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开关电容有源箝位型多电平逆变器的多电压区间调制方法及电容电压控制策略

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电网技术 2023年第9期47卷 3903-3912页

作者：杨涵棣程志江张新燕周婷婷新疆大学电气工程学院新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830047 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心(新疆大学) 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830047

针对一种开关电容有源箝位型(switched-capacitor active-neutral-point-clamped,SC-ANPC)多电平逆变器的冗余开关状态数量不足,造成电容电压平衡困难的问题,提出一种适用于该拓扑结构的多电压区间调制方法及电容电压控制方法,解决了现... 详细信息

针对一种开关电容有源箝位型(switched-capacitor active-neutral-point-clamped,SC-ANPC)多电平逆变器的冗余开关状态数量不足,造成电容电压平衡困难的问题,提出一种适用于该拓扑结构的多电压区间调制方法及电容电压控制方法,解决了现有调制方法计算复杂及开关频率受限的问题。首先分析了逆变器的工作原理,根据逆变器开关状态,提出了三电平区间开关状态组合模型,并设计了满足开关电容电压静态平衡约束条件的多电压区间载波移相调制方法。由于满足静态平衡条件,开关电容电压体积和纹波得到了减少,并且开关管的载波之间只有简单的移相关系,工程实现简单。在此基础上,扩展到三相系统,建立了电容电压的纹波模型,提出了相应的电容电压控制方法,通过调节占空比实现开关电容电压控制,注入零序电压实现母线电容电压控制。通过仿真和实验验证所提调制方法、控制方法的可行性。

关键词：开关电容有源箝位多电平逆变器调制方法电容电压控制

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有源箝位反激变换器的数字化分析与设计

有源箝位反激变换器的数字化分析与设计

作者：罗艇重庆大学

学位级别：硕士

随着以智能手机为代表的消费类电子产品的飞速发展,人们对手机快速充电器等中小功率电源的效率和功率密度要求不断提高。传统的反激变换器由于不能实现软开关和漏感能量回收,已越来越难以适应用户对小体积、高效率充电器的需求。有源箝... 详细信息

随着以智能手机为代表的消费类电子产品的飞速发展,人们对手机快速充电器等中小功率电源的效率和功率密度要求不断提高。传统的反激变换器由于不能实现软开关和漏感能量回收,已越来越难以适应用户对小体积、高效率充电器的需求。有源箝位反激(Active Clamp Flyback,ACF)变换器能够较好的解决这一问题,目前已在50W～200W电源中得到了广泛应用。ACF变换器的工作过程较为复杂且工作性能受寄生参数的影响较大,特别是在副边谐振的概念引入后,变换器的参数设计变得更加困难。因此,本文以应用在手机快速充电器中的ACF变换器作为研究对象,针对其参数设计问题,从工作原理出发,围绕分析模型和数字化设计两方面开展研究工作。首先,从工作模式、谐振方式以及控制策略等多个方面对变换器的工作原理展开了详细分析,并建立等效电路对漏感电流跌落过程进行了数学推导,证明了副边谐振能改善电流波形,提高ACF变换器性能。其次,针对ACF变换器分析困难的问题,提出了基于模态迭代的时域模型,通过该模型能够准确获取变换器的稳态和暂态波形,并且模型中各模态的等效电路中包含各开关管的输出寄生电容,因此该模型能准确预测开关管寄生电容对工作波形的影响。与现有的通用仿真软件相比,提出的时域模型能够节约90%以上的计算时间,有效提高了ACF变换器数字化设计的便利性。再次,将ACF变换器的工作原理与时域模型相结合,提出了流程化的ACF变换器设计方法。该方法在确保稳定工作的前提下以尽可能提高效率为设计目标,根据变换器的工作原理和器件的电压电流应力对电路参数的设计空间进行约束,随后在时域模型的基础上进一步建立损耗模型实现对电路参数的效率预测,最后输出设计空间中的最优参数。基于此,本研究开发出了带有图形用户界面的ACF变换器自动设计软件。最后,针对手机快速充电器应用,使用开发出的设计软件,完成了ACF反激变换器的电路参数设计和器件选型。设计并制作出一台100W样机,验证了数字化设计方案的实用性。

关键词：反激变换器有源箝位电路仿真参数优化设计

基于有源箝位技术的SiC MOSFET串联均压有源驱动电路研究

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中国电机工程学报 2023年

作者：项鹏飞郝瑞祥王启丞游小杰徐云飞袁帆轨道交通安全协同创新中心先进输电技术国家重点实验室(国网智能电网研究院有限公司) 北京交通大学电气工程学院

功率器件串联技术是实现高压应用的有效途径之一，而串联应用的主要制约因素是串联器件之间的动态均压问题。本文针对不均压条件下串联器件的关断行为进行了理论分析，探究了不均压的产生机理，提出了一种基于有源箝位技术的SiC MOSFET... 详细信息

功率器件串联技术是实现高压应用的有效途径之一，而串联应用的主要制约因素是串联器件之间的动态均压问题。本文针对不均压条件下串联器件的关断行为进行了理论分析，探究了不均压的产生机理，提出了一种基于有源箝位技术的SiC MOSFET串联均压有源驱动，其利用有源箝位电路检测串联器件之间的电压不均衡，并箝位电压尖峰，通过反馈控制器件栅极电荷及开关瞬态行为实现均压。该方案不存在不均压的调节周期，即使在交变负载下依然能在每一个开关周期的关断时间内实现均压控制。此外，本文还详细介绍了所提出方案的电路原理和参数设计过程，并通过试验验证了该方案均压控制效果的有效性。所提出方案具有有源箝位电路拓展性强的特点；是独立于原有栅极驱动电路的辅助电路，适用性强；且控制电路结构简单，无需可编程逻辑芯片和额外的信号隔离。

关键词： SiC MOSFET 串联有源箝位均压控制

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有源箝位软开关变压器型Z源逆变器

电机与控制学报 2020年第11期24卷 118-126页

作者：丁新平余岱玲张承慧王伯荣张民青岛理工大学自动化工程学院山东大学控制科学与工程学院浙江大学电气工程学院

针对逆变电路中出现开关损耗和电磁干扰(EMI)问题,依托变压器型Z源逆变器,通过加入有源箝位电路,提出一种有源箝位变压器型Z源逆变器,实现了电路所有有源器件的软开关功能,降低了开关损耗和EMI的影响。根据设计需要,对一个开关周期中具... 详细信息

针对逆变电路中出现开关损耗和电磁干扰(EMI)问题,依托变压器型Z源逆变器,通过加入有源箝位电路,提出一种有源箝位变压器型Z源逆变器,实现了电路所有有源器件的软开关功能,降低了开关损耗和EMI的影响。根据设计需要,对一个开关周期中具体的工作模式和升-降压功能进行了研究,借助稳态分析法分析电路各部分之间的电压关系,分析具体的ZVS工作过程,推导出各开关ZVS环境的辅助电路参数条件。实验室设计1 kW实验样机波形表明:有源箝位软开关变压器型Z源逆变器可以实现大范围升压功能、同时减少开关损耗并改善EMI影响。验证了理论分析的正确性,以及所提出电路的有效性和实用性。

关键词： Z源逆变器准Z源逆变器有源箝位软开关变压器型Z源逆变器单级可升压逆变器

有源箝位五电平逆变器CHMPWM及悬浮电容电压控制

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电机与控制学报 2019年第9期23卷 92-100页

作者：李杰徐渊宋文祥上海开放大学理工学院上海200433 上海大学机电工程与自动化学院上海200444

针对降低功率器件的开关频率而带来电流谐波较大的问题,提出采用特殊设计的优化脉冲调制策略。通过深入研究五电平有源箝位(ANPC)逆变器电流谐波最小脉冲宽度调制(PWM)策略,设计一种基于遗传算法(GA)的优化脉冲调制开关角计算方案,该方... 详细信息

针对降低功率器件的开关频率而带来电流谐波较大的问题,提出采用特殊设计的优化脉冲调制策略。通过深入研究五电平有源箝位(ANPC)逆变器电流谐波最小脉冲宽度调制(PWM)策略,设计一种基于遗传算法(GA)的优化脉冲调制开关角计算方案,该方案相比传统牛顿迭代法具有更好的电流谐波特性;对于五电平有源箝位逆变器存在的悬浮电容电压波动问题,提出一种基于冗余开关状态切换的悬浮电容电压滞环控制策略,通过合理分配冗余开关状态的作用时间,能够将悬浮电容电压有效稳定在参考值附近。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性及所提控制方法的有效性。

关键词：有源箝位五电平逆变器低开关频率电流谐波最小优化脉冲模式悬浮电容电压

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燃料电池应用下的有源箝位正激变换器的研究

电力电子技术 2023年第3期57卷 111-114页

作者：岳改丽王紫晶高文杰西安科技大学电气与控制工程学院陕西西安710054

为解决燃料电池输出特性偏软,输出电压不稳的问题,研究设计了一种高效、稳定、电气隔离、宽输入范围的有源箝位正激变换器。采用有源箝位技术实现初级主、辅开关管的零电压开关(ZVS)。结合同步整流技术进一步减小输出损耗,为适应宽输入... 详细信息

为解决燃料电池输出特性偏软,输出电压不稳的问题,研究设计了一种高效、稳定、电气隔离、宽输入范围的有源箝位正激变换器。采用有源箝位技术实现初级主、辅开关管的零电压开关(ZVS)。结合同步整流技术进一步减小输出损耗,为适应宽输入电压范围条件,利用外驱动方式;主控芯片选用UCC2897使电路的控制更加简便,并保证变换器输出稳定。最后,制作了120 W,输入电压36~72 V的实验样机并进行测试分析,通过实验数据验证了理论分析的正确性。

关键词：正激变换器有源箝位同步整流技术

有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器大信号特性

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电工技术学报 2002年第1期17卷 35-39页

作者：陈道炼熊雅红南京航空航天大学自动化学院 210016

有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器具有优良的综合性能。然而 ,当输入电源电压或负载大信号瞬变时 ,有源箝位电路的动态特性严重影响了变压器最大磁化电流和功率开关承受的最大峰值电压。本文采用平均状态轨迹法深入分析了闭环反馈... 详细信息

有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器具有优良的综合性能。然而 ,当输入电源电压或负载大信号瞬变时 ,有源箝位电路的动态特性严重影响了变压器最大磁化电流和功率开关承受的最大峰值电压。本文采用平均状态轨迹法深入分析了闭环反馈控制、输入电压前馈控制有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器瞬态大信号特性 ,获得了瞬态大信号特性与系统控制带宽、箝位支路谐振频率参数间的关系。

关键词：高频脉冲直流环节逆变器有源箝位大信号特性平均状态轨迹

基于副边谐振的有源箝位反激变换器分析与设计

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基于副边谐振的有源箝位反激变换器分析与设计

作者：蔡培军西安科技大学

学位级别：硕士

随着便携式电子设备性能的不断提升,促使中小功率变换器朝着高效率高功率密度方向发展。常用的传统有源箝位反激变换器依赖变压器漏感和原边箝位电容之间的谐振实现软开关,但该方式增大了电路传导损耗和输出整流器的电流振荡问题。因此... 详细信息

随着便携式电子设备性能的不断提升,促使中小功率变换器朝着高效率高功率密度方向发展。常用的传统有源箝位反激变换器依赖变压器漏感和原边箝位电容之间的谐振实现软开关,但该方式增大了电路传导损耗和输出整流器的电流振荡问题。因此,对比分析不同谐振方式对电路工作状态的影响,探究最优工作状态下有源箝位反激变换器的设计方法,对提升反激变换器效率与功率密度具有重要指导意义。为探究有源箝位反激变换器的最佳工作模式,根据励磁电感电流和副边电流是否连续将变换器划分为四种工作模式。深入分析了不同模式的工作特性,发现副边电流过零DCM为变换器最佳工作模式,推导了该模式下开关器件的电压和电流应力,得出原边主开关管和箝位管实现软开关的条件。依据负载供电情况,发现变换器工作于CCM模式,存在两种能量传输模式;工作于DCM模式,存在一种能量传输模式;推导出各模式下的临界电感及输出纹波电压解析式,指出临界电感L随变压器漏感Lr的增大而减小,与箝位电容Cc无关;变换器工作于DCM模式时,输出纹波电压随变压器电感和箝位电容的增大而减小;工作于CCM模式时,输出纹波电压随箝位电容的增大而减小,与变压器电感无关。因此,CCM与DCM之间的临界电感为使输出纹波电压最小的励磁电感。为了解决传统有源箝位反激变换器传导损耗大及同步整流器的电流振荡问题,建立不同谐振方式下的等效电路模型,深入分析不同谐振方式对变换器工作状态的影响,研究发现副边谐振方式显著降低了原边电流有效值,减小了变换器传导损耗,消除了输出整流器的电流尖峰,从而有利于同步整流的实施,提高变换器的效率。根据设计指标,制作45W有源箝位反激变换器实验样机。实验结果表明:所设计变换器不仅实现了功率器件软开关,而且改善了同步整流管电流振荡现象;在全输入电压和负载范围内,变换器效率均大于90%,峰值效率达到了 94.06%,功率密度和负载调整率分别为1.16W/cm3和0.35%。与传统反激电路相比,效率和功率密度均得到显著提升。

关键词：有源箝位电流振荡能量传输输出纹波电压副边谐振

基于混沌扩频和有源箝位电路方法的反激变换器共模传导干扰抑制研究

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基于混沌扩频和有源箝位电路方法的反激变换器共模传导干扰抑制研...

作者：贾铭浩广西大学

学位级别：硕士

开关变换器现已应用在各类设备中,起到电能传输与转换的作用。但随着功率密度的大幅度提升,电磁干扰已经成为制约开关变换器进一步发展的瓶颈。混沌扩频脉宽调制技术可以将电磁干扰峰值频点的频谱扩散到连续频段内,从电磁干扰源头降低... 详细信息

开关变换器现已应用在各类设备中,起到电能传输与转换的作用。但随着功率密度的大幅度提升,电磁干扰已经成为制约开关变换器进一步发展的瓶颈。混沌扩频脉宽调制技术可以将电磁干扰峰值频点的频谱扩散到连续频段内,从电磁干扰源头降低电磁干扰频谱峰值,因此得到广泛地研究和关注。但是混沌扩频脉宽调制技术作为一种抑制方法却无法降低电磁干扰频谱的总噪声能量。针对该问题,本文以反激变换器为实验和分析模型,展开了如下工作:首先建立有源箝位反激变换器模型,并进行EMC分析。阐述有源箝位电路下反激变换器的工作过程,同时建立反激变换器的共模传导干扰回路,深入探究共模传导干扰产生的原因。并由工作过程分析结论可知有源箝位电路可以降低反激变换器主开关管的漏源电压变化率,从而降低共模噪声。其次根据混沌扩频脉宽调制技术降低电磁干扰的工作机理,提出一种基于混沌扩频和有源箝位电路的抑制方法。根据傅氏理论,推导并比较定频和混沌扩频下开关管漏源电压的功率谱密度函数,详细介绍了混沌扩频脉宽调制技术连续开关管电磁干扰频谱、削弱噪声峰值的原理。并在此基础上,构建传统反激变换器和有源箝位反激变换器的主开关管漏源电压波形,推导该两种模式下的功率谱密度函数。对比可知本文提出的基于混沌扩频和有源箝位电路的抑制方法不仅具有传统混沌扩频连续开关变换器电磁干扰频谱的特性,还可以降低电磁干扰噪声总能量。然后进行有源箝位反激变换器和混沌电路的设计。根据设定参数分别对主电路、控制电路、驱动电路、混沌电路进行拓扑和参数上的选取。同时使用Saber对系统进行EMI仿真,验证设计合理性和本文理论部分的正确性。最后基于蔡式混沌电路设计了一台60W、200kHz的有源箝位反激变换器实验样机。在该样机的基础上测量了定频和混沌扩频下主开关管漏源电压的频谱、共模噪声的频谱。同时测量在定频反激变换器、混沌扩频反激变换器、定频有源箝位反激变换器、混沌扩频有源箝位反激变换器四种工况下共模传导干扰频谱。实验结果验证了本文提出的基于混沌扩频和有源箝位电路的抑制方法不仅可以连续电磁干扰频谱,还可降低电磁干扰噪声总能量的结论。

关键词：电磁干扰反激变换器频谱混沌扩频调制有源箝位