关键词： 全桥变换器   拓扑结构   调制策略   互补占空比调制   副边移相调制  

摘要： 移相全桥ZVS直流变换器由于其具有工作频率恒定、拓扑结构简单、功率密度高且能利用器件自身的寄生参数谐振实现ZVS等特点在中高功率应用场合中备受青睐。然而,传统移相全桥ZVS变换器仍存在软开关范围受限、存在环流损耗、副边占空比丢失以及整流桥寄生振荡等缺陷。这导致全桥变换器性能优化存在局限性,也是广大学者着力研讨探究的热点问题。本文针对移相全桥变换器存在的关键问题展开论述,在对相应解决方案总结综述的基础上,重点研究变换器性能的改善措施并分别提出了两种新的改进方案。本文主要研究工作如下:首先,分析了传统移相全桥ZVS变换器的工作原理,讨论了工作中所存在的关键问题,并进行了参数设计与仿真验证,通过仿真反映了分析的准确性,然后对国内外针对以上工作缺陷所提出的相关解决方案进行了总结综述,针对一些典型的拓扑结构和调制策略进行了分类并结合特性比较了各方案的优势与不足。其次,提出了一种基于互补占空比的改进全桥ZVS变换器。该变换器通过辅助谐振网络拓宽了软开关范围并大大减轻占空比丢失,通过原边箝位网络消除了整流桥寄生振荡问题。本文详细分析了该改进方案的工作原理与工作特性,具体讨论了关键电路参数的设计方法,并通过仿真验证了其相关特点。接着,又提出了一种基于副边移相调制的改进全桥变换器。该变换器通过副边移相的特点消除了原边移相环节,继而消除了环流损耗问题,由于CDD能量回收复位电路的引入,而不存在占空比丢失问题,且整流桥寄生振荡得到了抑制,副边开关能实现宽范围的ZCS,原边开关能实现重载条件下的ZVS。本文详细分析了该改进方案的工作原理与工作特性,具体讨论了关键电路参数的设计方法,并通过仿真验证了其相关特点。最后,对论文的研究内容进行了总结,并指出需要进一步研究和解决的问题。

ISBN: (纸本)9787030650702

关键词： 中压直流汇集   零电流开关   支干分流型全桥变换器   磁密分析   大功率高频变压器   大功率变换器装置  

摘要： 相对于传统的中压交流汇集技术,新能源发电采用中压直流(Medium Voltage Direct Current,MVDC)汇集可避免使用笨重的工频变压器,且无功角、频率稳定和多逆变器并联的高频震荡等问题,越来越受到关注。本文以适用于新能源发电MVDC汇集的大功率DC/DC变换器为研究对象,从拓扑结构、控制策略、软开关实现、变压器磁密分析、装置研制等方面进行研究。本文研究工作主要包括三个部分:第一部分包括第二章至第四章,研究了适用于新能源发电MVDC汇集的大功率DC/DC变换器的拓扑创新、控制策略和零电流开关(Zero-Current-Switching,ZCS)实现。第二章基于元件复用思想,提出了一种支干分流型ZCS全桥变换器,通过复用一个半桥,只需六个开关管(均为IGBT)和两个变压器即可组成主辅两个全桥单元。其中,主干路的主全桥单元以50%固定占空比开环运行,而支路的辅助全桥单元采用简单的斩波控制即能使整个变换器始终工作于电流断续模式(Discontinuous-Conduction-Mode,DCM),从而实现全负载范围内主开关管和所有整流二极管的ZCS开通和关断,从而有效降低开关损耗。此外,提炼了一种实现ZCS的支干分流思想,即利用只传输小部分功率的辅助支路的小电流关断来实现传输大部分功率的主干路所有主开关管的ZCS开通和关断。第二章变换器中电流波形为三角波,电流峰值偏高。为此,第三章将LC串联谐振技术引入支干分流思想中,提出了一种支干分流型谐振ZCS全桥变换器,可有效降低电流峰值以及小电流关断点的电流值,减小开关管电流应力的同时进一步降低了开关损耗。还详细分析了变压器变比和谐振参数对峰值电流和关断电流的影响,并给出了优化方法。在相同的变换器参数下,第三章变换器的电流峰值至少可以降低19%,而关断电流则降低了50%以上。在此基础上,第四章通过改进辅助支路结构或/和主干路采用传统中性点箝位型三电平电路,成功将辅助支路开关管或/和主干路开关管的电压应力降低至原来的一半,并得到三种低电压应力的支干分流型谐振ZCS DC/DC变换器。第二部分,即第五章,研究了工作于DCM的大功率串联谐振全桥变换器(Series Resonant Converter,SRC)的磁密变化情况。大功率DCM-SRC能够实现所有开关管的ZCS,且自带输出短路保护,所以也适用于新能源发电MVDC汇集场合。为避免大功率DCM-SRC中的高频变压器发生磁芯饱和现象,对其进行了详细的磁密分析,发现了传统定脉宽变频调制下的大功率DCM-SRC具有磁密高低不同的两种工作模式,推导了两种工作模式各自的磁密表达式,分析了出现该现象的临界条件从而确定了其根本原因。为避免磁密较高的工作模式,首先从优化参数设计角度提出了大功率高频变压器变比设计规则,并验证了其可行性。再从控制策略角度出发,在保留ZCS等优点的基础上,提出一种非对称定脉宽变频调制,除了可彻底避免磁密较高的工作模式,还将开关管的电流峰值降低至少50%。第三部分,即第六章,为充分说明大功率DCM-SRC应用于新能源发电MVDC汇集的可行性,研制了一台±35k V/250k W DCM-SRC装置。该DCM-SRC在变比优化设计规则的基础上采用传统定脉宽变频调制,完成了关键参数的设计和器件选型,设计了大功率IGBT的水冷散热方案。研制过程中,大功率高频变压器因高压爬电而发生故障,为此,优化了高压绕组骨架结构,大幅增加了爬电距离,并成功研制了一台250k W高频变压器。最后,搭建了一台±35k V/250k W DCM-SRC装置,并完成了测试实验,包括大功率IGBT的温升实验和250k W高频变压器的性能测试等。

关键词： 柔性多状态开关   直流电压控制   干扰抑制   协调控制   平滑切换  

摘要： 随着分布式电源的大规模接入,配电网的功率流向日趋复杂,电压越限问题日益突出,供电可靠性及电能质量水平有所降低。柔性多状态开关作为一种新型柔性配电设备具有广阔的应用前景,其相比传统配电网中的联络开关具备更加灵活的潮流调控能力。为提高系统运行的稳定性和可靠性,本文重点研究了柔性多状态开关的直流电压控制及平滑切换策略。首先,分析了柔性多状态开关的基本工作原理,介绍了柔性多状态开关的配电网接入拓扑与端口变流器主电路拓扑结构,并在建立了柔性多状态开关数学模型的基础上,研究了内环电流控制以及外环恒有功与无功控制、恒直流电压与无功控制、恒交流电压与频率控制等柔性多状态开关的基本控制。其次,为减小系统干扰对柔性多状态开关直流母线电压的影响,采用将干扰观测值前馈的干扰抑制方案,提出了基于改进型线性扩张状态观测器的直流电压干扰抑制策略,仿真结果表明所提策略能够有效抑制系统干扰引起的直流电压波动;而为维持馈线故障情况下柔性多状态开关直流母线电压的稳定,以主从控制为基础并结合配电网信息,提出一种适用于柔性多状态开关的直流电压协调策略和控制端口选择方法。最后,为在进行多端口协调控制时实现柔性多状态开关工作模式的平稳过渡,分析了模式切换时产生冲击和振荡的原因,通过稳态电流补偿减小切换前后控制器状态差,提出了适用于柔性多状态开关的平滑切换策略,同时在锁相环上增加离网锁定和并网预同步环节设计了并离网相位平滑控制结构。仿真结果表明,所提策略能够实现多种条件下柔性多状态开关的平滑切换。

关键词： PWM直流变换器小信号建模   通用开关耦合电感模块建模法   电流断续工作模式建模   漏感及软开关电路建模  

摘要： 高变比直流变换器作为新能源输出接口,常常具备软开关、低纹波和低损耗等特点,但其电路拓扑比较复杂,给建模分析带来挑战。根据调研,此类拓扑构造有规律可循,往往可由一个或多个基本拓扑单元推演得到。因而其动态建模过程也应该存在类似的推演过程,即以基本拓扑单元模型为基础,根据拓扑构造规律便捷地推演得到复杂高阶拓扑的模型。基于这一思想,本文在通用开关耦合电感模块(TIS)建模法的基础上,一方面从复杂高阶拓扑建模着手,提出了更适用于高阶变换器建模的通用ETIS模块,另一方面,将原有的基于电流连续模式(CCM)的TIS建模法拓展至电流断续(DCM)情况下,并解决了考虑漏感和箝位软开关电路情况下的建模问题。主要研究内容如下:1)提出了适用于高阶拓扑的通用ETIS模块建模法。通过引出TIS模块的内部端子,提出了通用ETIS模块,提升了通用模块应用于不同拓扑的自由度。在此基础上推导了CCM模式下ETIS模块的非理想大信号模型、稳态模型和小信号模型。通过大量应用实例阐明了该通用建模法的实施方法。最后用仿真和实验验证了所提出ETIS通用建模法的正确性、便捷性以及广泛适用性。2)提出了基于TIS模块的DCM模式下的非理想改进通用建模方法。传统的一阶DCM模型精度有限,有效频率范围不到1/5开关频率。本文在TIS建模法通用性和便捷性基础上,所推导的非理想改进DCM模型频带宽度可达3/5开关频率,提高了建模精度和有效频带宽度。3)提出了基于TIS模块的含漏感和箝位电路的通用建模方法。高变比拓扑常采用变压器和耦合电感,其漏感和箝位电路是这一类电路建模分析的难点。本文通过在TIS模块内部引入了箝位电路支路,推导了含漏感以及箝位端子后的TIS模块非理想大信号模型、稳态模型和小信号模型。结合实际应用案例,通过仿真和实验验证了所提出通用建模法能在2/3开关频率下精确建模,证明了理论分析的正确性和有效性。本研究丰富了PWM型直流变换器动态建模的技术手段。所提出的通用建模法可减少建模过程中的计算工作量,并提升了建模精度。相关理论分析通过结合大量应用实例,进行了仿真和实验论证,对相关研究工作有参考价值。

关键词： CFETR   开关网络单元   混合式直流开关   IGBT   快速晶闸管  

摘要： 中国核聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)是我国下一代超导聚变实验项目,开关网络单元(Switch Network Unit,SNU)是其建立等离子体的关键子系统。本文基于混合式直流开关技术,结合CFETR SNU额定电流80k A、额定电压20k V的参数要求,提出了一种新型SNU拓扑结构,并对其器件选型、参数设计、可靠性等关键问题进行了研究。本文首先对比了各直流开关技术的特点,针对CFETR SNU的参数要求,设计了一种基于混合式直流开关的新型拓扑结构。该拓扑结构包括旁路开关、固态换流开关和放电电阻三部分,其固态换流开关由全控型半导体开关与晶闸管组合构成,以辅助电容来保证晶闸管的可靠关断。该拓扑结构具有全控型器件串联数目少,系统可靠性高,关断流程简单等突出优点。然后,本文深入分析各半导体器件特性,确定IGBT与快速晶闸管为SNU中的半导体器件,再结合新型SNU的工作特点,确定了辅助电容容值、半导体器件的串并联数目等关键参数。本文还基于半导体器件的行为模型搭建了SNU的仿真模型,仿真结果显示,该拓扑结构可在15ms内完成换流过程并建立电压,符合SNU的设计要求;当固态换流开关支路与辅助电容支路杂散电感为10μH时,换流开关中IGBT仅需承受SNU端电压的41%,而降低杂散电感值可进一步降低IGBT所需耐受的电压,有利于降低IGBT的串联数目。最后,本文还对SNU中各半导体开关组件进行了可靠性分析,为提高其可靠性,基于k/n(G)模型进行了冗余设计,各半导体开关组件的各可靠性指标都有了明显提升,特别是高可靠性寿命有了数倍乃至数十倍的提高。本文的研究成果为CFETR SNU提供了一种切实可行的设计方案,还能为其他大功率直流开关的设计提供重要参考。

关键词： 逆变器   软开关   谐振   功率损耗   效率  

摘要： 现代电力电子逆变器装置在追求高频、高效、大功率的同时也希望其拥有更小的体积和更低的成本。三相谐振直流环节逆变器的辅助电路位于逆变器直流侧,具有辅助电路结构简单,辅助器件较少,硬件成本低等优点,引起了广大专家学者的广泛关注。为进一步优化辅助电路结构提高软开关逆变器转换效率,本文要对三相谐振直流环节软开关逆变器在高效率方面展开研究。本文第二章提出了直流环节零电压持续时间可调的谐振直流环节逆变器。其中辅助电路中无大体积的变压器和分压电容,不存在磁通复位问题和中性点电位漂移问题,有利于逆变器实现微型化和轻量化。同时直流环节稳态电压不高于直流电源电压,不会额外增加开关器件承受的电压值,避免了使用耐压更高和价格更高的开关器件,有利于降低硬件成本。而且当主开关需要切换时,提前使辅助电路进入谐振状态,将直流环节电压变化到零,保证主开关完成零电压软切换,提高了逆变器的转换效率,通过控制辅助开关可以获得任意的零电压持续时间,使该软开关逆变器能应用各种灵活的脉宽调制策略。第二章提出的逆变器虽说通过控制辅助开关可以获得任意的零电压持续时间,使该软开关逆变器能应用各种灵活的脉宽调制策略。但是每个开关周期中主开关都需要桥臂处于短时间的直通状态,所以对控制的可靠性要求较高,否则可能出现电源短路。为了避免出现电源短路的状况,同时可以控制零电压持续时间。在第三章提出了无需桥臂处于直通状态的谐振直流环节逆变器,辅助谐振电路只有2个辅助开关,相应地减小了电路的功率损耗,而且其中1个辅助开关的触发脉冲占空比可设计为固定值,简化了辅助电路控制。同时逆变器工作过程中不需要桥臂处于直通,可以直接使用成熟的SVPWM方法,简化了逆变器主开关的控制。第二章和第三章提出的逆变器中的主开关均无法进行零电流软关断,不能够完全消除IGBT拖尾电流,主开关关断时存在一定的功率损耗。因此第四章提出了主开关无并联谐振电容的谐振直流环节逆变器,主开关没有并联缓冲电容,主开关既可以完成零电压软开通,又可以完成零电流软关断,真正实现了开关功率零损耗,进一步提高了逆变器的转换效率,并且IGBT和MOSFET都可以作为该逆变器的开关器件,拓宽了开关器件的选型范围。辅助电路在控制过程中,并联支路上的辅助开关开通后直接触发谐振,控制辅助开关的切换时,不需要实时监测谐振电流的变化,而且辅助开关的触发脉冲占空比可以设计为固定值,简化了辅助电路的控制。同时电路既不需要主开关处于直通状态,也可以控制零电压持续时间。文中详细分析了不同形态中电路的工作过程,同时给出了参数设计规则和设计过程以及辅助电路损耗表达式,最后使用simulink模块进行波形仿真,仿真结果表明提出的三相谐振直流环节软开关逆变器的主开关和辅助开关均能够实现软切换,提高了逆变效率。

关键词： GaN器件   硬开关   软开关   Boost变换器   LLC谐振变换器   航空电源系统  

摘要： 航空高压DC-DC变换器是航空高压直流电源系统的重要组成部分,需要具有较高的功率密度和变换效率。采用GaN器件可以提高航空高压DC-DC变换器的开关频率,由此提高功率密度;采用软开关技术可以提高其变换效率。本文研究基于GaN器件的软开关航空高压DC-DC变换器。本文对目前主流的商用高压GaN功率器件和Si MOSFET进行了参数对比,分析了不同类型的高压GaN功率器件的特点,并分析其驱动电路和反向导通原理。介绍了GaN功率器件的开关特性测试方法,并测试了GaN功率器件在硬开关和软开关工作条件下的开关特性。实验结果表明,GaN功率器件硬开关工作时开通损耗较大,采用软开关技术可以消除开通损耗,提高变换效率。工作于直流变压器(DC Transformer,DCX)方式的LLC谐振变换器能够在全负载范围内实现软开关,同时其开关频率恒定,有利于优化磁性元件的设计和实现高的变换效率。为了调节输出电压,需加入一个预调节器或后调节器。本文分析了半桥LLC谐振变换器的工作原理,分析了电压增益特性,指出为了获得良好的负载调整率,需增大励磁电感和谐振电感的比值。针对输入电压范围较宽、输入电流纹波要求较高的航空高压DC-DC变换器,本文选择Boost变换器作为预调节器。考虑到实现软开关时Boost变换器的电感电流脉动较大,本文采用两路Boost变换器交错并联,以减小输入电流纹波。最终,本文采用两路交错并联Boost变换器+DCX-LLC谐振变换器的电路拓扑作为软开关航空高压DC-DC变换器拓扑。最后,在实验室研制了一台350W,开关频率500 k Hz的软开关航空高压DC-DC变换器。实验结果表明,Boost变换器和LLC谐振变换器在全负载范围内均实现了软开关,Boost变换器满载时效率为98.38%,DCX-LLC谐振变换器满载时效率为96.20%,整机满载时效率为94.64%。

关键词： Electrical engineering  

摘要： The three-level isolated AC-DC power factor corrected (PFC) converter provides safe and more efficient power conversion. In comparison with two-level, three-level PFC converter has the advantages of low total harmonic distortion, low device voltage rating, low di/dt, better output performance, high power factor, and low switching losses at higher switching frequencies. The high frequency transformer (HFT) grants galvanic isolation, steps up or down secondary voltage, and limits damage in case of a fault current. The existing three-level converter based on solid-state transformer (SST) topologies convert ac power from the electrical grid to a dc load while maintaining at least the minimum requirements set by the international standards (i.e., high power factor and low total harmonic distortion). The SST topologies with the capability of controlling intermediate dc-bus and output voltage simultaneously require two full bridges at the primary and secondary side of the HFT. As the power level increases, the number of cascaded bridges increases accordingly, and the price associated with these semiconductor devices becomes highly expensive. As result, the demand of converting high power level led to emphasis on high performance and cost-effective power conversion topology. The aim of this dissertation is to develop a new low-cost and high-performance three-level isolated AC-DC (PFC) converter topology. The proposed topology replaces the conventional three-level inverter in the secondary side of the HFT by only two switches and four diodes while still maintaining the basic functionality of a three-level converter (i.e., regulating the output voltage, controlling the dc-bus voltage to be within desired limits). The advantages of this new topology are: (1) low conduction losses; (2) low-cost; (3) no need to consider the issue of the power backflow; (4) zero-voltage switching (ZVS) and zero-current switching (ZCS) at turn ON are inherently guaranteed without any extra control

关键词： 中性点箝位型三电平   零电流开关  

摘要： 提出了一种工作于电流断续模式的新型三电平零电流开关变换器,包含一个传统中性点箝位型三电平电路(neutral point clamped three-level circuit,NPC-TLC)和一个简单的辅助控制电路,共6个开关管和2个变压器。通过辅助控制电路的斩波调制可以实现NPC-TLC的零电流开关(zero-current-switching,ZCS)。由于绝大部分的功率是由NPC-TLC传递至负载侧,所以实现其ZCS可以大幅降低本文变换器的开关损耗。文中还重点讨论了辅变压器变比对开关管电流大小的影响,提出了变比优化方法,并基于PLECS软件的仿真模型进行了验证。最后,利用300~1500 V/1500 W的实验平台对理论分析和仿真结果的正确性进行了验证。