工作原理的有效性。