基于开关组合规律的双有源桥DC-DC变换器传输功率特性

双有源桥DC-DC变换器(DAB)采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度,通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦,将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式。对12个模式的传输功率分别进行计算,推导各模式下传输功率的取值范围,并在此基础上对三重移相控制下DAB的传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度做一些特殊赋值,三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制,研究这四种移相控制方法的传输功率范围,并对它们功率传输的灵活性进行比较。最后,通过实验验证了理论分析结果。     

隔离型双半桥DC-DC变换器的软开关特性

分析了隔离型双半桥(DHB)DC-DC变换器的软开关特性。首先介绍DHB变换器的工作原理,详细分析DHB变换器的软开关过程。通过理论建模和定量分析,给出各开关管实现零电压开通的充要条件。总结谐振电流、变换器输出功率和死区时间与实现零电压开通的三条规律,推导出各开关管软开关实现所允许的变换器最小输出功率的解析表达式。然后,提出一种改进的占空比控制策略,有效地扩宽了变换器的软开关运行范围,有助于变换器实现稳定的软开关运行。最后,通过样机实验验证了所提的理论分析以及改进控制方法的正确性和有效性。     

双有源桥DC-DC变换器虚拟直接功率控制策略

动态响应特性是双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)DC-DC变换器的一个关键指标。为了提高DAB DC-DC变换器在系统发生扰动时的动态响应速度,在单移相控制的基础上,结合直接功率前馈控制(Direct Power Feed-Forward Control,DPFFC)策略,提出了一种虚拟直接功率控制(Virtual Direct Power Control,VDPC)策略,并建立了VDPC策略下系统发生扰动时的小信号模型,该控制方法无电感、无变压器变比等电路参数参与控制,提高了控制方法的兼容性。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上,对虚拟直接功率控制和直接功率前馈控制进行了对比仿真,仿真结果表明:在DAB DC-DC变换器输入电压和负载发生扰动时,虚拟直接功率控制方法具有更快的动态响应性能,且能保证输出电压基本不变。     

基于移相控制统一模型的双有源桥DC-DC变换器基波环流优化控制策略

为充分利用双有源桥DC-DC变换器的容量,减小无功功率,提升工作效率,提出一种基于变换器移相控制统一模型的基波环流优化控制策略。通过引入基波移相比对变换器的所有移相控制方式进行统一描述,并采用傅里叶分解法建立全桥交流电压及电感电流的统一模型。该统一模型降低了多控制变量下变换器多模态分析的复杂性,适用于不同移相控制的所有工作模式,具有普适性。基于频域分析法和功率因数角,构建变换器传输功率及无功功率的统一数学模型。在此基础上,提出考虑无功基波分量的环流优化控制策略,并对传导损耗进行建模与分析。该策略简单有效,能够很好地减小变换器无功功率和改善系统效率,更有利于工程实际的应用。搭建了实验平台,对比了所提基波环流优化控制策略与传统移相控制方式下变换器的功率因数及变换效率,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。     

基于GaN-HEMT器件的双有源桥DC-DC变换器的软开关分析

对运用双有源桥DC-DC变换器(DAB)的软开关电路进行了建模,并依据此模型,对运用不同开关管的DAB软开关范围进行对比。首先,介绍传统移相控制下的DAB的工作原理,推导辅助电感的电流值。然后,对DAB的左右全桥的开关管进行了软开通电路建模。通过对MOSFET和GaN-HEMT两种开关管的输出电容进行数值拟合,对比二者在不同工作状况下的开通过程,发现运用GaN-HEMT能够扩大软开关范围。之后,根据GaN器件结构的特点,对不同死区时间下的电流尖峰和电路损耗进行对比。最后,基于Pspice仿真软件得到了不同条件下软开关的电感电流和寄生电容电压波形,分析了变换器的功率特性,并搭建GaN-HEMT实验平台进行了实验验证。     

双有源桥DC-DC变换器升降压功率特性优化控制

双有源桥DC-DC变换器工作在升压、降压状态下时,在传统单移相控制下,电压的不匹配程度会影响变换器的超前桥、滞后桥以及电感上的功率分布情况,进而增加变换器的通态损耗。引入内移相角的双重移相控制可以改变输入、输出侧的电压波形,进而优化流过超前桥、滞后桥的无功功率,在改变变换器的功率特性的同时增加了控制的自由度和灵活性。在此基础上提出了变换器工作在升压、降压状态下,以电感上的无功功率为优化目标的双重移相控制策略,减小了变换器的整体无功功率和通态损耗,从而提高变换器的效率。最后通过试验验证了该双重移相控制方式的有效性和优越性。     

有源箝位零电压开关DC-DC变换器拓扑的研究

有源箝位ZVS直流变换器实现了主开关管和辅助开关管的软开关，减少了开关管上的电压应力和反向恢复相关的损耗。本文在有源箝位ZVS单元模块基础上，对有源箝位ZVS直流变换器进行了全面的分析和研究。     

基于等面积法的双有源桥变换器控制策略

随着电池储能系统的不断发展,储能用双向直流变换器的规格与效率要求越来越高,双有源桥(DAB)变换器由于可以更好地胜任功率双向传输场合而备受欢迎。但其常规调制方式均有一定的缺陷,单移相调制方式在轻载时软开关特性丢失,效率低;双移相与三移相调制方式需要实时求解最小电感电流有效值对应的内外移相角组合,控制计算过程复杂,对主控制器要求高。这里综合考虑变换器常规调制方法存在的优缺点,提出一种基于等面积法的优化控制策略,根据电池电压灵活调整初、次级全桥占空比,有效降低电感电流有效值,拓宽软开关范围,提高变换器效率,且控制复杂度相较于双移相与三移相调制方式大幅减小。最后,搭建了额定功率为5 kW的实验样机,验证了所提控制策略的有效性。     

双向全桥直流变换器的全功率范围软开关控制技术的研究

双向全桥直流变换器不依靠额外的电路就能实现软开关,具有较高的效率。采用传统的纯移相调制方法,传输功率大,但无法在轻载时实现软开关;采用移相加占空比调制方法,可以在全功率范围内实现软开关,但最大传输功率会随着占空比的减小而减小,小占空比情况下功率输出受到限制。本文研究了双向全桥直流变换器的软开关特性,结合纯移相调制和移相加占空比调制的特点,提出一种新的优化控制方法,该控制方法可实现两种调制方法的平滑切换,在实现全功率范围内的软开关的同时又保证了传输功率的最大化。最后,本文在一台12k W的样机上对提出的控制方法进行了验证,实验结果表明了所提控制方法的正确性。     

应用于高频辅助变流器的DBSRC变换器IGBT开路故障分析及容错运行研究

随着电力电子技术的进步,以双向全桥串联谐振变换器(dual bridge series resonant DC-DC converter, DBSRC)为核心的新一代高频车载辅助变流器发展迅速,并逐步走向实用化。为了提高基于DBSRC变换器的高频辅助变流器的可靠性,首先利用模态分析法(operation mode analysis, OMA)对移相闭环控制下DBSRC发生IGBT开路故障展开研究,分析并阐明了DBSRC输入、输出侧故障后的运行机理及特性。其次,提出一种基于输出功率调整的高频车载辅助变流器容错运行策略,在不改变DBSRC拓扑及移相控制方法的条件下通过实时监测辅助变流器输入电压并动态调节辅助变流器的输出功率,将谐振电流应力及谐振电容电压应力限制在安全阈值内,实现容错运行。最后通过仿真与实验对故障特性分析的准确性与该容错运行策略的有效性进行验证。     

双有源桥钳位变换器的简单PWM移相控制策略

针对传统移相控制方法下双有源桥变换器会产生较大电流应力和在宽电压范围下低效率运行的问题,提出一种面向双有源桥钳位变换器的简单PWM移相控制策略。首先,利用钳位开关的运行周期和占空比取代变换器内移相比,以简化原边H桥工作过程并提高控制自由度。然后,计算了副边H桥开关管的占空比。通过分析所提出的移相控制策略的工作原理和软开关特性,推导出以传输功率标幺值为控制量的线性大信号模型。最后,采用基于TMS320F2808为控制器的实验平台进行验证。实验结果展示了简单PWM移相控制降低了变换器的电压应力和电流应力,显著提升了变换器的传输效率。     

双重移相控制下的双向全桥DC-DC变换器最小电流应力分段优化控制

为了减小双向全桥(dual-active-bridge, DAB)DC-DC变换器的电流应力,提升变换器的效率,提出了一种DAB变换器在双重移相控制下的电流应力分段优化控制策略。该策略首先分析了DAB变换器的结构及其功率特性,推导得到了电流应力与传输功率、移相角之间的关系。然后针对输入输出电压不匹配的情况,对DAB变换器的电流应力进行了分段优化,通过将传输功率分段得到了DAB变换器在不同传输功率范围下的最优移相角。将所提控制策略与传统双重移相控制策略对比分析,发现所提控制策略具有更小的电流应力和回流功率,减少了变换器的导通损耗,提升了变换器的效率。当负载发生突变时,DAB变换器的动态性能得到了大幅提升。最后基于所提控制策略搭建了实验样机,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于瞬时频率的电压源变流器开路故障检测方法研究

针对电压源变流器中功率器件的开路故障问题,通过分析变流器三相电流的固有模态分量特征,提出了一种基于瞬时频率的变流器开路故障检测方法。首先采用经验模态分解理论获取三相交流电流中的开关模态分量。然后通过希尔伯特变换得到开关模态分量的瞬时频率,利用开路故障前后开关模态分量瞬时频率特征变化对功率器件的开路故障进行检测。最后在PSCAD/EMTDC中搭建柔性直流互联系统仿真模型进行了验证。仿真结果表明,利用开关模态分量瞬时频率特征能够在几个开关周期内快速地检测出单个或多个故障功率管,而且在功率调整和潮流反转时具有较好的动态检测性能。     

采用移相控制有源整流的全桥变换器

当移相控制有源整流全桥(PSCAR-FB)变换器中的输出整流二极管反向恢复时,整流二极管存在很高的尖峰电压,增加了二次侧开关管和二极管的电压应力。为解决上述问题,在一次侧引入了1个谐振电感和2个箝位二极管的辅助网络。详细分析了该变换器改进后的工作原理及稳态特性,并给出了主要参数的具体设计方法。在此基础上,设计了一台1.25 kW实验样机并进行了实验验证,实验结果证实了所提方法的可行性。     

半桥三电平双有源桥不对称均压控制策略

半桥三电平双有源桥(HBTL-DAB)电路工作时必须解决三电平侧上下直流母线电容均压问题,在传统对称控制模式中,可通过微调占空比的方法,实现带载情况下的电容电压均衡控制。然而在空载情况下,对称控制模式难以从控制策略上实现上下直流母线电容电压的均衡调节。针对该问题,文中提出一种针对HBTL-DAB电路的不对称控制方法,首先从理论上分析对称模式不能均压的原因,进而根据不对称方法计算空载时上下直流母线电容分别在正负半周期内传输的能量偏差。通过调节该能量偏差实现上下直流母线电容电压的均衡控制,并同时指出影响电压均衡控制效果的主要因素。最后通过仿真,对所述不对称控制方法在多种工况下的运行情况进行验证。结果表明,无论是外部持续存在不平衡因素的工况、只存在初始不平衡因素的工况,还是内部存在脉冲误差的工况,不对称控制方法都能实现空载和带载时的电压均衡控制。     

基于微分平坦理论的双有源桥式变换器的单移相控制

针对双有源桥式(Dual Active Bridge,DAB)变换器系统受到扰动时动态响应速度慢,基于微分平坦理论,结合单移相控制,提出了一种平坦控制策略。设计DAB变换器平坦控制系统,包括前馈控制和非线性误差反馈控制两部分:前馈控制利用期望输出来规划状态变量轨迹;非线性误差反馈对平坦输出进行校正,消除误差。证明了平坦控制的稳定性,最后在仿真平台上分别对DAB变换器平坦控制和PI控制进行仿真,结果表明:在DAB变换器输出电压给定值改变、输入电压波动以及负载突变时,平坦控制策略下DAB系统可以更快达到输出稳定,系统具有更好的动态性能。     

双有源桥轻载下的软开关研究

通过分析双有源桥单移相控制下的软开关实现条件,得出电压不匹配时在双有源桥轻载范围内不能实现软开关。为此在单移相控制基础上引入单PWM控制,并从理论上分析了轻载时软开关的实现条件,分析表明单PWM控制可以扩大软开关的实现范围,但在零输出功率附近仍然存在盲区。进一步提出双PWM控制,推导得出当双有源桥接近零输出功率时双PWM控制能够实现软开关。最后利用实验平台对轻载情况下的软开关进行分析研究,结果表明与单移相控制相比PWM控制实现软开关的范围增加。