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一种新型的高效率Boost PWM变换器的研究

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电气自动化 2008年第4期30卷 12-14页

作者：梁奇峰彭建宇中山火炬职业技术学院广东中山528436

传统的 Boost ZVT PWM 变换器的主开关管实现了软开关,但是辅助开关管是在硬开关下关断。因此,变换器的效率低。提出了一种新型的 Boost ZVT PWM 变换器,详细分析它的工作原理及实现软开关的条件。实验结果证明了所提出的 Boost 变换器... 详细信息

传统的 Boost ZVT PWM 变换器的主开关管实现了软开关,但是辅助开关管是在硬开关下关断。因此,变换器的效率低。提出了一种新型的 Boost ZVT PWM 变换器,详细分析它的工作原理及实现软开关的条件。实验结果证明了所提出的 Boost 变换器的有源开关管和二极管均实现了软开关,并且在满载时效率可达到94%左右。新型的 Boost ZVT PWM 变换器的思想也可以扩展到其它的基本变换器拓扑中得到新型零电压转换 PWM 变换器。

关键词：关断损耗零电压转换辅助开关管

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有源功率因数校正技术的研究

有源功率因数校正技术的研究

作者：孙利军东北石油大学

学位级别：硕士

有源功率因数校正技术作为一种有效的节省电能提高用电效率的重要技术，能够对电流的谐波进行有效的抑制。随着对用电设备性能指标要求的不断提高，这一技术得到了广泛的应用。在本文中研究了一种新型的零电压转换交错并联型boost ... 详细信息

有源功率因数校正技术作为一种有效的节省电能提高用电效率的重要技术，能够对电流的谐波进行有效的抑制。随着对用电设备性能指标要求的不断提高，这一技术得到了广泛的应用。在本文中研究了一种新型的零电压转换交错并联型boost PFC变换器的拓扑结构。该变换器采用了两个并联的boost变换器单元，当其工作在较低的开关频率时，能够对电磁干扰（EMI）进行有效的抑制。并通过谐振网络可以使主开关、辅助开关管和二极管等元件实现软开关工作，从而降低了开关损耗以及二极管的反向恢复损耗，不增加电压和电流应力。本文对零电压转换并联型boost变换器的工作原理进行了阐述。基于改进的零电压转换交错型boost电路拓扑结构，采用UC3854控制器，设计一个输出功率为200W的单相有源功率因数校正电路，并给出了具体电路参数的计算。采用移相驱动方式设计交错并联的控制电路，分别产生两路boost电路主、辅开关的驱动信号，并用PSpice软件对整个电路进行仿真，仿真结果证明本文提出的电路拓扑结构的正确性和有效性。通过对电流环控制的研究，并结合了重复比例积分电流控制器的理论，将其应用到单相boost AC-DC功率因数校正（PFC）变换器中。重复比例积分（PI）控制器与传统的比例积分控制器相比，具有更低的输入电流的交叉失真、低总谐波失真和非常低的跟踪误差。本文对重复比例积分（PI）控制器给出了全面的分析，并用Matlab/Simulink软件仿真验证。仿真结果验证了所提出的控制方法的有效性。

关键词：交错并联零电压转换功率因数重复控制

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新型软开关PWM Buck电路的研究

新型软开关PWM Buck电路的研究

作者：孙慧贤国防科学技术大学

学位级别：硕士

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,使得电源向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。本文回顾了软开关技术的发展过... 详细信息

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,使得电源向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。本文回顾了软开关技术的发展过程,分析了几种具有代表性的软开关电路的性能特点。在分析基本的Buck变换器的基础上,对典型的ZVT PWM Buck变换器的工作原理和性能特点进行了理论分析和仿真研究,并针对其存在的问题,提出了一种改进型ZVT PWM Buck电路。在以上分析的基础上,进而提出了一种新型零电流开关PWM Buck电路。对改进型ZVT PWM Buck电路,通过增加缓冲电容和与谐振电感串联的二极管,来克服原电路存在的辅助开关硬关断和由于开关管寄生参数产生的内部循环电流的缺点。本文对其拓扑结构、工作原理和电路特性等作了较深入的阐述。采用UC3525A作为主控芯片,设计了电路的控制驱动方案,进行了仿真和实验研究。结果证实改进电路是可行和有效的,并提高了原电路的性能。对新型零电流开关PWM Buck电路,其辅助谐振单元为主开关创造零电流开关的条件,同时不增加主开关电流应力和导通损耗,且辅助开关也能在软开关条件下完成开通与关断。本文对其拓扑结构、工作原理和电路特性进行了研究,给出了谐振参数选择方法,设计了控制驱动方案,进行了仿真研究。结果表明新型零电流开关PWM Buck电路中的所有开关器件都能在较好的软开关的条件下完成导通和关断,且电流应力很小,能有效地解决IGBT关断时存在的“拖尾电流”问题。其电路结构简单,控制容易实现,适合于采用少子载流半导体器件(如IGBT、MCT等)作为开关管。

关键词：电力电子技术软开关零电压转换零电流开关脉冲宽度调制 Buck变换器

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PFC模块的损耗分析及热设计研究

PFC模块的损耗分析及热设计研究

作者：王博明西北大学

学位级别：硕士

本文通过对硬开关和软开关技术的PFC模块的损耗机理分析，建立数学模型，并给出了较详细的损耗计算过程。在此基础上，通过把最优化方法应用到ZVT-PFC功率级电路、辅助换流电路和高频电感器的设计中，进行了电路结构优化设计和元件参... 详细信息

本文通过对硬开关和软开关技术的PFC模块的损耗机理分析，建立数学模型，并给出了较详细的损耗计算过程。在此基础上，通过把最优化方法应用到ZVT-PFC功率级电路、辅助换流电路和高频电感器的设计中，进行了电路结构优化设计和元件参数优化选择，实现最小重量的PFC电源模块的设计。以1.5kW零电压转换（ZVT）单相PFC整流电源模块为例进行了相应的优化设计及实验数据分析。其次，在探讨开关电源中的高频脉冲升压电感器工作特点的基础上，分析了在不同占空比的脉冲电压激励下的磁芯损耗模型，从最小功耗角度推导出了最佳铜、铁损比。同时，对其等效热路图进行分析，得到了电感热阻关系式。提出了按允许温升进行高频脉冲升压电感器设计的方法和步骤。最后，根据模块电源的技术指标和使用条件确定散热方式，通过计算所需热阻来选择合适的散热器，给出了PFC电源模块热设计的方法和步骤。同时，通过实验数据分析说明了该电源的热设计满足实际工作时所允许的可靠性要求。

关键词：损耗分析热设计零电压转换高频电感最优化

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中间电容式光伏升压变换器的设计与控制

中间电容式光伏升压变换器的设计与控制

作者：陈梦星山东大学

学位级别：硕士

组串型光伏逆变器由于其配置灵活、MPPT效率高、可靠性高等特点,正在得到越来越广泛的应用。然而,传统的组串型光伏逆变器受制于直流升压拓扑,造成功率半导体器件电压/电流应力大,损耗大等,已无法适应新型高效率低成本组串型逆变器的发... 详细信息

组串型光伏逆变器由于其配置灵活、MPPT效率高、可靠性高等特点,正在得到越来越广泛的应用。然而,传统的组串型光伏逆变器受制于直流升压拓扑,造成功率半导体器件电压/电流应力大,损耗大等,已无法适应新型高效率低成本组串型逆变器的发展。该论文提出一种适用于组串式光伏逆变器直流变换级的中间电容变换器,该中间电容型变换器大幅度减轻了功率半导体器件的电压/电流应力,开关/导通耗损等;相较传统拓扑,所提出的中间电容型直流变换器具有明显优势。为进一步降低功率半导体器件的损耗,提升转换效率,本文进一步提出了适用于该中间电容型变换器的零电压转换电路并探索了其运行原理与设计方法,并利用工程样机考证了所提出零电压转换电路的适用性。为了提升该中间电容型变换器在光伏功率不均衡与电网电压不对称的工况下的性能,本文分别提出了中间电容电压适应性控制策略与电网电压不对称下的运行策略。所提出的控制与运行方法提升了光伏阵列的发电量,降低了中间电容型变换器的过电压风险,并且改进了并网电流的波形质量。研究的主要内容如下:(1)分析了光伏并网逆变器应用近况,并综述了组串型光伏并网逆变器的研究近况。(2)研究了中间电容型直流变换器拓扑及其零电压转换辅助电路,分析了拓扑及其辅助电路的基本工作原理,并详细阐述了电路设计方法。(3)研究了中间电容电压适应性控制策略,分析了功率流图与实施方式,并通过仿真与实验验证了所提出的适应性控制策略。(4)研究了中间电容型变换器在电网电压不对称下的控制策略,分析了直流侧二次震荡现象并提出了对应的电路设计方法。

关键词：中间电容型变换器零电压转换适应性控制电网电压不对称

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单相中功率PFC电路的研究、设计与仿真

单相中功率PFC电路的研究、设计与仿真

作者：梁元钊西北大学

学位级别：硕士

本文在论述功率因数校正基本原理的基础上，着重分析了目前常见的Boost型功率因数校正电路所存在的问题，探讨了PFC主功率电路的几种改进型拓扑以及软开关功率变换技术在功率因数校正电路中的应用，研制了平均电流型中功率零电压转换... 详细信息

本文在论述功率因数校正基本原理的基础上，着重分析了目前常见的Boost型功率因数校正电路所存在的问题，探讨了PFC主功率电路的几种改进型拓扑以及软开关功率变换技术在功率因数校正电路中的应用，研制了平均电流型中功率零电压转换功率因数校正电路，并对其进行了理论分析，给出了整个系统的设计过程及实验结果。最后，作为对非线性电路仿真的一种尝试，探讨了离散时域法和符号分析法在PFC电路仿真中的应用。

关键词：谐波畸变功率因数校正零电压转换

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三相大功率DC/DC变换器的研究

三相大功率DC/DC变换器的研究

作者：田瑞飞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着电力电子的发展,涌现出大量各具特色的DC-DC拓扑结构。其中单桥臂和双桥臂结构是主流。这些拓扑由于电路简单,控制方便,已被广泛使用。然而,这些拓扑仍然存在每个桥臂流过电流大,输入输出电流纹波频率低的不足,不适合大功率DC-DC场... 详细信息

随着电力电子的发展,涌现出大量各具特色的DC-DC拓扑结构。其中单桥臂和双桥臂结构是主流。这些拓扑由于电路简单,控制方便,已被广泛使用。然而,这些拓扑仍然存在每个桥臂流过电流大,输入输出电流纹波频率低的不足,不适合大功率DC-DC场合。三相DC-DC变换器具有输入输出电流纹波频率高(为开关频率的三倍)、流过每个桥臂电流小的优点,必将在大功率DC-DC变换器中倍受青睐。三相混合整流DC-DC变换器的整流部分以三个电感取代三个二极管,大大提高了电路的效率,同时还实现了整流二极管的软开通和软关断,减小了二极管的损耗;原边利用变压器的漏感或外加电感实现了开关管的零电压开通。本文首先对三相混合整流DC-DC变换器的具体工作过程进行了分析,并与传统整流的三相DC-DC变换器进行了对比,总结出三相混合整流DC-DC变换器的主要优点;然后详细分析了三相混合整流DC-DC变换器在中间工作模式的工作原理和过程及开环特性;根据工作原理给出10kW变换器的设计过程,详细分析了仿真及实验结果,并与传统整流的三相DC-DC变换器进行了试验数据比较,验证了三相混合整流DC-DC变换器的优缺点。然后针对试验中遇到的整流二极管电压尖峰大的问题设计了吸收电路,吸收效果良好,大大降低了二极管电压尖峰;针对启动电流大的问题设计了电路的软启动,降低了电路的启动电流,提高了电路的安全性。最后针对实验中遇到的三相电流不平衡问题设计了电路的电流平衡环路,实验结果表明三相电流的平衡性得到明显改善。

关键词：三相直流变换器混合整流零电压转换电流平衡

三电平NPC逆变器ZVT-PWM软开关技术研究

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三电平NPC逆变器ZVT-PWM软开关技术研究

作者：向桂成北京交通大学

学位级别：硕士

两电平逆变器结构简单,使用功率器件少,在低压及小功率场合应用广泛。但在光伏逆变系统应用中,直流母线电压较高,对逆变器性能要求严格,两电平逆变器结构逐渐被二电平逆变器结构所代替。三电平中点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)逆... 详细信息

两电平逆变器结构简单,使用功率器件少,在低压及小功率场合应用广泛。但在光伏逆变系统应用中,直流母线电压较高,对逆变器性能要求严格,两电平逆变器结构逐渐被二电平逆变器结构所代替。三电平中点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器输出电压质量较高,开关管电压应力小,产生电磁噪声低,在中高压电机驱动、微电网建设、光伏并网及各种逆变电源系统等方面具有非常广泛的应用前景,也是光伏发电系统发展的主要方向之一。三电平NPC逆变器工作时,桥臂内侧开关管几乎没有开关损耗,但桥臂外侧开关管开关损耗和钳位二极管反向恢复损耗较高。针对此问题,本文提出一种用于三电平NPC逆变器的零电压转换(Zero Voltage Transition,ZVT)PWM软开关技术,所提方案电路控制方法简单,适用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)等调制方法,每相只需额外增加两个辅助开关管,实现了主开关管的零电压开通与钳位二极管的自然关断,同时降低了主开关管的关断损耗。本文深入分析了SVPWM调制方法与ZVT-PWM软开关三电平NPC逆变器的换流过程,计算给出了软开关谐振电路参数的设计方法,并通过PLECS仿真对逆变器的开关损耗和换流过程进行了模拟与验证。最后,搭建了一台1kW的三电平NPC逆变器实验平台,样机采用SVPWM调制方法。实验对比了硬开关运行状态与软开关运行状态,结果验证了所提软开关策略能适用于SVPWM等调制方法,并且相对于硬开关运行提高了逆变器工作效率。

关键词：三电平逆变器 NPC逆变器零电压转换零电压开关软开关 SVPWM

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四象限悬浮斩波器研究

四象限悬浮斩波器研究

作者：夏猛西南交通大学

学位级别：硕士

悬浮斩波器是磁浮列车悬浮控制系统的重要组成部分,为悬浮电磁铁提供激励电流,产生悬浮力。采用永磁和电磁混合悬浮系统,可以减小电磁铁线圈电流,是磁浮列车悬浮技术的研究方向之一。在混合悬浮系统中,采用四象限斩波器以实现负载电流... 详细信息

悬浮斩波器是磁浮列车悬浮控制系统的重要组成部分,为悬浮电磁铁提供激励电流,产生悬浮力。采用永磁和电磁混合悬浮系统,可以减小电磁铁线圈电流,是磁浮列车悬浮技术的研究方向之一。在混合悬浮系统中,采用四象限斩波器以实现负载电流双向流动。传统的悬浮斩波器采用硬开关模式,开关器件IGBT的电压和电流应力较高,同时存在开关损耗高、效率低、发热量大、电磁辐射比较严重等问题。为了改善传统悬浮斩波器开关管的工作状态,将软开关技术应用到四象限悬浮斩波器中,克服硬开关中的种种问题。本文将四象限悬浮斩波器作为研究对象,目的在于解决硬开关存在的问题。论文首先分析了传统四象限悬浮斩波器的拓扑结构,针对两电平和三电平两种控制方式进行了理论研究,通过理论分析搭建了两种控制方式的仿真模型。仿真结果表明三电平控制方式下负载电压应力要小。对传统悬浮斩波器加以改进提出了零电压开关(ZVS)和零电压转换(ZVT)两种软开关拓扑结构,分析了两种方案的工作原理。论文着重对零电压转换软开关技术进行了分析,搭建了相应的仿真模型,研究表明该技术实现了主开关管的软开关功能,改善了开关管的工作环境。论文对所设计的实验硬件平台进行了介绍,阐述了悬浮斩波器各模块器件的选型方法。对IGBT驱动的设计要求和注意事项进行了研究,详细讨论了集成驱动模块2SD315A的特点。介绍了基于FPGA控制板各组成部分的特性。最后,对两电平、三电平和零电压转换软开关悬浮斩波器进行了实验分析。实验表明三电平控制方式减小了负载电流的纹波,但并不是最佳策略。在软开关工作方式下,实现了主开关管的软开关功能,并且直流侧的输入电流的有效值减小,同时IGBT温升也明显小于硬开关模式下的温升。可见零电压转换软开关技术是很有应用前景的。

关键词：四象限悬浮斩波器软开关零电压转换